JPS6074001A - 送水圧力制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は浄水場の送水圧力制御装置、％ＷＢＩＤ制御方
式を用い送水圧力の制御応答を常に所望の値とする送水
圧力制御装置に関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

送水圧力制御系の送水ポンプの回転数を操作して送水圧
力を制御する場合、従来送水圧力目標値と送水圧力検出
値とを比較し、その偏差の積分および微分に対しである
定数を乗じ、その和をもって操作量の出力とするいわゆ
るｐｚｐ制御方式が一般に用いられており、これらの制
御演算に用いる制御定数は固定のものとして取扱われて
いる。しかしながら、このような従来の固定制御パラメ
ータを用いたＰより制御による送水圧力制御には、送水
圧力と送水ポンプの回転数との関係が非線形であるため
、常に望ましい送水圧力の制御応答を得ることができな
いという問題点があった。

〔発明の目的〕

そこで本発明は、送水圧力制御系の送水圧力、送水ポン
プの回転数、運転台数等により変化する非線形ブＸ伝達
関係を渚應し、制御パラメータを自動的に補正する手段
を設けることによって、常に所望の送水圧力制御応答を
確保しうる送水圧力制御装置を提供することを目的とす
る。

〔発明の概要〕

本発明の特徴は、送水ポンプにより水源の水を送水管を
通じて送水する送水系の送水圧力制御装荷であって、実
際の送水圧力と予め設定した送水圧力目標値との偏差に
制御パラメータＫｐ、ＴＩおよびラプラス演算子θを用
いＫｐ（１＋−ｒ、　、　）なる比例積分制御演算を施
し、この演算結芽−を基に１゜て前記送水ポンプの回転
数を制御することによって送水圧力を制御する送水圧力
制御装置において、制御パラメータＫｐおよびＴＩを以
下のアルゴリズムに従って可変とすることによって自動
調整を行ない、所望の送水圧力制御応答が常に得られる
信頼性の高い送水圧力制御装置を構成した点にある。

（１）制御応答時間Ｔｒ、制御指引パラメータα、βを
設定する。

（２）各検出器から得られた水源の水位、送水管圧力、
送水ポンプ回転数、送水ポンプ運転台数の各プロセス量
から可変速ポンプの吐出流ｆｔｑを算出する。

（３）可変速ポンプの吐出流テｑ、送水ポンプ回転数Ｖ
、送水ポンプ運転台数Ｎを用いて送水圧力の変化量と送
水ポンプ回転数の変化μとの比として定義される制御対
象の動的特性値Ｋをｑ−出する。

（４）制御パラメータＫｐおよびＴＩを次式で決定する
。

〔発明の実施例〕

以下本発明を図示する実施例に基づいて詳述する。第１
図に本発明の一実施例である制御対象としての送水圧力
を制御する系のブロック図を示す。

なお本実施例では上水道の送水系における送水ポンプの
回転数による送水圧力制御系について説明を行なう。浄
水池１の水は送水管２な経て貯水池３へ送水される。送
水を行なうポンプは２台の可変速ポンプ１２ａと１台の
定速ポンプＩｌ’ｂとの計３台からなり、これらのポン
プはそれぞれ可変速駆動電動機１２ａと定速駆動雷１動
機１２ｂとによって駆動される。また各ポンプの送水口
には吐出弁１３が設けられている。浄水池１には水位を
検出する水位検出器２１が、可変速駆動可動＠１２ａに
は回転数検出器２２が、また送水管２０入口には送水圧
力検出器２３および送水圧力検出器２４が、それぞれ設
けられている。水位検出器２１、送水流に検８哩：ｆ２
３、および送水圧力検出器２４の出力は入力装置３１に
入力され、更に演算制御装置３２に取り込まれる。この
演算制御装置３２からの指令は出カ装償″３３を通じて
送水ポンプ運転台数制御装置３４および可変速ポンプ回
転数制御装置３５へそれぞれ運転台数制御指令４１およ
び回転数制御指令４２として伝えられる。

送水ポンプ運転台数制御装置３４は運転台数制御指令４
１［基づいて送水ポンプＩｌａ　、　ｌｌｂの運転台数
を制御するととも知、実際の運転台数を運転台数信号４
３として検出し入力装置３１へ伝える。可変速ポンプ回
転数制御装置３５は回転数制律１指令４２に基づいて可
変速駆動電ｒＪａＪ機１２ａを介して可変訝げンプｌｌ
ａの回転数を制御するとともに、実際の再変速ポンプＩ
ｌａの回転数を回転数検出器２２がら回転数信号４４と
して検出し入力装置３１へ伝える。

このように入力装置３１には水位検出器２１、送水流１
検出器２３、および送水圧力検出器Ｕの出力が入力され
る他、運転台数信号４３および回転数信号４４が入力さ
れる。演算制御装置３２は電子計算機等で構成され、予
め内蔵されているロジックに基づいて入力に対して制御
演算を実施し、出力装置３３を介して運転台数制御指令
４１および回転数制御指令４２を出力する。これらの指
令を受けて送水ポンプ運転台数制御装置３４および可変
速ポンプ回転数制御装置３５は制御対象としてのポンプ
に操作信号を与えて制御を行７Ｚう。

ここで運転台数制御ループを基本的には全く別ループと
して構成させることもできる。例えば、予め設定された
送水圧力目標値と運転台数とを対応させた表を用いて制
御を行なえばよい。この場合、送水圧力制御のメインル
ープは、運転台数制御ループで決定された運転台数の枠
内で実行されることになる。しかしながら、本実施例で
は送水圧力制御のメインループも運転台数制御ループも
ともに演算制御装置３２によって制御される場合を示す
。即ち、運転台数制御ループが実行された場合、その演
算結果に基づき運転または停止の操作信号を出力して運
転台数を制御するものである。

従って、目標送水圧力の変更に対して送水ボ／ブ１１ａ
　、　１１１）の両方を制御して送水圧力を制御するよ
うに構成されている。

以下演算制御装置３２に内蔵する演算機能について述べ
る。演算機能は大きく２つに分がれ、第１は制御対象の
微少変化内での線形化モデルにより制御対象の動的特性
値Ｋをめる演舞であり、色２はこのＫを用いて制御パラ
メータＫＩ、およびＴＩをめる演算である。この２つに
ついて以下順に説明する。

（１）制御対象の線形化モデルによる動的特性（ｉｆｆ
、　Ｋ第１図に示した制御対象の可変速ポンプ廻りの水
頭平衡式は（１）式の形で表わされる。

’　”１−　ｆｐ　（Ｎ＋ｑ＋’）　−ｆｖ（ｕ）’ｑ
ｎ　（Ｄここで、ｈｌ：浄水池水位（ｍ）、ｈ２；送水
圧力ー、Ｎ：可変速ポンプ運転台数（台）、ｑ：可変速
ポンプの吐出流偕（ｍ３／／ａｅｃ　）、ν：可変速ポ
ンプ回転数、ｆｐ（Ｎ、ｑ、Ｖ）：　ポンプ吐出圧（ｍ
）、Ｕ。

：ポンプ吐出弁開度、ｆＶ（ｕ）　：吐出弁損失水頭抵
抗、ｎニブラント固有の定数である。一般に複数台のポ
ンプの場合、第１図に示すよう圧ポンプの吐出流量が集
まったところで流量を計測するため、個々のポンプには
流量検出器が備えられていない。

従って可変速ポンプの吐出流量ｑを得るためには（１）
式を用いて逆りしなくてはならない。ポンプ吐出弁開度
はポンプ運転時には全開となっているので、（１）式右
辺第２項は無視しうる。また（１）式右辺第１項のポン
プ吐出圧ｆｐ（Ｎ＋ｑ＋Ｖ）はＮＩｑｌνについての近
似式で表わすことができ、結局（１）式は（２）式のよ
うに表わせる。

ｂ２−ｈ４−ａ（引２＋ｂ（）シ＋ｃシ２（２）ここで
ａ、ｂ、ｃはｆｐ（Ｎ＋ｑｌ’）を近似式で表わしたと
きのパラメータである。（２）式をｑについて解くと（
３）式が得られる。

（３）式の各プロセス量り、、ｈ２．Ｎ、νに各検出器
により検出した値を用いれば可変速ポンプの吐出流量ｑ
がまる。

（２）式で可変速ポンプ回転数νと送水圧力ｈ２との関
係は非線形となっている。従ってこの対象に制御理論を
適用するためには、制ｍｌ対象の細形化が必要である。

いま、前述した制御の対象範囲がある平衡点の近傍にあ
るとすると、（４）式、（５）式が成り立つ。

ｂｚｏ−ｂｚｏ−ａ（）２＋ｂ（−）１７０　＋Ｃしｏ
”　（４）（ｈ、　＋Δｈ２）　−（ｈｌｏ＋△ｈ１）
−ａ（，５旦イｉ娯ｌ）２　＋ｂ　（９）、（ν０＋△
ν）＋ｃ　（ｖｏ十△し）２（５） ここで、ｈ□。：プロセスがある平衡点にあったときの
浄水池の水位、Δｈ１：プロセスがある平衡点にあった
ときの浄水池の水位からの変化水位、ｂｚｏ　：プロセ
スがある平衡点にあったときの送水圧力、△ｈ２：プロ
セスがある平衡点にあったときの送水圧力からの変化圧
力、ｑｏ：プロセスがある平衡点にあったときのポンプ
吐出流量、△ｑ：プロセスがある平衡点にあったときの
ポンプ吐出流量からの変化流量、ν。：プロセスがある
平衡点にあったときのポンプ回転数、△し：プロセスが
ある平衡点にあったときのポンプ回転数からの変化回転
数である。（４）式と（５）式とから（６）式が得られ
る。

ｑ０ △ｈ２−４ｈ１−　（−Ｔ−＋２ｃｌ／。）・△ν　（
６）この（６）式ではΔνと△ｈ２の関係が線形である
。従って浄水池の水位変化がないとして△ｈ１−Ｑとす
れば、送水圧力の変化量Δｈ２とポンプ回転数の変化量
Δνとの比には（７）式で表わされる。

△ｈ２ｂｑ。

Ｋｐ−−−−）　２Ｑνｏ（７） Δし　Ｎ ここで、可変速ポンプ運転台数Ｎ、可変速ポンプ回転数
ν。、バラメークｂおよびＣ，（３１式から演算によっ
てめられた可変速ポンプの吐出流ｉｑ。はそれぞれ定数
として予め設定可能であるため、線形な制御モデルの動
的特性値Ｋが得られる。このようにしてモデルは比例系
として表現されたことになる。

（２）制御パラメータＫｐおよびＴＩの自動調整比例系
としての対象に比例・積分（ＰＩ）制御を施した場合の
伝達関係ブロック線図を第２図に示す。ここで、Ｋｐお
よびＴＩはそれぞれＰＩ制御の比例ゲインおよび積分時
間、Ｋは（７）式で表わされる制御対象の動的特性値、
８はラプラス演算子である。送水圧力の変化量目標値５
１と送水圧力の変化量５５との偏差信号は、Ｐ１制御器
５２を通り操作弁°の変化量５３となり、制御対象５４
を制御する。この系の開ループ伝達関数Ｇ（θ）は（８
）式で表わされる。

Ｇ　（ｓ）　−Ｋｐ　（１＋　）・Ｋ（８）Ｔ工Ｓ ここで対象とするプロセスの動的特性値であるＫは、（
７）式で示されるように、可変速ポンプの回転数ν。、
可変速ポンプの吐出流ｉｑｏ、およびポンプの運転台数
Ｎによって変動する。この変動に対して制御応答時間を
一定に保つために、次の指針に基づいて演算機能を設け
る。

（指針１）　制御応答時間を一定にするために制御指針
パラメータα（０くα（１，０）を定め、目標値のステ
ップ変化に対する単位ステップ応答がαになるまでに要
する応答時間’ｒｒを設定する。

（指釦２）　（１＋Ｔ工θ）の項があることを考慮して
、制御指針パラメータβを用い、交さ角周波数ω。のβ
倍を１／Ｔ工とする。

（指針３）　安定性確保のため、開ループ伝達関数の周
波数応答において、交さ角周波数ωＣ付近でのゲイン特
性の傾斜を−２０ｄＢ　／　ｄｅｃａｄｅとなるように
する。

（８）式よりω。をめると（９）式が得られる。

（指針２）よりω。−１／βＴ工となるため、これと（
９）式よりＫｐが（１０）式のようにまる。

一方第２図のブロック線図の閉ループ伝達関数０Ｃ（Ｓ
）およびその単位ステップ応答ｇ（ｔ）はそれぞれ（１
１）式および（１２）式で表わされる。

（指針１）によりｇ（Ｔｒ）　＝αであるから、（１２
）式をＴＩについて解くと（１３）式が得られる。

（１３）式に（１０）式を代入しく】４）式が得られる
。

（１４） このようにしてＰ工制御のパラメータである化例ゲイン
Ｋｐおよび精分時間ＴＩは、それぞれ（１０）式および
（１４）式によって決定される。以上のアルゴリズムの
流れ凶を第３図に示す。演算制御装置ｆ；３２はこのよ
うなアルゴリズムによって制御パラメータＫｐおよびＴ
Ｉを決定し、第２図に示す制御を行なうよう構成される
。

以上述べてきた例は、本発明の一実施例であり、本発明
の原理に基づいて次に掲げるようなこの実施例の変形が
行ないうる。

（１）上記実施例では、比例・積分制御を採用したが、
プロセスからの入力信号、特に送水圧力信号をフィルタ
を通して入力装置３１へ入力させ、プロセス信号中のノ
イズを減少させることにより、ＰＩＤ制御を採用するこ
とができる。また、上述の実施例と併用することにより
その効果を更に高めることもできる。

（２）上記実施例では、同等量の可変速ポンプと定速ポ
ンプとを併用する送水系に本発明を適用したが、可変速
ポンプのみによる送水系においては（３）式によって可
変速ポンプの吐出流量ｑを算出する必要はなく、送水流
量検出器２３によって検出された流量をそのまま（７）
式のｑ。として用いて制御対象の動的特性値Ｋを決定す
ることができる。

（３）上記実施例では、容量の等しいポンプを併用する
送水系に本発明を適用したが、ベースとなる流量を大容
量の定速ポンプで、また変動分の流量を小、中容量の可
変速ポンプで送水する送水系にも本発明を適用すること
ができる。

〔発明の効果〕

以上のとおり本発明によれば、各送水ポンプごとに高価
な検出器を設置しなくても、第３図に示すアルゴリズム
によって系の変動に応じて制御パラメータを自動調整す
ることができ、一定の制作１応答時間で常時信頼性の高
い送水圧力制御を行なうことができる。また、アルゴリ
ズムが節部なために実用性が高く、制御パラメータを自
動調整するために製品の試験調整時間を短縮できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る送水圧力制御装置のブロック図、
第２図は本発明に係る送水圧力制御系の伝達関数ブロッ
ク線図、第３図は制御パラメータＡｐ　２６よびＴ工決
定のアルボ１ノズノ・を示す流れ図である。 １・・・浄水池、２・・・送水管、３・・・貯水池、Ｉ
ｌａ・・・可変速ポンプ、ｌｌｂ・・・定速ポンプ、１
２ａ・・・可変速駆動電動機、１２ｂ・・・定速駆動電
動機、１３・・・吐出弁、２１・・・水位検出器、２２
・・・回転数検出器、２３・・・送水流量検出器、２４
・・・送水圧力検出器、３１・・・入力装置、３２・・
・演舞、制御装置、３３・・・出力装置６．３４・・・
送水ポンプ運転台数制御装置、３５・・・可変速ポンプ
回転数制御装置、４１・・・運転台数制御指令、４２・
・・回転数制御指令、４３・・・運転台数信号、４４・
・・回転数信号、５１・・・送水圧力の変化量目積値、
５２・・・Ｐ工制御器、５３・・操作量の変化量°、５
４・・・制御対象、５５・・・送水圧力の変化量。 出願人代理人　猪　股　消 嶌２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、可変速駆動の送水ポンプを用いて水源の水を送水管
   を通じて送水する送水系の送水圧力制御装置であって、
   実際の送水圧力と予め設定した送水圧力目標値との偏差
   に制御演算を施し、この演算結果を基にして前記送水ポ
   ンプの回転数を制御することによって送水圧力を制御す
   る送水圧力制御装置において、 前記送水管に設けられた送水流量検出器と、前記可変速
   駆動の送水ポンプに設けられた送水ポンプ回転数検出器
   と、送水ポンプ運転台数検出器とを有し、 前記送水流量検出器、前記送水ポンプ回転数検出器、お
   よび前記送水ポンプ運転台数検出器のそれぞれから得ら
   れる各プロセス１より、送水圧力の変化量と前記送水ポ
   ンプの回転数の変化量との比として定義される制御対象
   の動的９′η性値Ｋを算出し、制御応答時間が一定とな
   るよつ＆Ｃ前記動的特性値Ｋに応じて前記制御演算の内
   容を変え自動調整を行なうことを特徴とずろ送水圧力制
   御装置。 ２、可変速駆動の送水ポンプと定速駆動の送水ポンプと
   を併用して水源の水を送水管を通じて送水する送水系の
   送水圧力制御装置であって、実際の送水圧力と予め設定
   した送水圧力目標値との偏差に制御演算を施し、この演
   算結果を基にして前記可変速駆動の送水ポンプの回転数
   を制御することによって送水圧力を制御する送水圧力制
   御装置において、 前記水源に設けられた水位検出器と、前記送水管に設け
   られた送水圧力検出器と、前記可変速駆動の送水ポンプ
   に設けられた送水ポンプ回転数検出器と、送水ポンプ運
   転台数検出器とを有し、 前記水位検出器、前記送水圧力検出器、前記送水ポンプ
   回転数検出器、および前記送水ボンプ運転台数検出器か
   ら得られる各プロセス量より、送水圧力の変化量と前記
   可変速駆動の送水ポンプの回転数の変化量との比として
   定義される制御対象の動的特性値Ｋを算出し、制御応答
   時間が一定となるよ５１Ｃ前記動的特性値Ｋに応じて前
   記制御演算の内容を変え自動調整を行なうことを特徴と
   する送水圧力制御装置。 、３．定速駆動の送水ポンプの客員が、可変速駆動の送
   水ポンプの容量より大きい特許請求の範囲第２項記載の
   送水圧力制御装置。 ４、定速駆動の送水ポンプが可変速駆動の送水ポンプと
   同容量である特許請求の範囲第２項記載の送水圧力制御
   装置。 ５、制御演勢がＰ工制御演算である特許請求の範囲第１
   項乃至第４項のいずれかに記載の送水圧力制御装置。 ６、制御演譜がＰＩＤ制御演算である特許請求の範囲第
   １項乃至第４項のいずれかに記載の送水圧力制御装置。 ７、制御演算が、制御パラメータに、　、　’ｒ工およ
   びラプラス演算子ｅを用いＫｐ（１＋青）と表わ■ されるＰＩ制御演算であって、 動的特性値にと、予め設定された制御応答時間Ｔｒ　’
   ＋制御指針パラメータα、βとを用いて、制御パラメー
   タＫｐおよびＴＩを次式に従って可変とし自動調整を行
   なうようにした特許請求の範囲第４項記載の送水圧力制
   御装置。