CN113479951A

CN113479951A - 支路电解压载水电解液液位稳定加药装置和液位稳定方法

Info

Publication number: CN113479951A
Application number: CN202110790824.3A
Authority: CN
Inventors: 冯龙; 蔡鸣; 刘雪雷; 张文涛; 卢晓伟; 郭宇
Original assignee: Sunrui Marine Environment Engineering Co ltd
Current assignee: Sunrui Marine Environment Engineering Co ltd; Qingdao Sunrui Marine Environment Engineering Co Ltd
Priority date: 2021-07-13
Filing date: 2021-07-13
Publication date: 2021-10-08

Abstract

一种支路电解压载水电解液液位稳定加药装置和液位稳定方法，加药装置包括电解液储罐和控制器，在电解液储罐装有液位计；在该电解液储罐的电解液出口依次连接有变频离心水泵、压力表、电磁流量计和气动调节阀门；控制器的输入端分别与该液位计、压力表和电磁流量计的信号输出端连接；该控制器的一个输出端通过变频水泵用变频器与变频离心水泵连接；该控制器的另一个输出端与气动调节阀门的控制端连接。本发明的优点是：通过配合相关硬件设备和模糊控制算法，将原来控制液位稳定的方法，由无参数控制或单一的变频控制方式优化为变频加比例调节阀的双参数控制，并引入模糊控制算法，实现液位特别是在突变工况下的稳定控制，提高了系统运行的稳定性。

Description

支路电解压载水电解液液位稳定加药装置和液位稳定方法

技术领域

本发明涉及一种支路电解压载水电解液液位稳定加药装置以及采用该装置的液位稳定控制方法，适用于船用环境下加药点处复杂工况，保证储罐液位稳定避免出现满罐，抽空等状态的加药装置。

背景技术

传统加药方法适用于陆用工况稳定状态，多采用由无参数控制的直接加药方式或单一变频参数控制的加药方式。在工况复杂的船舶环境，如压载过程满舱切换至空舱等背压突变状态，运用传统加药方式容易出现缓冲罐液位无法稳定控制，甚至出现液位抽空损坏加药泵或者液位满罐漏水的状况。

传统的液位控制系统大多采用PID控制，由于常规PID控制器结构简单，使用方便，被广泛使用。PID控制方法对线性系统的控制效果非常优秀，但是对非线性、工况复杂的系统往往不能达到理想的效果。对于这种系统，很难建立精确的数学模型，而有经验的操作人员进行手动控制却能达到较好的效果。由此，一些学者提出了模糊控制的理论。

模糊控制是一种把逻辑规则的语言表达转化为相关控制量的新型控制理论，不要求知道被控对象的精确数学模型，只需要提供现场操作人员的经验知识及操作数据，适于解决常规控制难以解决的非线性、时变及滞后系统。

传统加药控制方法多适用于陆用工况稳定状态，对于船舶复杂工况，会出现运行不稳定甚至损坏设备的情况。

发明内容

本发明提供一种支路电解压载水电解液液位稳定加药装置和液位稳定方法，以解决现有技术存在的上述问题。

本发明的技术方案是：一种支路电解压载水电解液液位稳定加药装置，其特征在于，包括电解液储罐、变频离心水泵、电磁流量计、气动调节阀门、变频水泵用变频器和控制器，在该电解液储罐的顶部和底部分别设有电解液入口和电解液出口，在该电解液储罐装有液位计；在该电解液出口依次通过连接管路连接有变频离心水泵、压力表、电磁流量计和气动调节阀门；控制器的输入端分别与该液位计、压力表和电磁流量计的信号输出端连接；该控制器的一个输出端通过变频水泵用变频器与变频离心水泵连接；该控制器的另一个输出端与气动调节阀门的控制端连接。

一种采用所述支路电解压载水电解液液位稳定加药装置的液位稳定方法，其特征在于，运行时，通过液位计采集电解液储罐的液位信号，通过变频控制调整变频离心水泵的转速和气动调节阀门的开度，实现储罐液位稳定控制，并通过电磁流量计监视加药状态；当注入点工况突变时，能够通过变频离心水泵出口的比例阀门和变频离心水泵频率的同步快速调节，使系统快速进入稳定工作状态。

本发明的优点是：通过配合相关硬件设备(变频器和比例调节阀)和优化控制逻辑(模糊控制算法)，将原来控制液位稳定的方法，由无参数控制或单一的变频控制方式优化为变频加比例调节阀的双参数控制，并引入模糊控制算法，实现液位特别是在突变工况下的稳定控制，提高了系统运行的稳定性。

附图说明

图1是本发明加药装置的整体构成示意图；

图2是本发明控制方法中E、ΔE、Kp、Kv的隶属度函数图。

附图标记说明：1、电解液入口，2、液位计，3、电解液储罐，4、变频离心水泵，5、压力表，6、电磁流量计，7、气动调节阀门，8、变频水泵用变频器，9、控制器，10、连接管路，11、电解液出口。

具体实施方式

如图1所示，本发明一种支路电解压载水电解液液位稳定加药装置，其特征在于，包括电解液储罐3、变频离心水泵4、电磁流量计6、气动调节阀门7、变频水泵用变频器8和控制器9，在该电解液储罐3的顶部和底部分别设有电解液入口1和电解液出口11，在该电解液储罐3装有液位计2；在该电解液出口11依次通过连接管路10连接有变频离心水泵4、压力表5、电磁流量计6和气动调节阀门7；控制器9的输入端分别与该液位计2、压力表5和电磁流量计6的信号输出端连接；该控制器9的一个输出端通过变频水泵用变频器8与变频离心水泵4连接(该变频离心水泵4通过变频器8提供电源，并可进行10-60Hz的变频控制)；该控制器9的另一个输出端与气动调节阀门7的控制端连接。

所述的电解液储罐3宜采用同连接管路同类型的耐腐蚀材质,如钛、钢衬塑、玻璃钢等材质。该液位计2可采用磁翻板或超声波式液位计。变频离心水泵4宜采用耐腐蚀材质的泵头，如钛材质水泵或者塑料泵头的磁力水泵。水泵的电机应满足国家标准GB/T 7060《船用旋转电机》要求。所有盛放或流过电解液的部件均采用耐腐蚀的材料制成，或凡是与电解液接触的表面均设有防腐涂层。

本实施例中各部件的控制信号连接至外置控制器9，电解液从储罐入口1进入防腐蚀缓冲的电解液储罐3，并通过液位计2检测罐内的液位信号；变频离心水泵4运行后，控制器9通过控制变频水泵用变频器8驱动变频离心水泵4，并根据液位计2信号状态，调节变频离心水泵4的频率和调整气动调节阀7的开度，并检测电磁流量计6的信号，保证其加药的连续性。通过以上信号组成闭环调节系统，并引入模糊控制算法，达到液位稳定持续加药的效果。并能够适应加药点位置压力突变的工况，提高了支路加药系统的稳定性。

本发明的液位稳定控制方法，通过变频离心泵和比例调节阀共同控制液位，此该模糊控制器的输入量为现有液位(E)和液位的变化率(ΔE)，输出量为变频泵的频率Kp和调节阀的开度Kv，主要模糊控制原理如下：

1、模糊语言变量的确定：

将现有液位E和液位变化率ΔE作为模糊控制器的输入语言变量，变频泵的频率Kp和调节阀的开度Kv作为输出语言变量。它们的变化范围定义为模糊集上的基本论域：

E，ΔE，Kp，Kv＝(-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4)

其模糊子集为E，ΔE＝{NB，NS，ZE，PS，PB)，子集中元素分别代表负大，负小，零，正小，正大。例如，液位E的模糊子集含义为{过低，较低，正常，较高，过高)。

2、隶属度函数的确定：

各模糊状态的隶属度函数一般选择对称三角形、对称梯形或正态型。因为三角形隶属度函数其形状仅与它的直线斜率有关，运算较简单，因此比较适合于有隶属度函数在线实时调整的模糊控制。在此选三角形为语言变量的隶属度函数，如图2所示。

一般来说，每个模糊子集的宽度若选择适当，控制效果就会较好；如果所选宽度较小，则部分区域没有规则相适应，那么收敛性就不好。相反，重叠规则相加，规则间相互影响大，就会使得响应慢。因此E与ΔE采用相同的隶属度函数，同样Kp、Kv也采用相同的隶属度函数，从而可以确定E、ΔE和Kp、Kv隶属度的赋值表。

以液位E为例，在-2处隶属度为NS，即完全判定为液位较低，可直接使用针对NS的控制规则来控制；在-3处为NS与NB的叠加，即通过隶属度计算判定为介于较低和过低之间，则使用NS控制规则和NB控制规则的叠加控制。

3、模糊规则：

控制规则是模糊控制器的核心。根据经验和知识推理，将人的大量成功的控制策略经整理、加工提炼后，用输入、输出变量的模糊状态给以描述，就得到了控制规则。

本发明的模糊控制规则为：

(1)当液位过高(E＝PB)或液位变化率过高(ΔE＝PB)时，将变频泵的频率大幅提高，且阀门开度大幅降低；

(2)当液位较高(E＝PS)或液位变化率较高(ΔE＝PS)时，将变频泵的频率小幅提高，且阀门开度小幅降低；

(3)当液位正常(E＝ZE)或液位变化率正常(ΔE＝ZE)时，变频泵的频率保持不变，且阀门开度保持不变；

(4)当液位较低(E＝NS)或液位变化率较低(ΔE＝NS)时，将变频泵的频率小幅降低，且阀门开度小幅提高；

(5)当液位过低(E＝NB)或液位变化率过低(ΔE＝NB)时，将变频泵的频率大幅降低，且阀门开度大幅提高；

(6)如果液位过高(E＝PB)且液位变化率过低(ΔE＝PB)时，则将二者综合考虑，将其子集含义相互抵消后再采取相应动作。

根据以上分析，可将模糊控制规则以模糊控制规则表表示，如表1所示。其中，每个控制规则的结果都包含两项，从左到右分别为变频泵的频率和调节阀的开度。

表1 Kp、Kv模糊控制规则

4、解模糊算法：

模糊推理的结果，即模糊控制器的输出变量，一般情况下是一个模糊集，不能直接用于控制被控对象，需要先转化成执行器可以执行的精确量，此过程一般称为解模糊。常用的解模糊算法有最大隶属度法和加权平均法。最大隶属度法比较简单，即选择隶属度最大者，取与其对应确定值作为输出。加权平均法就是按隶属度加权平均，把求得的值作为输出。本发明选用的是最大隶属度法。

Claims

1.一种支路电解压载水电解液液位稳定加药装置，其特征在于，包括电解液储罐(3)、变频离心水泵(4)、电磁流量计(6)、气动调节阀门(7)、变频水泵用变频器(8)和控制器(9)，在该电解液储罐(3)的顶部和底部分别设有电解液入口(1)和电解液出口(11)，在该电解液储罐(3)装有液位计(2)；在该电解液出口(11)依次通过连接管路(10)连接有变频离心水泵(4)、压力表(5)、电磁流量计(6)和气动调节阀门(7)；控制器(9)的输入端分别与该液位计(2)、压力表(5)和电磁流量计(6)的信号输出端连接；该控制器(9)的一个输出端通过变频水泵用变频器(8)与变频离心水泵(4)连接；该控制器(9)的另一个输出端与气动调节阀门(7)的控制端连接。

2.根据权利要求1所述的支路电解压载水电解液液位稳定加药装置，其特征在于，所述的变频离心水泵(4)采用耐腐蚀材质的泵头、金属钛泵或者塑料材质的磁力泵。

3.根据权利要求1所述的支路电解压载水电解液液位稳定加药装置，其特征在于，所述的液位计(2)、电解液储罐(3)、变频离心水泵(4)、压力表(5)、电磁流量计(6)、气动调节阀门(7)、连接管路(10)与所通过的电解液接触的部件均采用耐腐蚀材料，或在与电解液接触的表面设有防腐涂层。

4.一种采用所述支路电解压载水电解液液位稳定加药装置的液位稳定方法，其特征在于，运行时，通过液位计(2)采集电解液储罐(3)的液位信号，通过变频控制调整变频离心水泵(4)的转速和气动调节阀门(7)的开度，实现储罐液位稳定控制，并通过电磁流量计(6)监视加药状态；当注入点工况突变时，能够通过变频离心水泵(4)出口的气动调节阀门(7)和变频离心水泵(4)频率的同步快速调节，使系统快速进入稳定工作状态。

5.根据权利要求4所述的液位稳定方法，其特征在于，采用模糊控制器对所述的比例阀门的开度和变频离心水泵(4)的频率进行模糊控制，该模糊控制器的输入量为现有液位E和液位的变化率ΔE，输出量为变频泵的频率Kp和调节阀的开度Kv，模糊控制方法如下：

(1)、模糊语言变量的确定：

将现有液位E和液位变化率ΔE作为模糊控制器的输入语言变量，变频泵的频率Kp和调节阀的开度Kv作为输出语言变量；它们的变化范围定义为模糊集上的基本论域：

E，ΔE，Kp，Kv＝(-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4)

其模糊子集为E，ΔE＝{NB，NS，ZE，PS，PB)，子集中元素分别代表负大，负小，零，正小，正大。例如，液位E的模糊子集含义为{过低，较低，正常，较高，过高)；

(2)、隶属度函数的确定：

各模糊状态的隶属度函数一般选择对称三角形、对称梯形或正态型。因为三角形隶属度函数其形状仅与它的直线斜率有关，运算较简单，因此比较适合于有隶属度函数在线实时调整的模糊控制；在此选三角形为语言变量的隶属度函数；

现有液位E和液位变化率ΔE采用相同的隶属度函数，同样变频泵的频率Kp和调节阀的开度Kv也采用相同的隶属度函数，从而可以确定E、ΔE和Kp、Kv隶属度的赋值表；

(3)、模糊规则：

根据经验和知识推理，将人的大量成功的控制策略经整理、加工提炼后，用输入、输出变量的模糊状态给以描述，得到了控制规则；

(4)、解模糊算法：采用最大隶属度法进行解模糊。

6.根据权利要求5所述的液位稳定方法，其特征在于，所述的模糊控制规则为：

(a)当液位过高(E＝PB)或液位变化率过高(ΔE＝PB)时，将变频泵的频率大幅提高，且阀门开度大幅降低；

(b)当液位较高(E＝PS)或液位变化率较高(ΔE＝PS)时，将变频泵的频率小幅提高，且阀门开度小幅降低；

(c)当液位正常(E＝ZE)或液位变化率正常(ΔE＝ZE)时，变频泵的频率保持不变，且阀门开度保持不变；

(d)当液位较低(E＝NS)或液位变化率较低(ΔE＝NS)时，将变频泵的频率小幅降低，且阀门开度小幅提高；

(e)当液位过低(E＝NB)或液位变化率过低(ΔE＝NB)时，将变频泵的频率大幅降低，且阀门开度大幅提高；

(f)如果液位过高(E＝PB)且液位变化率过低(ΔE＝PB)时，则将二者综合考虑，将其子集含义相互抵消后再采取相应动作。