一种隔膜计量泵组流体比例投加控制方法与流程

文档序号:15579165发布日期:2018-09-29 06:25

本发明专利涉及精细化工、医药等行业使用计量泵组进行流体投加的技术领域,特别是一种基于数字变频控制器的计量泵组流体比例投加技术。



背景技术:

工业流体投加计量泵组广泛应用于制药、石油、化工、水处理等领域,常见于使用计量泵组协同工作将多种物料按照生产配比进行定比例投加的生产作业。

计量泵组流体比例投加的应用有如下部分举例:

医药行业药剂的配比输送。一般由多台计量泵构成泵组,泵组按照生产要求输送不同药剂进行混合,每台泵投加的药剂用量之间需满足准确的比例关系才能使生产的药品具有合格的药效。

化工工艺中流体反应室PH值的调节与控制。一般依靠计量泵组添加强酸强碱制剂调和,投加的酸碱试剂之间必须满足定量关系,才能使反应室内的酸碱度保持在一定范围,满足工艺生产要求。

目前计量泵的控制方式主要有以下三种:

1手轮式人工调节

这是一种人工离线式调节方式,通过调节手轮改变计量泵内部结构,从而间接达到流量调节的目地。其缺陷在于该方式是离线一次性的,且随着流体投加量的改变需要人工频繁参与,对于具有恶劣生产环境的工业场景如强腐蚀性的生产现场则不适合人工参与,因而不能满足现代工艺要求。

2电动阀调节

该方式通过电动执行器调节冲程,替代了传统的手轮式,有一定的改善作用,但是该方式也存在一定缺陷,如调节实时性不够,存在调节延迟,同时增加了计量泵的结构复杂性,成本上升。

3数字变频式控制器调节

通过数字变频式控制器控制计量泵进行流体投加是目前日趋成熟和应用较为热门的方式。其组合了控制器、变频驱动等功能,通过控制器调节频率最终调节驱动电机转速,根据转速与流量间的一定关系,达到在线调节流量目的。

在医药药剂的生产工艺中,药剂的配比投送控制一般采用一对一投送和主从式结构投送。一对一投送方式即一台计量泵投送一种药剂,药剂量由对应的控制器预设值给定,这种控制方式简单易操作,但是泵与泵之间没有形成约束关系,整个系统相当于开环,当某一投送线受到干扰时,只能依靠自身消除,其他投送线无法配合改变,在调整期间已经导致投送配比改变。主从式结构投送是将前一投送线的输出信号乘以一定比例系数作为后一投送线的给定,使前后投送线的信号量形成比例关系,这种方式对于前者是一种改进,能形成一种约束,但是当投送线较多时,对于较后者依然存在校正延迟,且该方式存在的缺点是跟随泵并没有向主泵形成反馈环节。

因此本发明提出一种改进型的偏差耦合控制结构解决当前存在的技术不足,使计量泵组可以准确的定比例投加,且在有扰动下,泵组间仍可相互约束,快速调节始终达到比例关系,不影响生产质量。



技术实现要素:

为了解决传统化工生产工艺流体物料定比例投加中计量泵组投送方式存在的难以在泵组间形成约束及在有扰动下泵组间无法快速校正,致使无法达到准确的比例投加问题,本发明提出一种改进型偏差耦合结构泵组控制方案以解决上述缺点。所述结构有如下特点:

基于改进型偏差耦合结构计量泵组控制结构主要包括速度补偿器、控制器、计量泵控制对象、信号混合模块和信号分离模块。本发明专利提出的偏差耦合结构的控制策略是将某子系统的角速度反馈值与其他子系统的角速度反馈值分别做差,对得到的偏差求和作为该子系统的速度补偿信号。在系统工作时,速度补偿器将子系统的转速与其他子系统的转速做差比较,经由补偿算法对偏差进行处理,输出该系统的转速补偿信号,由于偏差耦合方案考虑了所有子系统间的偏差值,使各子系统的误差都得到约束。因此,可根据每个子系统的工作状态动态分配补偿速度,从而具有较好的协同性能。为了实现比例投加控制,在上述结构基础上再做改进,令ωi为第i号泵的反馈角速度,ei为第i号泵的跟踪误差并定义为预定给定控制信号。λ1,λ2,λ3…(λi>0)为各泵转速的比例同步系数,当λi=1时,泵组间为同步投加。以三台泵组间比例协同控制为例,其比例关系应有:

ω1=λ1ω*

ω2=λ2ω*

ω3=λ3ω*

即有ω1/ω2=λ1/λ2,ω1/ω3=λ1/λ3,ω2/ω3=λ2/λ3。

定义比例同步误差为:

ε12(t)=ω1(t)/λ1-ω2(t)/λ2

ε13(t)=ω1(t)/λ1-ω3(t)/λ3

要保持各泵之间比例投加,应使泵与其他泵的比例同步误差和跟踪误差同时稳定收敛,即时间t趋向无穷时,有

进一步,基于上述设计思想可知取ω*为基准值,由实际投加需求决定。每一子系统在该基准值上乘以各自投加比例系数得到ωi,作为子单元输入。经改进后,实现协同约束还应对速度补偿器做出修正,将各子泵的反馈角速度值乘以比例系数的倒数再分别做差。在速度补偿器中,设计以PI控制器取代以泵转动惯量比值K12/K13的固定补偿增益,PI调节器可以同时兼顾在负载变化时因电机转动惯量不同引起电机转速波动的影响和任意一台泵受外部干扰引起的系统波动影响,能尽快的消除泵组之间的协同误差保证系统具有良好的同步性能和动态性能。若令δi为速度补偿器的输出,则计量泵的输入控制量为ri=ω*i-ωi+δi。其他泵组线的输入控制量同理。

改进的偏差耦合结构控制系统可以使泵组间的输出满足比例同步要求,根据冲程式隔膜计量泵工作原理,其输出流量与转速间满足线性关系,即输出流量可由转速唯一确定,因此,进一步可知,改进型的偏差耦合结构计量泵组可以实现流体的定比例精确投加。

更进一步,上述设计结构可假定每条投送线输送的是各不相同的物料。据此延伸,每条投送线又可拓展为同种物料的泵组组成单元,泵组之间可按照前述的设计思路重复构建。为实现同种物料泵组节点出现故障时不影响投加量间的比例关系。本发明同时提出一种冗余控制方法,即同种物料的泵组投送线之间信息共享,相同功能单元间的控制器实现互相通信,在存储器中存储相邻节点信息,并适时删除过往信息。当某节点出现故障离线时,通过主程序判断并修正相邻节点的投送比例系数,改变投送量弥补故障节点的损失。当无故障运行t时间,删除t之前的存储信息,减少内存占用。通过相邻控制器间的信息共享实现冗余控制,不影响投加量,且不用考虑增加备用泵,节约设备成本。

本发明提出一种隔膜计量泵组流体定比例投加控制方法,可以解决传统泵组流体比例投加存在的系统开环、协同性能差,在受干扰时难以互相约束和同步调节的问题。该方法基于偏差耦合结构设计并做改进,泵与泵间形成耦合约束,同时将泵组同步误差经速度补偿器补偿。每一组泵在预设值基准值经比例放大器后获得比例角转速设定值。因冲程式隔膜计量泵输出流量与转速间满足线性关系,最终实现定比例投加。同时提出一种冗余控制方法,在同种物料泵投送线节点出现故障时做出及时调整达到冗余控制的目的。

附图说明

图1是改进型偏差耦合结构泵组定比例协同控制结构图;

图2是改进型速度补偿器结构图;

图3是冗余控制系统图;

图4是冗余控制流程图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的描述。

由图1可知,本发明专利的一种改进型偏差耦合结构的泵组比例投加精准控制方案。所述结构及特点如下:

将泵组基于偏差耦合结构进行电气连接,该控制结构主要包括速度补偿器、控制器、计量泵控制对象、信号混合模块和信号分离模块。信号混合模块和分离模块起到信号的合并与分离的作用。偏差耦合控制结构的核心模块速度补偿器将某子单元泵的角速度反馈值与其他子单元泵的角速度反馈值分别做差,经由补偿器的补偿算法对各自偏差进行补偿后求和,输出值作为该子单元泵的转速补偿值。由于偏差耦合方案考虑了所有泵组间的的偏差值,因而使各单元的转速偏差都得到约束,根据每个子单元泵的工作状态为其动态分配速度补偿信号,实现较好的协同性能。为了进一步实现比例投加控制,在此结构基础上进一步修改实现,假定ωi为第i号泵的反馈角速度,ei为第i号泵的跟踪误差并定义为预定给定控制信号。λ1,λ2,λ3…(λi>0)为各泵转速的比例同步系数。以三台泵组间比例协同控制为例则应有:

ω1=λ1ω*

ω2=λ2ω*

ω3=λ3ω*

λi

即有ω1/ω2=λ1/λ2,ω1/ω3=λ1/λ3,ω2/ω3=λ2/λ3。

同时定义比例同步误差为:

ε12(t)=ω1(t)/λ1-ω2(t)/λ2

ε13(t)=ω1(t)/λ1-ω3(t)/λ3

由此可知,要保持各泵之间协同运行,应使泵的跟踪误差与泵组的比例同步误差同时满足时间t趋向无穷时稳定收敛。其他泵组之间比例关系推导与上面分析同理。

基于上述推导关系,在具体实施时取ω*作为一个基准值,该值大小由实际投送需求决定。根据冲程式计量泵工作原理可知,输出流量值由转速唯一确定,因此可根据需求流量值经换算得到角速度控制值,经比例投送系数放大后得到满足各单元泵控制要求的ωi值,即子系统输入预设值。比例系数关系由上述推导关系确定,并根据泵组间的实际流量投送比例要求确定具体值。

进一步,由图2可知,速度补偿器的作用在于在泵组间形成协同约束。在耦合结构中引入比例系数后,需对速度补偿器做修正。在速度补偿器中将原本直接输入的反馈角速度乘以比例系数的倒数,使反馈信号回到同一基准,再做差比较。同时,对偏差的处理设计以PI调节器取代以泵组转动惯量比值Ki/Kj的固定补偿增益调节器,使用PI调节器可以兼顾因电机转动惯量不同,在负载变化大时引起的电机转速波动造成的不同步和任意一台泵受环境扰动转速变化引起的系统波动,尽快消除泵组之间的协同误差,保证系统具有良好的协同性能和动态性能。

再进一步,由图1-2可知,以一号泵为例,令δ1为速度补偿器的输出,则可以得到一号泵控制器的输入控制量为r1=ω*1-ω1+δ1,其他泵的输入控制量以此类推。由此可知,改进的偏差耦合式泵组控制系统经速度补偿器的补偿可以使泵组间的输出始终满足比例同步关系。根据冲程式隔膜计量泵原理可知,冲程式隔膜计量泵的输出流量与转速间满足线性关系,即输出流量可由转速唯一确定,因此,进一步可得,改进型的偏差耦合结构计量泵组可以实现流体的定比例精确投加。

更进一步,由图3和图4可知,可假定前述每条投送线输送的是各不相同的物料。据此拓展,可将每条投送线设计为投送同种物料的泵组单元,泵组间结构按照前述设计结构重复构建。为了达到在实际生产时同种物料泵组节点因故障离线而无法实现不同物料间的比例关系。本发明提出一种冗余控制方法,其实施方法如下:同物料的泵组投送线之间信息共享,相同功能单元的控制器之间实现互相通信,在控制器的存储器中存储相邻节点信息,并适时删除过往信息。当发生节点故障离线时,通过主程序判断并修正相邻节点比例投送系数,根据实际情况增加投送量,弥补故障节点的流量损失。经一段时间的无故障运行,程序主动删除过往时间段内存储信息,减少内存占用。通过相邻控制器互相通信实现信息共享,主程序的在线判断并修正比例因子达到冗余控制的目的,不用考虑增加备用泵,减少设备成本。

本发明提出一种隔膜计量泵组流体比例投加控制方法,可以解决泵组流体比例投加系统开环、协同性能差,在受干扰时难以互相约束和同步调节的问题。该方法基于改进的偏差耦合结构设计,泵与泵间形成耦合约束,泵组间的同步偏差经速度补偿器补偿。每一组泵在预设基准值经比例放大后获得比例角转速设定值。基于冲程式隔膜计量泵输出流量与转速间满足线性关系,最终实现流体比例投加。同时提出一种冗余控制方法,在同种物料泵投送线节点出现故障时做出及时调整达到冗余控制的目的。

设计人员在对冲程式隔膜泵组流体比例投加精准控制方法设计和应用中若有与本发明专利提出的控制方式原理相同或相近的改动都应属于本发明的保护范围。

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