JP7496685B2 - How to control the rotational speed of a centrifugal pump - Google Patents
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Description
本発明は、開いた水力学的回路で動作する遠心ポンプの回転速度を制御する方法に関し、ポンプ制御システムのコントローラは、実際の回転速度と同様に、所望の揚程および実際の揚程を考慮して、ポンプ駆動の所望の回転速度を決定する。 The present invention relates to a method for controlling the rotational speed of a centrifugal pump operating in an open hydraulic circuit, in which a controller of a pump control system determines the desired rotational speed of the pump drive, taking into account the desired head and the actual head as well as the actual rotational speed.
従来技術の現在の回転速度制御の遠心ポンプは、主にＰＩコントローラを使用して所望の回転速度を決定する。Ｐ構成要素を使用して、ポンプが所望の値に到達する速さを決定することができる。Ｉ構成要素を使用して、動的に持続する制御偏差を除去する方法を設定することができる。Ｉ構成要素がゼロの場合、永続的な制御偏差が常に残る。 Current rotation speed controlled centrifugal pumps in the prior art mainly use PI controllers to determine the desired rotation speed. The P component can be used to determine how fast the pump reaches the desired value. The I component can be used to set a method to dynamically eliminate persistent control deviations. If the I component is zero, persistent control deviations will always remain.
両方の制御パラメータの構成がシステム全体のダイナミクスに影響するため、制御パラメータを個別に調整することはできないが、システムダイナミクスの全体的な考慮からのみ調整することができる。したがって、実際には、これらのパラメータを正しく調整することは非常に困難である。ＰＩコントローラまたはＰＩＤコントローラの調整に関する古典的な規則は、線形システムにも言及しており、それ以外の場合は、動作点で事前に線形化を実行する必要がある。後者の場合、検出された制御パラメータは通常、選択された動作点の近くでのみ最適に調整される。 Since the configuration of both control parameters affects the dynamics of the entire system, the control parameters cannot be tuned individually, but only from a holistic consideration of the system dynamics. In practice, it is therefore very difficult to tune these parameters correctly. The classical rules for tuning PI or PID controllers also refer to linear systems, otherwise it is necessary to perform a prior linearization at the operating point. In the latter case, the detected control parameters are usually tuned optimally only in the vicinity of the selected operating point.
上記の理由により、回転速度制御の遠心ポンプにＰＩコントローラを使用することは最適なソリューションではない。一方、ポンプは強い非線形の挙動を示す。一方、ポンプは異なる動作領域で安定して動作できる必要がある。例えば、ポンプの起動時の動作点は、一定のポンプ動作時の動作点と異なる場合がある。したがって、ＰＩまたはＰＩＤコントローラの制御パラメータの調整は、ポンプのこれらの異なる動作点間の妥協に常に基づいている。 For the reasons mentioned above, using a PI controller for a speed-controlled centrifugal pump is not an optimal solution. On the one hand, the pump exhibits a strongly nonlinear behavior. On the other hand, the pump needs to be able to operate stably in different operating regions. For example, the operating point at pump start-up may differ from the operating point at constant pump operation. Therefore, the adjustment of the control parameters of a PI or PID controller is always based on a compromise between these different operating points of the pump.
上記の問題の結果として、他の制御定式がすでにテストされている。１つの例は、親和性の法則に基づいて動作する、いわゆる親和性コントローラによって提供される。これらのタイプのコントローラは、特にさまざまな動作状況でも堅牢であると見なされており、前述の制御パラメータの複雑な調整は廃止される。しかしながら、これらのタイプのコントローラの不利な制約は、閉じた水力学的回路でしか使用できないことである。開回路では、特定の状況下で測地学上の高度を克服する必要がある場合、上記の量の変化と制御との間の数学的関係は満足のいく結果につながらない。 As a result of the above problems, other control formulations have already been tested. One example is provided by the so-called affinity controllers, which operate on the basis of affinity laws. These types of controllers are considered particularly robust in different operating situations and make the aforementioned complex adjustment of the control parameters obsolete. However, an unfavorable constraint of these types of controllers is that they can only be used in closed hydraulic circuits. In open circuits, when geodetic elevations have to be overcome under certain circumstances, the mathematical relationships between the changes in the above quantities and the control do not lead to satisfactory results.
したがって、前述の問題を解決するために、適切なコントローラの変更が求められる。 Therefore, appropriate controller modifications are required to resolve the aforementioned issues.
この目的は、請求項１の構成を備えた方法によって達成される。この方法の有利な設計は、従属請求項の対象である。 This object is achieved by a method with the features of claim 1. Advantageous designs of this method are the subject of the dependent claims.
本発明によれば、開いた水力学的回路で動作する遠心ポンプの回転速度を制御する方法が提案される。この方法は、ポンプ制御システムのコントローラに基づいており、ポンプ制御システムのコントローラは、実際の回転速度と同様に、所望の揚程および実際の揚程を考慮して、ポンプ駆動の所望の回転速度を計算する。このコントローラは、ＰＩコントローラでもＰＩＤコントローラでもない。コントローラの変更は、ポンプで処理される測地学上の高度を考慮して補償するために、少なくとも１つの補正パラメータによる拡張を想定している。この補正パラメータを用いて、制御定式を開いた水力学的回路にも使用することができる。 According to the invention, a method for controlling the rotational speed of a centrifugal pump operating in an open hydraulic circuit is proposed. The method is based on a controller of a pump control system, which calculates the desired rotational speed of the pump drive taking into account the desired head and the actual head as well as the actual rotational speed. The controller is neither a PI nor a PID controller. The modification of the controller envisages an extension by at least one correction parameter in order to take into account and compensate for the geodetic altitude processed by the pump. With this correction parameter, the control formula can also be used for open hydraulic circuits.
補正パラメータを使用して揚程／回転速度曲線を変位させる場合、特に揚程／回転速度曲線の垂直変位を提供する場合は特に好ましい。その結果、測地学上の測地高度の補償を簡単に行うことができる。 It is particularly preferred if the correction parameter is used to displace the head/rotation speed curve, in particular to provide a vertical displacement of the head/rotation speed curve, so that compensation of the geodetic height can be easily achieved.
制御定式の提案された拡張は、親和性の法則を利用して所望の値または設定値を決定するタイプのコントローラにとって特に有利であり、これらを以下では親和性コントローラと呼ぶ。有利な設計によれば、制御定式は、設定値の計算のために、回転速度と揚程との間の二次関係を仮定する。これにより、補正パラメータによって上下に変位し得る放物線の制御曲線が得られる。 The proposed extension of the control formula is particularly advantageous for controllers of the type that utilize the affinity law to determine the desired value or set point, which are referred to below as affinity controllers. According to an advantageous design, the control formula assumes a quadratic relationship between the rotational speed and the head for the calculation of the set point. This results in a parabolic control curve that can be displaced up or down by a correction parameter.
さらに、そのようなタイプのコントローラでは、所望の回転速度計算のために、所望の回転速度と所望の揚程との間の二次関係を、実際の回転速度と実際の揚程との間の二次関係と比較することが好ましい。所望の回転速度は、この比率に基づいて決定することができる。二次関係を反転させることにより、同時にポンプの非線形挙動を補償することができる。これにより、線形システムと同じ方法でポンプを安定させることができる。 Furthermore, in such types of controllers, for the desired rotational speed calculation, it is preferable to compare a quadratic relationship between the desired rotational speed and the desired head with a quadratic relationship between the actual rotational speed and the actual head. The desired rotational speed can be determined based on this ratio. By inverting the quadratic relationship, the nonlinear behavior of the pump can be compensated at the same time. This allows the pump to be stabilized in the same way as a linear system.
本発明の別の好ましい設計によれば、回転速度と揚程との間の二次関係によって定義される制御曲線の放物線は、補正パラメータによって座標原点に変位し、それにより、ポンプの圧力側または吸込側のどちらかで測地学上の高度を補償することができる。 According to another preferred design of the invention, the parabola of the control curve defined by the quadratic relationship between rotation speed and head is displaced to the coordinate origin by a correction parameter, thereby making it possible to compensate for the geodetic altitude on either the pressure side or the suction side of the pump.
実際には、補正値は油圧システム全体に存在する条件に依存する。測地学上の高度およびしたがって補正パラメータに必要な値も、ポンプの動作中に変化し得る。このため、ポンプの動作中にポンプ制御システムによって補正パラメータの値が自動的に決定されることが望ましい。 In practice, the correction values depend on the conditions present throughout the hydraulic system. The geodetic altitude, and therefore the values required for the correction parameters, may also change during operation of the pump. For this reason, it is desirable for the values of the correction parameters to be determined automatically by the pump control system during operation of the pump.
補正パラメータの自動決定の１つのオプションは、ポンプの試運転時に定義可能な初期値を補正パラメータに最初に割り当てることである。適切な初期値は、例えばゼロである。所望の揚程と実際の揚程の両方がポンプ制御システムに認識されているため、測地学上の高度の補正に必要な補正パラメータの値は、動作中に発生する制御誤差から決定することができる。補正パラメータの値は、その後、所望の揚程が達成されるまで調整することができる。 One option for the automatic determination of the correction parameter is to initially assign a definable initial value to the correction parameter during commissioning of the pump. A suitable initial value is, for example, zero. Since both the desired head and the actual head are known to the pump control system, the value of the correction parameter required for the correction of the geodetic height can be determined from the control errors occurring during operation. The value of the correction parameter can then be adjusted until the desired head is achieved.
数学的には、補正パラメータｋの決定は、以下の式を使用して説明することができる。
ここで、表現ｅｒｒは、所望の揚程と発生している実際の揚程の間で発生するエラー（誤差）値を特徴付ける。したがって、所望の揚程と発生している実際の揚程との間の差を記録することにより、ポンプ制御システムは現在のエラー値を認識し、ポンプ制御システムは上記の式に基づいて補正値ｋを計算することができる。 Here, the expression err characterizes the error value occurring between the desired head and the actual head occurring. Thus, by recording the difference between the desired head and the actual head occurring, the pump control system knows the current error value and can calculate the correction value k based on the above formula.
補正パラメータの決定が定期的に実行されることが特に好ましく、周期的な間隔で繰り返される場合が特に好ましい。これは、ポンプの動作中に測地学上の高度が変化する可能性がある場合に特に適している。初期試運転の直後に補正パラメータを決定することも適切である。あるいは、未定義のランダムな時点で補正値を決定することも可能である。 It is particularly preferred if the determination of the correction parameters is carried out periodically, particularly if it is repeated at periodic intervals. This is particularly suitable if the geodetic altitude may change during operation of the pump. It is also appropriate to determine the correction parameters immediately after initial commissioning. Alternatively, it is also possible to determine the correction values at undefined random times.
本発明の方法に加えて、本発明は、本発明の方法を実行するためのポンプ制御システムを備えた遠心ポンプにも関する。したがって、本発明の方法の文脈ですでに詳細に上述したものと同じ利点および特性が遠心ポンプに生じる。このため、繰り返しの説明は行わない。 In addition to the method of the invention, the invention also relates to a centrifugal pump equipped with a pump control system for carrying out the method of the invention. The centrifugal pump thus has the same advantages and properties as those already described in detail above in the context of the method of the invention, which will not be repeated for this reason.
本発明のさらなる詳細および利点は、図面の複数の表現を用いて以下により詳細に説明される。 Further details and advantages of the present invention are explained in more detail below using multiple representations of the drawings.
本発明の核となる概念は、遠心ポンプの回転速度制御のための新しいタイプのコントローラの使用にある。従来技術で提案されているものとは異なり、ＰＩまたはＰＩＤコントローラに頼ることはないが、代わりにいわゆる親和性コントローラが使用され、これは、親和性の法則を使用して設定値／所望の値を決定するので、回転速度と結果として生じる遠心ポンプの揚程との間の二次関係に基づいている。 The core concept of the present invention lies in the use of a new type of controller for the rotational speed control of a centrifugal pump. Unlike those proposed in the prior art, there is no recourse to PI or PID controllers, but instead a so-called affinity controller is used, which uses the affinity law to determine the setpoint/desired value, and is therefore based on a quadratic relationship between the rotational speed and the resulting head of the centrifugal pump.
この親和性コントローラの機能説明については、図１を参照されたい。図では、調整されたポンプ回転速度に対して揚程がプロットされている。この図は、揚程Ｈと回転速度ｎとの間の二次関係を詳細に示しており、これは、
Ｈ～ｎ２ （式１）
で記述することができる。
For a functional description of this affinity controller, see FIG. 1, where the head is plotted against the adjusted pump rotation speed. This figure details the quadratic relationship between the head H and the rotation speed n, which is given by:
H to n 2 (Formula 1)
It can be described as:
さらに、実際の回転速度ｎａｃｔｕａｌと所望の回転速度ｎｄｅｓｉｒｅｄは、図１の表示に例示的に示されている。二次関係により、所望の値と実際の値の比は以下の式に従って決定される。
所望のおよび実際の揚程は、動作中に常に認識される。現在存在する実際の回転速度も既知である。所望の回転速度（設定値）は、式３に従って親和性コントローラによって計算される。
このようにして、コントローラは常に正しい所望の揚程に適応する。揚程と回転速度との間の二次関係を逆にすることにより、ポンプの非線形動作が補償され、ポンプは線形システムと同じ方法で安定化される。コントローラは異なる動作状況で堅牢であり、コントローラパラメータの時間のかかる調整は不要になる。 In this way, the controller always adapts to the correct desired head. By inverting the quadratic relationship between head and rotational speed, the nonlinear behavior of the pump is compensated and the pump is stabilized in the same way as a linear system. The controller is robust under different operating conditions and time-consuming tuning of the controller parameters becomes unnecessary.
親和性コントローラの１つの制限は、以前の設計では閉じた水力学的回路でしか使用できないことである。測地学上の高度を克服する必要がある開回路では、図１のＨ／ｎ曲線が変位し、数学的関係が変化する。 One limitation of the Affinity Controller is that previous designs could only be used in closed hydraulic circuits. In an open circuit, where geodetic heights must be overcome, the H/n curve in Figure 1 is displaced and the mathematical relationships change.
本発明の概念は、開いた水力学的回路内で許容可能な結果をもたらすような方法での親和性コントローラの修正にある。本発明によれば、これは、測地学上の高度を記述するための１つのパラメータによる親和性コントローラの拡張によって達成される。 The concept of the invention consists in modifying the affinity controller in such a way that it gives acceptable results in open hydraulic circuits. According to the invention, this is achieved by extending the affinity controller with one parameter to describe the geodetic altitude.
図２の曲線は、吸込側の測地学上の高度が優勢であるという仮定の下で、揚程と回転速度との間の関係を示している。測地学上の高度により、放物線は座標の原点を通過しなくなるが、値ｋだけ下方に変位する。
Ｈ～ｎ２－ｋ （式４）
The curve in figure 2 shows the relationship between head and rotational speed under the assumption that the geodetic altitude of the suction side prevails, which causes the parabola to no longer pass through the origin of the coordinates, but to be displaced downwards by a value k.
H ∼ n 2 -k (Equation 4)
正圧側の測地学上の高度が優先される場合、曲線は上方に変位する。親和性コントローラを以前の形式で使用する場合、所望の揚程は実現されず、エラー値（ｅｒｒ）によって置き換えられる揚程が実現される。 If the pressure side geodetic height is preferred, the curve is displaced upwards. If the affinity controller is used in the previous form, the desired head is not achieved, but a head replaced by an error value (err) is achieved.
このエラー（ｅｒｒ）は、式１と式２との間の関係をパラメータｋだけ拡張することで修正することができる。
このようにして、放物線は原点に戻され、所望の回転速度が式６に従って計算される。
１つの課題は、測地学上の揚程、およびしたがってコントローラに必要なパラメータｋが常にわかっているとは限らないことである。したがって、このコンセプトの文脈では、動作中にパラメータｋを決定することが提案される。この目的のために、コントローラがオンになったとき、ｋは最初にゼロであると想定される。したがって、図２に示すように、実際の揚程はエラー値（ｅｒｒ）によって見逃されている。エラー値（ｅｒｒ）は、ポンプ制御システムによって所望の揚程と実際の揚程との間の差を記録した結果として知られる。式２と式５とを同等化することにより、補正値ｋはエラー値から決定することができる。
ｋは、動作中に測地学上の揚程が変化し得るため、ポンプの動作中に定期的に決定される。 k is determined periodically during operation of the pump since the geodetic head may change during operation.
図３は、３種類の異なるコントローラのテスト結果を示している。テスト済みの制御パスは、測地学上の揚程を克服する必要があるポンプである。コントローラとして、ＰＩコントローラ、従来の親和性コントローラ、および補正パラメータの形式での本発明の拡張を備えた親和性コントローラもテストされた。所望の揚程は、テストしたすべてのタイプのコントローラで５ｍである。 Figure 3 shows the test results of three different controllers. The tested control path is a pump that has to overcome a geodetic head . As controllers, a PI controller, a conventional affinity controller and also an affinity controller with the inventive extension in the form of a correction parameter were tested. The desired head is 5m for all types of controllers tested.
図３は、個々のタイプのコントローラによって設定された、時間に対する実際の揚程の図を示している。測地学上の高度の補正を行わない従来の親和性コントローラの曲線プロファイル２は、最初は非常に強いオーバーシュートを示すが、制御偏差の反復補正の結果、それでも所望の揚程が達成される。曲線プロファイル３のＰＩコントローラもその所望の値に達するが、この結果にはコントローラパラメータの正しい調整に多大な労力が必要である。測地学上の高度を考慮に入れた親和性コントローラの曲線１は、最良の結果を示している。オーバーシュートや恒久的な制御偏差はなく、所望の揚程が迅速に達成される。さらに、コントローラパラメータを調整する必要はない。これにより、動作特性が変化しても、コントローラの高い安定性が保証される。
なお、出願当初の特許請求の範囲の記載は以下の通りである。
請求項１：
開いた水力学的回路で動作する遠心ポンプの回転速度を制御する方法であって、
ポンプ制御システムのコントローラは、所望の揚程および実際の揚程並びに実際の回転速度を考慮して、ポンプ駆動の所望の回転速度を決定し、
前記所望の回転速度を計算するために、前記コントローラは、測地学上の高度を記述するための補正パラメータを考慮する、
ことを特徴とする、方法。
請求項２：
前記コントローラは、設定値を決定するための基礎として少なくとも親和性の法則の要素を使用し、特に、前記設定値の計算のために前記回転速度と前記揚程との間の二次関係を仮定する、
ことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
請求項３：
前記コントローラは、前記所望の回転速度と前記所望の揚程との間の二次関係、および前記実際の回転速度と前記実際の揚程との間の二次関係の比から前記所望の回転速度を決定する、
ことを特徴とする、請求項２に記載の方法。
請求項４：
前記二次関係によって定義される放物線は、前記補正パラメータによって座標原点に変位される、
ことを特徴とする、請求項２または３に記載の方法。
請求項５：
前記補正パラメータの値は、ポンプの動作中に決定される、
ことを特徴とする、請求項１から４のいずれか１項に記載の方法。
請求項６：
前記ポンプの試運転時に、前記補正パラメータに既知の初期値、特にゼロの値が割り当てられる、
ことを特徴とする、請求項５に記載の方法。
請求項７：
前記補正パラメータは、ポンプの動作中に、制御誤差、特に前記所望の揚程と前記実際の揚程との間の差から導出される、
ことを特徴とする、請求項５または６に記載の方法。
請求項８：
前記補正パラメータは、式１を使用して計算される、
ことを特徴とする、請求項７に記載の方法。
前記補正パラメータは、初期試運転時のポンプの動作中に、および／または定期的に周期的な間隔で、および／またはランダムな間隔で決定される、
ことを特徴とする、請求項５から７のいずれか１項に記載の方法。
請求項１０：
請求項１から９のいずれか１項に記載の方法を実行するためのポンプ制御システムを備えた遠心ポンプ。
FIG. 3 shows diagrams of the actual head set by the individual types of controllers versus time. The curve profile 2 of the conventional affinity controller without correction of the geodetic height initially shows a very strong overshoot, but as a result of iterative correction of the control deviation the desired head is nevertheless achieved. The PI controller of the curve profile 3 also reaches its desired value, but this result requires a lot of effort for correct adjustment of the controller parameters. The curve 1 of the affinity controller taking into account the geodetic height shows the best result. There is no overshoot or permanent control deviation and the desired head is quickly achieved. Moreover, there is no need to adjust the controller parameters. This ensures a high stability of the controller, even in the case of changing operating characteristics.
The claims as originally filed are as follows:
Claim 1:
1. A method for controlling the rotational speed of a centrifugal pump operating in an open hydraulic circuit, comprising:
a controller of the pump control system determining a desired rotational speed of the pump drive taking into account the desired and actual heads and the actual rotational speed;
To calculate the desired rotation speed, the controller takes into account a correction parameter describing the geodetic altitude.
A method comprising:
Claim 2:
the controller uses at least elements of the affinity law as a basis for determining the set point, and in particular assumes a quadratic relationship between the rotational speed and the head for the calculation of the set point;
2. The method according to claim 1 .
Claim 3:
the controller determines the desired rotational speed from a ratio of a quadratic relationship between the desired rotational speed and the desired head and a quadratic relationship between the actual rotational speed and the actual head.
3. The method according to claim 2 .
Claim 4:
the parabola defined by the quadratic relationship is displaced to the coordinate origin by the correction parameter;
4. The method according to claim 2 or 3.
Claim 5:
The value of the correction parameter is determined during operation of the pump.
5. The method according to claim 1, wherein the
Claim 6:
During the commissioning of the pump, the correction parameters are assigned known initial values, in particular a value of zero.
6. The method according to claim 5 .
Claim 7:
the correction parameter is derived during operation of the pump from a control error, in particular the difference between the desired head and the actual head,
7. The method according to claim 5 or 6.
Claim 8:
The correction parameters are calculated using Equation 1:
8. The method according to claim 7 .
The correction parameters are determined during operation of the pump during initial commissioning and/or at regular periodic and/or random intervals.
8. The method according to any one of claims 5 to 7, characterized in that
Claim 10:
A centrifugal pump comprising a pump control system for carrying out the method according to any one of claims 1 to 9.
Claims (6)
ポンプ制御システムのコントローラは、所望の揚程および実際の揚程並びに実際の回転速度を考慮して、ポンプ駆動の所望の回転速度を決定し、
前記所望の回転速度を計算するために、前記コントローラは、前記所望の揚程および実際の揚程について測地学上の高度を補償するための補正パラメータを使用する、
ことを特徴とし、
前記補正パラメータの値は、ポンプの動作中に決定されることを特徴とし、
前記補正パラメータは、ポンプの動作中に、制御誤差、すなわち前記所望の揚程と前記実際の揚程との間の差から導出されることを特徴とし、
前記コントローラの設定値としての前記所望の回転速度は、オーバーシュートを含まないように計算されることを特徴とし、
前記コントローラは、前記所望の揚程の設定値を決定するための基礎として少なくとも親和性の法則の要素を使用し、ここで、前記設定値の計算のために、前記所望の回転速度と前記所望の揚程との間の二次関係及び前記実際の回転速度と前記実際の揚程との間の二次関係を仮定することを特徴とする、方法。 1. A method for controlling the rotational speed of a centrifugal pump operating in an open hydraulic circuit, comprising:
a controller of the pump control system determining a desired rotational speed of the pump drive taking into account the desired and actual heads and the actual rotational speed;
and to calculate the desired rotational speed, the controller uses a correction parameter to compensate for geodetic altitude for the desired lift and actual lift.
It is characterized by:
The value of the correction parameter is determined during operation of the pump;
the correction parameter is derived during operation of the pump from a control error, i.e. the difference between the desired head and the actual head;
The desired rotation speed as a set value of the controller is calculated so as not to include an overshoot;
The method of claim 1, wherein the controller uses at least elements of the affinity law as a basis for determining a setpoint for the desired head, and wherein for the calculation of the setpoint, the controller assumes a quadratic relationship between the desired rotational speed and the desired head and a quadratic relationship between the actual rotational speed and the actual head .
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