本發(fā)明具體涉及一種用于不規(guī)則小水箱液位的變頻控制方法，屬于自動(dòng)控制領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

抽汽式汽輪機(jī)下方凝結(jié)水箱由于空間原因原設(shè)計(jì)在液位測(cè)量區(qū)域容積僅有1m³，但是液體流量為65m³/h，該凝結(jié)水箱形狀為兩端密封的槽型，長(zhǎng)寬均為1m，底部為拱形，頂部為喇叭口，液位控制區(qū)形狀基本規(guī)則，水箱內(nèi)呈負(fù)壓（-90——-80kpa），液位測(cè)量采用一臺(tái)磁翻板液位計(jì)。原液位控制采用3臺(tái)工頻電泵（額定48m³/h）控制，兩用一備，靠液位的高低限變化（共計(jì)四個(gè)點(diǎn)）控制泵的啟停，達(dá)到液位控制的目的，但是由于水箱小，流量大，水泵啟停非常頻繁，液位控制波動(dòng)大，液位呈鋸齒波形，無(wú)法達(dá)到穩(wěn)定的液位控制效果，極易造成汽輪機(jī)跳車，對(duì)泵的損害非常大。

電氣方面將設(shè)備由工頻泵變更為變頻泵，并在控制上采用普通pid調(diào)頻控制變頻泵，液位控制得到了一定的改善，但是由于汽輪機(jī)供汽壓力常有波動(dòng)，造成液位控制隨之波動(dòng)。

工藝方面將設(shè)備橫向圓形擴(kuò)充約1m³，水箱的容積增大了1倍，對(duì)液位調(diào)節(jié)有一定的好處，但是這造成了水箱的形狀不規(guī)則，pid參數(shù)難以適應(yīng)全量程范圍，液位波動(dòng)難以消除。

控制方面在pid調(diào)節(jié)的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)變頻控制液位時(shí)，由于出口管道上揚(yáng)有10余米，并且彎頭多壓損大，使用中觀察發(fā)現(xiàn)變頻控制流量在整個(gè)可調(diào)范圍內(nèi)并不成線性關(guān)系，而是一種近似二次方或者三次方關(guān)系，并且變頻頻率小于25hz時(shí)完全沒(méi)有流量，pid參數(shù)不能在全量程可用。同時(shí)由于變頻本身有斜率限制，液位控制滯后較多，需采用微分運(yùn)算增加前饋控制，原有pid算法為常規(guī)算法，其pid算法公式如下：

其中，?mvn：操作輸出變化量；en：偏差，en＝pvn－svn；pvn：測(cè)量值；svn：設(shè)定值；?en：偏差的變化量，?en＝en－en－1；?t：控制周期；pb：比例帶（%）；td：微分時(shí)間；ti：積分時(shí)間；msh：輸出上限；msl：輸出下限；sh：過(guò)程量上限；sl：過(guò)程量下限。

該pid算法適用過(guò)程中微分作用效果不明顯，前饋?zhàn)饔萌?，由于變頻器不能像閥門一樣高效快速反應(yīng)，微分作用難以和變頻器匹配。其他常規(guī)的pid調(diào)節(jié)方法等均難以適用，抗干擾能力差，不能很快的消除波動(dòng)，有時(shí)甚至將波動(dòng)放大，造成設(shè)備跳車。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了提供一種用于不規(guī)則小水箱液位的變頻控制方法，主要解決小水箱由于流量大、形狀不規(guī)則的原因造成變頻器控制液位波動(dòng)大，抗干擾能力差的問(wèn)題。

為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明的技術(shù)方案為：

一種用于不規(guī)則小水箱液位的變頻控制方法，包括以下步驟：

步驟一、液位計(jì)的設(shè)置：

在凝結(jié)水箱上設(shè)置兩臺(tái)測(cè)量原理及性能均不相同的液位計(jì)，第一液位計(jì)和第二液位計(jì)為互備關(guān)系；

步驟二、液位計(jì)的選擇：

當(dāng)兩臺(tái)液位計(jì)均正常時(shí)，手動(dòng)選擇其中一臺(tái)液位計(jì)進(jìn)行控制，所使用的液位計(jì)被認(rèn)為故障或失準(zhǔn)時(shí)，手動(dòng)切換至備用液位計(jì)；同時(shí)，在控制系統(tǒng)中輸入?yún)?shù)使系統(tǒng)自動(dòng)判斷當(dāng)前使用的液位計(jì)狀態(tài)，當(dāng)前使用液位計(jì)故障時(shí)自動(dòng)切換至備用液位計(jì)；

步驟三、每臺(tái)泵之間的公共線性區(qū)間的確定：

逐臺(tái)開(kāi)第一電動(dòng)變頻水泵、第二電動(dòng)變頻水泵和第三電動(dòng)變頻水泵，獲取每臺(tái)泵的變頻頻率與泵出口流量的對(duì)應(yīng)關(guān)系，選擇三臺(tái)泵的公共線性區(qū)間；

步驟四、pid算法設(shè)計(jì)：

設(shè)計(jì)pid算法，對(duì)設(shè)定值的變更進(jìn)行比例、積分及微分的控制動(dòng)作，控制范圍為步驟三中所述的公共線性區(qū)間；

pid算法公式如下：

式中：?mvn：操作輸出變化量；

pb：比例帶（%）；

msh：輸出上限；

msl：輸出下限；

sh：過(guò)程量上限；

sl：過(guò)程量下限；

?en：偏差的變化量，?en＝en－en－1；

?t：控制周期；

ti：積分時(shí)間；

td：微分時(shí)間；

?pvn：過(guò)程值的變化量，?pvn＝pvn－pvn－1；

步驟五、泵之間備用切換和啟停的自動(dòng)控制：

在控制系統(tǒng)中組態(tài)泵的啟停邏輯，按實(shí)際要求確定幾用幾備及啟停參數(shù)；在控制系統(tǒng)中組態(tài)pid算法，根據(jù)泵的頻率選擇區(qū)間完成pid調(diào)節(jié)回路的參數(shù)編制，所有泵采用一個(gè)pid進(jìn)行控制；

步驟六、控制區(qū)間的設(shè)定：

根據(jù)凝結(jié)水箱的實(shí)際情況取凝結(jié)水箱的液位與容積關(guān)系基本為線性區(qū)間進(jìn)行調(diào)節(jié)控制：

（1）若液位控制在線性區(qū)間，直接限制pid過(guò)程控制區(qū)間為線性區(qū)間，并調(diào)整液位控制pid參數(shù)；

（2）若液位控制不在線性區(qū)間，建立虛擬等效水箱模型，根據(jù)實(shí)際液位得到實(shí)際體積后計(jì)算出虛擬等效液位；

；

l虛擬：虛擬等效液位；

v實(shí)際：測(cè)量區(qū)間，從零點(diǎn)液位起至實(shí)際液面的總體積；

v最大：測(cè)量區(qū)間，從零點(diǎn)液位起至最高測(cè)量點(diǎn)液面的總體積；

l最大：液位計(jì)測(cè)量上限；

步驟七、pid的調(diào)節(jié)：

將步驟六中計(jì)算出的虛擬等效液位作為pid調(diào)節(jié)器的過(guò)程量pv，與設(shè)定值sp進(jìn)行比較，并進(jìn)行比例p、積分i、微分d調(diào)節(jié)。

為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)本發(fā)明，控制系統(tǒng)為dcs或plc。

本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)有以下有益效果：

1、在水箱上安裝兩臺(tái)測(cè)量原理及各項(xiàng)性能均不相同的液位計(jì)，保證這兩臺(tái)液位計(jì)不會(huì)因?yàn)橄嗤脑蛲瑫r(shí)發(fā)生故障。磁翻板液位計(jì)因?yàn)檎婵窄h(huán)境原因波動(dòng)大且抗干擾能力差，增加一套受真空度影響小且本身穩(wěn)定的差壓式液位計(jì)與磁翻板液位計(jì)呈互備關(guān)系，并以較穩(wěn)定的差壓式液位計(jì)為主進(jìn)行水箱液位調(diào)節(jié)；

2、對(duì)pid算法進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，原有pid算法為常規(guī)算法，過(guò)程量及設(shè)定量均采用了比例、積分、微分作用，因?yàn)槠钭兓瘦^小，微分作用極小，本發(fā)明設(shè)計(jì)的新算法對(duì)于設(shè)定值的變更進(jìn)行微分優(yōu)先的控制動(dòng)作，放大微分作用的效果，象串級(jí)控制的下游側(cè)回路那樣，可用于改善設(shè)定值的跟蹤性能等場(chǎng)合，該算法在使用過(guò)程中能夠很好地完成前饋控制，在pid調(diào)節(jié)中有著良好的表現(xiàn)；

3、所有泵均采用同一個(gè)pid調(diào)節(jié)，避免泵的切換造成pid算法切換引起波動(dòng)，同時(shí)避免多臺(tái)泵運(yùn)行時(shí)pid調(diào)節(jié)的協(xié)調(diào)問(wèn)題；

4、因?yàn)樗湫螤畈灰?guī)則，所以取水箱液位與容積關(guān)系基本為線性的區(qū)間進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，以保證pid參數(shù)的適應(yīng)性。

本發(fā)明可有效的避免液位計(jì)故障時(shí)造成的液位失調(diào)，可有效的避免變頻器跟蹤滯后造成的液位波動(dòng)大，可有效的避免因水箱形狀變化造成的液位變化不規(guī)律的調(diào)節(jié)干擾。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明中不規(guī)則小水箱液位的變頻控制裝置示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例中一種不規(guī)則小水箱的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明的工作流程圖。

附圖標(biāo)記如下：1、凝汽器；2、凝結(jié)水箱；3、第一液位計(jì)；4、第二液位計(jì)；5、控制系統(tǒng)；6、調(diào)節(jié)回路；7、第一電動(dòng)變頻水泵；8、第二電動(dòng)變頻水泵；9、第三電動(dòng)變頻水泵；10、液位選擇開(kāi)關(guān)；11、擴(kuò)展水箱。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說(shuō)明。

本發(fā)明中的各部件均由市場(chǎng)商購(gòu)。

如圖1和圖3所示，一種用于不規(guī)則小水箱液位的變頻控制方法，包括以下步驟：

步驟一、液位計(jì)的設(shè)置：

在凝汽器1下端的凝結(jié)水箱（2）上設(shè)置兩臺(tái)測(cè)量原理及性能均不相同的液位計(jì)，第一液位計(jì)（3）和第二液位計(jì)（4）為互備關(guān)系；

步驟二、液位計(jì)的選擇:

當(dāng)兩臺(tái)液位計(jì)均正常時(shí)，手動(dòng)選擇其中一臺(tái)液位計(jì)進(jìn)行控制，所使用的液位計(jì)被認(rèn)為故障或失準(zhǔn)時(shí)，手動(dòng)切換至備用液位計(jì)；同時(shí)，在控制系統(tǒng)（5）中輸入?yún)?shù)使系統(tǒng)自動(dòng)判斷當(dāng)前使用的液位計(jì)狀態(tài)，當(dāng)前使用液位計(jì)故障時(shí)自動(dòng)切換至備用液位計(jì)，控制系統(tǒng)（5）為dcs或plc；

步驟三、每臺(tái)泵之間的公共線性區(qū)間的確定：

逐臺(tái)開(kāi)第一電動(dòng)變頻水泵（7）、第二電動(dòng)變頻水泵（8）和第三電動(dòng)變頻水泵（9），獲取每臺(tái)泵的變頻頻率與泵出口流量的對(duì)應(yīng)關(guān)系，選擇三臺(tái)泵的公共線性區(qū)間；

步驟四、pid算法設(shè)計(jì)：

設(shè)計(jì)pid算法，對(duì)設(shè)定值的變更進(jìn)行比例、積分及微分的控制動(dòng)作，控制范圍為步驟三中所述的公共線性區(qū)間；

pid算法公式如下：

式中：?mvn：操作輸出變化量；

pb：比例帶（%）；

msh：輸出上限；

msl：輸出下限；

sh：過(guò)程量上限；

sl：過(guò)程量下限；

?en：偏差的變化量，?en＝en－en－1；

?t：控制周期；

ti：積分時(shí)間；

td：微分時(shí)間；

?pvn：過(guò)程值的變化量，?pvn＝pvn－pvn－1；

步驟五、泵之間備用切換和啟停的自動(dòng)控制：

在控制系統(tǒng)（5）中組態(tài)泵的啟停邏輯，按實(shí)際要求確定幾用幾備及啟停參數(shù)；在控制系統(tǒng)（5）中組態(tài)pid算法，根據(jù)泵的頻率選擇區(qū)間完成pid調(diào)節(jié)回路6的參數(shù)編制，所有泵采用一個(gè)pid進(jìn)行控制；

步驟六、控制區(qū)間的設(shè)定：

根據(jù)凝結(jié)水箱（2）的實(shí)際情況取凝結(jié)水箱（2）的液位與容積關(guān)系基本為線性區(qū)間進(jìn)行調(diào)節(jié)控制：

（1）若液位控制在線性區(qū)間，直接限制pid過(guò)程控制區(qū)間為線性區(qū)間，并調(diào)整液位控制pid參數(shù)；

（2）若液位控制不在線性區(qū)間，建立虛擬等效水箱模型，根據(jù)實(shí)際液位得到實(shí)際體積后計(jì)算出虛擬等效液位；

；

l虛擬：虛擬等效液位；

v實(shí)際：測(cè)量區(qū)間，從零點(diǎn)液位起至實(shí)際液面的總體積；

v最大：測(cè)量區(qū)間，從零點(diǎn)液位起至最高測(cè)量點(diǎn)液面的總體積；

l最大：液位計(jì)測(cè)量上限；

步驟七、pid的調(diào)節(jié)：

將步驟六中計(jì)算出的虛擬等效液位作為pid調(diào)節(jié)器的過(guò)程量pv，與設(shè)定值sp進(jìn)行比較，并進(jìn)行比例p、積分i、微分d調(diào)節(jié)。

實(shí)施例1：

步驟一、液位計(jì)的設(shè)置：

如圖1所示，在凝結(jié)水箱（2）上設(shè)置兩臺(tái)測(cè)量原理及性能均不相同的液位計(jì)，第一液位計(jì)（3）和第二液位計(jì)（4）為互備關(guān)系，本實(shí)施例中第一液位計(jì)3選用磁翻板液位計(jì)，第二液位計(jì)4選用壓差式液位計(jì)；

步驟二、液位計(jì)的選擇：

當(dāng)兩臺(tái)液位計(jì)均正常時(shí)，由操作員選擇其中一臺(tái)液位計(jì)后手動(dòng)開(kāi)啟液位選擇開(kāi)關(guān)10，所使用的液位計(jì)被認(rèn)為故障或失準(zhǔn)時(shí)，再通過(guò)手動(dòng)控制液位選擇開(kāi)關(guān)10切換至備用液位計(jì)；同時(shí)，在控制系統(tǒng)（5）中輸入?yún)?shù)使系統(tǒng)自動(dòng)判斷當(dāng)前使用的液位計(jì)狀態(tài)，當(dāng)前使用液位計(jì)故障時(shí)通過(guò)控制電纜發(fā)送信號(hào)至控制系統(tǒng)5，再有控制系統(tǒng)5通過(guò)控制電纜控制液位選擇開(kāi)關(guān)10自動(dòng)切換至備用液位計(jì)，控制系統(tǒng)（5）為dcs或plc；

步驟三、每臺(tái)泵之間的公共線性區(qū)間的確定：

逐臺(tái)開(kāi)第一電動(dòng)變頻水泵（7）、第二電動(dòng)變頻水泵（8）和第三電動(dòng)變頻水泵（9），獲取每臺(tái)泵的變頻頻率與泵出口流量的對(duì)應(yīng)關(guān)系，選擇三臺(tái)泵的公共線性區(qū)間25-45hz；

步驟四、pid算法設(shè)計(jì)：

設(shè)計(jì)pid算法，使用微分優(yōu)先pid算法調(diào)節(jié)液位，對(duì)設(shè)定值的變更進(jìn)行比例、積分及微分的控制動(dòng)作，調(diào)整pid參數(shù)，微分優(yōu)先pid算法運(yùn)算式如下：

本實(shí)施例中的控制系統(tǒng)5選擇綜合生產(chǎn)控制系統(tǒng)橫河centumvp，pid的輸出調(diào)節(jié)區(qū)間為步驟三中的三臺(tái)泵的公共線性區(qū)間25-45hz；

步驟五、泵之間備用切換和啟停的自動(dòng)控制：

在dcs或plc中組態(tài)泵的啟停邏輯，按實(shí)際要求確定三臺(tái)泵為兩用一備，根據(jù)液位的高低限位聯(lián)鎖值自動(dòng)控制泵的啟停順序，當(dāng)使用中的泵跳車或液位到達(dá)高限時(shí)備用泵啟動(dòng)；新啟動(dòng)的泵立即加入到pid調(diào)節(jié)中，停止的泵退出pid調(diào)節(jié)，從而有效地避免泵的啟停造成的影響；

在dcs或plc中組態(tài)pid算法，有相同算法的可直接取用，沒(méi)有的可選擇相近的算法或者自己組態(tài)pid算法功能塊，并根據(jù)泵頻率選擇區(qū)間完成pid調(diào)節(jié)回路6的編制，同時(shí)要求所有的泵采用同一個(gè)pid進(jìn)行控制，本實(shí)例中限制pid輸出可調(diào)節(jié)區(qū)間為25-45hz；

步驟六、控制區(qū)間的設(shè)定：

根據(jù)凝結(jié)水箱（2）的實(shí)際情況取凝結(jié)水箱（2）的液位與容積關(guān)系基本為線性區(qū)間進(jìn)行調(diào)節(jié)控制：

根據(jù)水箱的實(shí)際情況取水箱液位與容積關(guān)系基本為線性區(qū)間進(jìn)行調(diào)節(jié)控制：

（1）若液位控制在線性區(qū)間，直接限制pid過(guò)程控制區(qū)間（pid設(shè)定值的上下限）為線性區(qū)間，并調(diào)整液位控制pid參數(shù)，例如本實(shí)例可以設(shè)定pid過(guò)程控制區(qū)間為400-600mm；

（2）若液位控制不在線性區(qū)間，建立虛擬等效水箱模型，根據(jù)實(shí)際液位得到實(shí)際體積后計(jì)算出虛擬等效液位；

若液位控制不在線性區(qū)間，建立虛擬等效水箱模型，根據(jù)實(shí)際液位得到實(shí)際體積，從而計(jì)算出虛擬等效液位作為pid調(diào)節(jié)的過(guò)程量進(jìn)行調(diào)節(jié)，如圖2所示，本實(shí)施例的模型計(jì)算方法如下：

（1）先確定不規(guī)則小水箱的具體尺寸，并將其拆分為兩個(gè)規(guī)則的容器，包括一個(gè)長(zhǎng)方體的凝結(jié)水箱2和一個(gè)圓柱體的擴(kuò)展水箱11，其中凝結(jié)水箱2的長(zhǎng)（l1）為2.0m、寬（w）為0.5m、高（h）為1.0m，擴(kuò)展水箱11的長(zhǎng)度（l2）為2.0m、半徑（r）為0.4m，從而算出測(cè)量區(qū)間的總?cè)莘e（m³）為v總＝v長(zhǎng)方體＋v圓柱體＝l1wh＋πr²l2＝0.5×1.0×2.0＋π×0.4²×2.0≈2.0m³，虛擬水箱需與原水箱等高，因此虛擬等效液位（即計(jì)算液位）量程與測(cè)量?jī)x表相同均為1.0m，因此可求得虛擬水箱的等效底面積常數(shù)s虛擬＝v總/虛擬等效液位量程＝2.0÷1.0＝2m²；

（2）根據(jù)拆分情況，利用實(shí)際液位的分段函數(shù)求得容器中水的實(shí)際體積為v實(shí)際，則可得到虛擬等效液位＝v實(shí)際/s虛擬，再利用求得的虛擬等效液位作為pid調(diào)節(jié)的過(guò)程量控制液位：

；

l虛擬：虛擬等效液位；

v實(shí)際：測(cè)量區(qū)間，從零點(diǎn)液位起至實(shí)際液面的總體積；

v最大：測(cè)量區(qū)間，從零點(diǎn)液位起至最高測(cè)量點(diǎn)液面的總體積；

l最大：液位計(jì)測(cè)量上限；

本實(shí)例中，設(shè)實(shí)際液位＝hm，則：

當(dāng)h﹤0.1時(shí)，v實(shí)際＝l1×w×h＝2.0×0.5×h＝h；

當(dāng)0.1≤h＜0.5時(shí)，

當(dāng)0.5≤h＜0.9時(shí)，

當(dāng)h≥0.9時(shí)，v實(shí)際＝l1wh＋πr²l2＝2.0×0.5×h＋π×0.4²×2.0≈h＋1；

最后求得虛擬等效液位＝v實(shí)際/s虛擬＝0.5v實(shí)際；

步驟七、pid的調(diào)節(jié)：

將步驟六中得到的虛擬等效液位作為pid調(diào)節(jié)器的過(guò)程量pv，與設(shè)定值sp進(jìn)行比較，進(jìn)行比例p、積分i、微分d調(diào)節(jié)，并按一般pid參數(shù)整定方法（經(jīng)驗(yàn)湊試法等）整定pid參數(shù)即可。