利用真空壓力變送器調節變頻器對掃槽泵進(jìn)行閉環(huán)控制

 

一、泵機配備變頻的原因

        在用擺動(dòng)轉子泵掃槽車(chē)剩余底油時(shí)，由于掃艙軟管口徑較小,在全液流動(dòng)時(shí),易產(chǎn)生泵進(jìn)口真空過(guò)高，導致泵振動(dòng)、噪聲增大的問(wèn)題。采用擺動(dòng)轉子泵掃艙是進(jìn)行氣液混輸，因此必須考慮泵的汽蝕性能，在槽車(chē)底油多時(shí)，掃艙軟管吸入飽滿(mǎn)，泵進(jìn)口真空度高，當真空超過(guò)泵汽蝕點(diǎn)后，泵的振動(dòng)、噪聲將增大。因此擺動(dòng)轉子泵掃艙時(shí)需隨時(shí)調節電機的運行速度,以便控制泵進(jìn)口的真空度 ,達到泵平穩工作,提高效率,同時(shí)減少噪音的效果.本案例采取配置變頻器及三暢儀表壓力變送器，利用PID 控制器進(jìn)行調節。

 

二、PID控制器原理

       PID控制器(Proportion Integration Differentiation比例-積分-微分控制器 )由比例控制單元P、積分控制單元I和微分控制單元D組成，并分別通過(guò)參數K，Ti，Td的設定把收集到的數據和預設的經(jīng)驗值進(jìn)行比較，經(jīng)過(guò)將比較的結果計算產(chǎn)生新的值作為輸入信號。這個(gè)新的輸入值的目的是可以讓系統穩定在設定參考值的一定范圍內，這樣可以使系統更加準確，更加穩定。PID控制系統它的特點(diǎn)是原理簡(jiǎn)單，使用方便、適用性強等特點(diǎn)。

 

       1.PID具體含義。比例控制單元P的特點(diǎn)是快速反應，但是對具有自平衡性的被控對象存在靜差。增加積分調節單元I后，對消除靜差起到一定的積極作用，但是卻降低了系統的響應速度。為了解決這一問(wèn)題，必須要在偏差出現前，對偏差量做出反應，也要對偏差的變化趨勢做出判斷并加以控制，便增加微分控制單元D。綜上所述，為達到控制效果，要選擇PID控制器。PID是以比例、積分、微分函數的算法而命名的，這三個(gè)參數是取得高性能算法的關(guān)鍵。這三種算法是：

 

       1.1比例控制單元:按比例反映系統的偏差。加大比例系數,可以減少系統的穩態(tài)誤差,提高系統的控制精度,加快響應速度。但是過(guò)大的比例系數會(huì )造成系統的穩定性下降,甚至系統的不穩定。

       1.2積分控制單元:主要使系統消除穩態(tài)誤差,提高系統的穩態(tài)性能。積分作用的強弱取決于積分時(shí)間常數T,T越小,積分作用越強,反之,作用越弱。積分作用使系統的穩定性下降,動(dòng)態(tài)響應變慢.因此,積分環(huán)節通常與其他兩種調節器結合使用。

       1.3微分控制單元:微分作用反映偏差信號的變化趨勢,具有預見(jiàn)性。適當的微分調節,能改善系統的動(dòng)態(tài)性能,減少調節時(shí)間.但過(guò)強的微分調節,對系統干擾不利。

 

       2.三暢儀表的PID參數設定。過(guò)程PID用于壓力過(guò)程變量的控制。比例環(huán)節產(chǎn)生與偏差成比例變化的控制作用來(lái)減少偏差；積分環(huán)節主要用于消除靜差，積分時(shí)間越大，積分的作用越弱，積分時(shí)間越短，積分作用越強；微分環(huán)節通過(guò)偏差的變化趨勢預測偏差信號的變化，并在偏差變大之前產(chǎn)生抑制變差變化的控制信號，從而加快控制的響應速度。

 

PID參數調整原則：

         比例參數的調節。先將比例增益從較小值如（0.20）增加直至反饋信號開(kāi)始震蕩，然后減少40-60%使反饋信號穩定，比例系數P設置較大值會(huì )導致系統不穩定，頻繁震蕩；P值設置較小，又會(huì )使系統敏感性下降。恰當的設置比例系數會(huì )使系統有足夠的靈敏度但又不會(huì )反應過(guò)于靈敏，一定時(shí)間的延遲要通過(guò)對積分時(shí)間設置來(lái)進(jìn)行調節積分、微分參數的調節。將積分時(shí)間從較大值（如20.00s）直至反饋信號開(kāi)始震蕩，然后增加10-50%使反饋信號穩定。如果通過(guò)比例、積分參數的調節還是收不到理想的控制要求，而且系統對超調和動(dòng)態(tài)誤差要求較高，就需要增加微分單元（有的系統要求時(shí)間滯后，才需要附加這個(gè)參數），可以通過(guò)調節微分時(shí)間參數，初次調試時(shí)要從小到大，逐步調節的方法，直到系統穩定。

 

3.本案采取的算法本案例采取PID增量式算法 ,具體算法如下:

離散化公式：

 

 

其中:u(k)為第k次采樣時(shí)刻控制器的輸出；e(k)、ec(k)分別為系統的偏差、偏差變化量；kp、ki、kd分別為比例系數、積分系數、微分系。PID控制通過(guò)對這三個(gè)參數的整定,從而獲得良好的系統控制性能。增量型控制,即輸出量是兩個(gè)采樣周期,控制器的輸出增量△u(k)由下式可得:

 

其中 T1為積分時(shí)間常數；TD為微分時(shí)間常數；T為采樣周期。上公式稱(chēng)為PID增量是控制算式,增量式算式具有下速優(yōu)點(diǎn) :

(1)計算機只輸出控制增量,即執行機構位置的變化部分,誤動(dòng)作影響小。

(2)在進(jìn)行手動(dòng)和自動(dòng)切換時(shí) ,控制量沖擊小,能較平滑的過(guò)度。

(3)增量算法中增量△u(k)只受#近的第k次的輸出數值，這樣運算就可以通過(guò)加權算法來(lái)處理，可以得到理想的控制效果，由于沒(méi)有累加，消除了當前偏差存在時(shí)發(fā)生飽和的危險。

 

 

三、現場(chǎng)變頻器工作原理

        變頻調速的基本控制方式，在電動(dòng)機調速時(shí)，一個(gè)重要的因素是希望保持電機每極磁通量￠m為額定值￠m太小，電機的鐵心沒(méi)有得到充分的利用，浪費較大；如果增加￠m，會(huì )導致點(diǎn)擊的繞組過(guò)熱而損毀電機，為此，通過(guò)三相異步電機定子每相電動(dòng)勢的有效值公式來(lái)看；

 

式中Eg為感應電動(dòng)勢； f1為定子頻率； N1為定子每相繞組串聯(lián)匝數； KN1為基波繞組系數；

（1）基頻（額定頻率）以下調速：通過(guò)公式可以看出，要保持￠m不變，當頻率f1從額定值向下調節時(shí)，必須同時(shí)降低Eg，從而使得Eg/ f1=常值，屬于“恒轉矩調速”的性質(zhì)。

（2）基頻以上調速：頻率可以從額定頻率往上增高，但那時(shí)電壓卻不能增加的比額定電壓還高，#多只能保持在額定電壓下工作，通過(guò)公式可以看出￠m與f1 成反比的降低，屬于“恒功率調速”的性質(zhì)。

 

        本案中系統采用一臺變頻器控制一臺掃槽泵運行方式，安裝在掃槽泵進(jìn)口真空壓力變送器，用于檢測掃槽泵進(jìn)口真空壓力，將壓力轉化為4～20mA的電流信號，提供變頻器，經(jīng)過(guò)變頻器模擬量輸入，變頻器根據給定的真空壓力設定值與實(shí)際的檢測值進(jìn)行PID運算，變頻器調節掃槽泵電機的供電電壓和頻率。變頻器是掃槽泵電機的控制設備，能按照真空壓力恒定需要將0～50HZ的頻率信號供給掃槽泵電機，調整其轉速。本系統采用PID控制的應用宏，進(jìn)行閉環(huán)控制，采用三暢儀表壓力變送器，變頻器作為中心控制裝置，實(shí)現所需功能。

       在泵進(jìn)口真空度較低時(shí)，提高轉速，增大泵的排量；泵進(jìn)口較高時(shí)，降低轉速，減少排量，從而達到控制泵進(jìn)口真空的目的。避免在泵進(jìn)口真空較高時(shí)，泵發(fā)生汽蝕，產(chǎn)生振動(dòng)、噪聲。避免在未安裝變頻器的情況下,泵進(jìn)口真空較低時(shí)，掃艙吸入速度慢，需要人工調節提高泵轉速，這樣較繁瑣操作。

 

四、結語(yǔ)

        在現場(chǎng)實(shí)際應用，變頻器采用 PID 調節，可以減輕操作的繁瑣性，使泵工作更加平穩，提高了泵的掃艙效果，是一種較好的掃艙作業(yè)控制方式。