Регулятор давления жидкости Советский патент 1990 года по МПК G05D16/20 

Изобретение относится к системам регулирования давления жидкостей и может применяться при автоматическом регулировании режима работы насосных станций в системе сборно-разборных магистральных трубопроводов, работающих по схеме из насоса в насос.

Цель изобретения - повышение динамической точности и устойчивости регулирования давления на выходе насосной станции с одновременным повышением производительности трубопровода путем сооздания возможности увеличения рабочего давления насосной станции.

На фиг. 1 представлена функциональная схема регулятора давления жидкости; на фиг. 2 - графики переходного процесса регулирования на выходе насосной станции; на фиг. 3 - техническая реализация сумматора и порогового устройства, позволяющие с помощью электрической модели насос-. ной станции корректировать управляющие сигналы на изменение частоты вращения вала двигателя насосной станции с целью изменения давления на выходе насосной станции; на фиг. 4 - диаграмма работы элементов регулятора давления жидкости.

СП

со

05

со ел со

Регулятор давления жидкости содержит датчики 1 и 2, задатчики 3,и 4 давления Жидкости на входе и выходе насосной, станции, блок 5 управления, состоящий из дифференциальных усилителей 6-9, логический блок выбора 10 сигналов, состоящий из логического элемента ИЛИ 11 и логического элемента И 12, усилитель 13 мощности, исполнительный механизм 14, тахогенератор 15, два усилителя 16 и 17 с. однопо- лярными выходами, сумматор 18, первый пороговый блок 195 логический элемент И 20, задатчик 21 скорости вра- щения электродвигателя исполнительного механизма, второй пороговый блок 22, логический элемент И 23, электрическую модель насосной станцич 24, состоящую из блока вычисления скоро- стн и ускорения изменения сигнала управления (на фиг. 1 без позиции).

Блок вычисления скорости изменения сигнала управления включает входной сумматор 25, электронный ключ 2, интегратор 27 и выходной сумматор 28. На входе элементов блока вычисления скорости изменения сигнала управления установлены корректирующие звенья 29- 32 и перед корректирующим звеном 30- инвертор 33,

Блок вычисления ускорения изменения сигнала управления включает входной сумматор 34, электронный ключ 35Р интегратор 36, выходной сумме тор 37. На входе элементов бготса вычисления ускорения сигнала управления установлены корректирующие звенья 38-40 и инвертор 41. Регулятор такой конструкции управляет насосной станцией 42, установленной в линии трубопровода 43

о

Q

5

На фиг. 2 графики а показывает процесс регулирования давления на выходе насосной станции без электрической модели насосной станции в контуре регулятора давления жидкости, график : б - при наличии электрической модели насосной станции в контуре регулятора давления жидкости.

На фиг. 3 показаны сумматоры 44, 45, пороговый элемент 46.

В структуру предлагаемого регулятора давления жидкости для значитель-f ного улучшения, дачества процесса ре- гулирования, введена эле ктрическая I модель насосной станции 24. С помощью этой «одели производится корректировка регулирования,режима работы насосной станции оцененными значениями давления на выходе НС, что в значительной степени снижает влияние на процесс регулирования погрешностей датчиков давления, помех и инерционности агрегатов насосной станции, т.е. модель насосной станции в контуре регулятора- давления жидкости вносит корректирующую поправку в управляющие сигналь , поступающие на электродвигатель исполнительного механизма.

В результате совместного решения уравнения математической модели насосной станции и уравнения оптимальной фильтрации для непрерывных процессов получены выражения для оценок (mr(t)/ и m7(t) скорости и ускорения) - параметра управления (давле- , ние на выходе насосной станции), име-- ющие следующий вид

Изобретение относится к средствам автоматического регулирования давления жидкости и может использоваться в автоматизированных системах управления процессами перекачки жидкости по магистральным трубопроводам с помощью насосных станций /НС/ и заправки техники горючим. Целью изобретения является повышение динамической точности и устойчивости регулирования давления на выходе НС с одновременным повышением его производительности путем создания возможности увеличения рабочего давления на НС. Эта цель достигается тем, что в состав существующего регулятора давления жидкости вводится электрическая модель НС. Модель насосной станции осуществляет корректировку управляющих сигналов на изменение частоты вращения вала двигателя с целью изменения давления на выходе НС, что позволяет уменьшить разницу между уставкой регулирования и уставкой защиты по давлению на выходе НС. За счет этого увеличивается рабочее давление НС и повышается производительность магистрального трубопровода в среднем на 8-10%. 4 ил. 1 табл.

dm,(t) acdt + a „ га, (t)dt + (а п - К„ A,)m 4(t)dt +K11d4(t) dm1(t) a,m1(t)rtt K A,,m1(t)dt +K1ld4 (t)

50

де т ,(t),

ma(t) - величины,, характеризующие скорость отэаботки управляющего воздействия на электродвигатель 14 исполнителънэго механизма насосной станции 42 с целью приведения давления на выходе НС в заданные пределы, lp(t) - напряжение, поступающее, на входы сумматоров 28s

(О (2)

0

А.

37 от датчика 2 давления на выходе насосной станции с учетом заданного масштабного коэффициента преобразования (масштабный преобразователь на фиг.1 не показан) .

масштабный коэффициент преобразования оценки m a(t) (ускорения) давления на выходе насосной

5J

станции при ее суммировании с величиной К12(2) с помощью сумматора 28 (масштабный преобразователь на фиг. 1 учтен в корректирующих звеньях 30 и 39);

30 а 11 8-1J 3

К1г - коэффициенты, численные значения которых определяются с учетом следующих показателей;

- дисперсии и модуля передаточ- ой функции датчика давления I

В соответствии с этими значениями После преобразования уравнения (1) коэффициентов осуществляют настройку , и (2) принимают следующий вид: постоянной времени интеграторов 27 и 36.

m,(t) - JOo +a1,m{t) + (a h -Kt1 A ) dt +Kf,(t) t(t) - .) dt +Klzif,(t)

m

Уравнениям (З) и (4) соответствует приведенная на фит. 1 блок-схема электрической модели насосной станции 24.

В соответствии с уравнением (3) для получения корректирующего сигнала в виде m,(t) скорости изменения сигнала управления необходимо изменяемое напряжение с выхода датчика 2 подать через корректирующее звено К1 32 на соответствующий вход сумматора 28. На сумматоре 28 это напряжение суммируется с проинтегрированными сигналами с выхода сумматора 25. На сумматор 25 поступают сигналы с выхода сумматора 37 через инвертор 33 и корректирующее звено 30 и сигнал обратной связи с выхода сумматора 38 через корректирующее звено 31. Включение в работу блока вычисления скорости изменения корректирующего сигнала управления осуществляется с помощью сдвоенного электронного ключа 26. Этот ключ открыт при наличии на его входе напряжения, равного по величине логической единице, поступающего с выхода дифференциального усилителя 8, а закрыт ключ при сигнале, равном По величине логическому нулю с выхода того же дифференциального

36359

-величины пульсации давления на выходе насосной станции, зависящей от скорости вращения вала и подачи насоса;

-величины изменения давления на выходе насосной станции в зависимости от неравномерности вращения во времени коленчатого вала приводного двиЮ гателя}

-модуля передаточной функции насосной станции.

Численные значения этих коэффициентов (см.таблицу) определены в процессе 15 исследования с учетом величин указанных показателей.

(3) (4)

усилителя 8. Ключ 26 устроен так, что при его закрытии на выходе интегратора 27 получается нулевой сигнал. Это легко достигается путем замыкания входа интегратора 27 на шину земля с

помощью ключа 26. Благодаря этому интегратор никогда не входит в режим насыщения и работает только в необходимые моменты, т.е. в момент регулирования давления. В установившемся режиме работы насосной станции 42 он будет отключен. Аналогично вырабатывается корректирующий, сигнал в виде ускорения сигнала управления. Только в этом случае по команде от дифференциального усилителя 8 аерез сдвоенный, ключ 35 подключается интегратор 36., который интегрирует обобщенный сигнал с выхода сумматора 34. На сумматор 34 поступает сигнал tn(t) чеРез корректирующее звено а21 38 и через инвертор 41 и корректирующее звено К,г At 39 сигнал с выхода сумматора 37. На вход сумматора 37 по- ступает напряжение с выхода датчика

2 через интегрирующее звено КП40.

При соответствующей обработке измеряемого давления на выходе насосной станции в соответствии с зависимостью (3) и (4), электрической мо10

елью вырабатываются корректирующие сигналы m,(t) и m7(t)

Аналоговые сигналы m,(t) и шг(О с ыхода интегратора 27 и 36 через выодные сумматоры 28 и 37 поступают на третий и четвертый ЕЖОДЫ сумматора 18, где происходит суммирование этих сигналов с аналоговыми сигналами с выходом однополярных ус1 лителей 16 и 17. За счет суммирования аналоге вых сигналов m1(t)s m7(t) с аналоге- выми сигналами с выходов усилителей с однополярными выходами 16 и 17 суммарный выходной сигнал с сумматора, j j который поступает на второй в код первого порогового блока 19, больше потенциала с выхода тахогенератора 15. Чтобы на выходе порогового блока 19 напряжение стало равно логическому нулю, электродвигатель исполнительного механизма 14 и соединенней с ним тахогенератор 15 должны раскрутиться до большей скорости, чем если бы на первый и второй вяоды порогового блока 19 поступали только сигналы с выходов усилителей с однополярными выходами 16 и 17. Это приводит к тому, что на выходе насосной станции давление снижается быстрее и не допускается его повышение выше0507 МПа (см.фиг„2). В этом заключается сущность коррекции работы регулятора с помощью сигналов тп ,,(:) и ).

При отсутствии сигналов п (1) и

20

25

30

35

ma(t) напряжение вы оца тахогенератора 35 сравнивается только с иыход™ ными сигналами блоков 16 и 17, поступающими через сумматор 18 на вход порогового блока 19,

Когда напряжение с выхода тахогенератора 15 превысит суммарное напряжение сигналов с выхода блоков 1 6 и 17, пороговое устройство 19 сработает и на его выходе будет сигнал, равный по величине логическому нулю. За счет этого прохождение сигнала от логического элемента ИЛИ через логический элемент И 23 прекратится. Исполнительный механизм 14 обесточен.

При наличии дополнительных сигналов m,(t) и m(t) с выхода блоков 28 и 38 суммарное напряжение уже четырех сигналов: двух с выхода блоков 16 и двух сигналов m,(t) и m(t) с выхода интеграторов 28 и 38, намного выше сигнала с выхода тзхогенератора 15 (при той же частоте его вращения совместно с электродвигателем исполни

j

0

5

0

5

0

5

5

тельного механизма), что приводит к более позднему срабатыванию порогового блока 19 за счет раскручивания тахогенератора 15 до большей частоты вращения. В связи с чем сигнал с выхода порогового блока 19 (логическая единица) дает более длительное разрешение на прохождение через логический элемент И 23 регулирующего воздействия через блок 13 на исполнительный механизм 14, который отрабатывает регулирующее воздействие на насосную станцию таким образом, чтобы изменение давления на выходе насосной станции осуществлялось, как это указано на фиг . 2.

Аналоговые сигналы mt(t) и m (t) вырабатываются с учетом величин дисперсии и модуля передаточной функции насосной станции (эти величины, как указано выше, учитываются при расчетах коэффициентов а0, а„, , К, К п, определяющих настройку постоянной времени интегрирования интеграторов 27 и 36), корректируют основной сигнал, соответствующий величине рассогласования между заданным давлением и давлением на выходе насосной станции, что способствует выработке такого управляющего воздействия регулятором на исполнительный механизм, при котором динамическое отклонение давления на выходе насосной станции значительно уменьшается и повышается устойчивость регулирования.

Регулятор давления жидкости работает следующим образом.

Сигнал с датчиков 1 и 2 давления на входе и выходе насосной станции и с соответствующих задатчиков 3 и 4 поступает на вход блока управления, а с задатчика 2 давления - дополнительно на вход электрической модели 24.

Блол 5 управления по каждому регулируемому параметру - давлению на входе и давлению на выходе насосной станции - формирует дискретные сигналы, соответствующие равенству дав-1 лений на входе и выходе ндсосной станции заданным значениям, устанавливаемым эадатчиками 3 и 4, а также выше и ниже заданных. Эти сигналы поступают на вход логического блока JO выбора сигналов, которое обеспечивает преимущественное прохождение через него тех сигналов, которые требуют снижения частоты вращения вала

двигателя насосной станции 42, а следовательно, и уменьшения давления на выходе насоса.

Напряжение рассогласования, соответствующее понижению давления на входе насосной станции, от датчика 1 и задатчика 3 поступает на вход усилителя 16 с однополярным выходом, а напряжение рассогласования, соответствующее повышению давления на вьг- ходе насосной станции - на вход усилителя 17с однопо лярным выходом.

Когда давление на входе и выходе насосной станции 42 равно заданным значениям и электродвигатель 14 исполнительного механизма обесточен, напряжение на выходе тахогенератора 15 равно нулю. При этом на выходе порогового блока 19 напряжение равно логической единице. За счет этого обеспечивается первоначальное прохождение сигнала - с выхода логического элемента ИЛИ 11 блока выбора сигналов 10 через логический элемент И 23, усилитель мощности 13 к электродвигателю исполнительного механизма 14.

При снижении давления жидкости на входе насосной станции на выходе блока 5 управления появляется напряжение рассогласования, пропорциональное разности напряжений задатчика 3 и датчика 1.

Это напряжение через усилитель 36 с однополярным выходом подается че.- рез сумматор 18 на вход порогового блока 19. Однако из-за отсутствия напряжения на втором входе порогового блока 19, подключенном -к тахогене- ратору 15, его срабатывания не происходит и на выходе напряжение по- прежнему равно логической единице. Тахогенератор 15 начинает работать одновременно с включением электродвигателя исполнительного механизма 14 за счет сигнала на уменьшение оборотов двигателя насосной станции от устройства выбора сигналов. Этот сигнал от логического элемента ИЛИ 11 поступает на вход логического элемента И 30, а от него через усилитель 13 мощности - к электродвигателю исолнительного механизма 14 и включа- т его. Напряжение тахогенератора .15 оответствует скорости вращения элетродвигателя исполнительного мехаизма J4. Как только напряжение таогенератора 15 сравняется, с напряением на входе порогового блока Л9,

0

5

0

на входе элемента И 23 напряжение равно логическому нулю. Это воспрепятствует прохождению сигнала через логический элемент И 23, так как на одном его входе напряжение равно логическому нулю, электродвигатель исполнительного механизма 14 остановится, напряжение тахогенератора 15 равно нулю. Если к этому моменту давление на входе насосной станции не восстановилось, то произойдет повторное включение исполнительного механизма. Такое поочередное включение и выключение электродвигателя исполнительного механиз ма происходит до тех пор, пока давление на входе насосной станции 42 не сравняется с заданным. Длительность интервалов между включением электродвигателя исполнительного механизма 14 регулируется величиной напряжения рассогласования, пропорционального разности давления по задатчику 3 и давления жид5 кости на входе насосной станции 42 и коэффициентом усиления усилителя 16 с однополярным выходом.

Таким образом, снижение оборотов двигателя насосной станции при умень0 шении давления жидкости на входе насосной станции происходит с учетом величины отклонения этого давления от заданного значения по задатчику. При повышении давления жидкости на выходе насосной станции 42 на выходе блока 5 управления появляется напряжение рассогласования, пропорциональное разности давления по задатчику 4, и напряжение, снимаемое с датчика 2 давления на выходе насосной станции 42, которое поступает на вход усилителя 17 с однополярным выходом и сигнал- давление выше заданного, который через логический

5 блок 10 выбора сигналов поступает на первый вход логического элемента И 23. Так как на втором его входе напряжение , снимаемое с выхода порогового блока 19, равно логической единице, то он проходит через усилитель мощности 13 к исполнительному механизму 14. Одновременно с датчика 2 давления на выходе насосной станции 24, которая включается в работу ключами 26 и 35 по сигналам, соответствующим по величине логическим единицам, с выхода дифференциального усилителя 8 в электрической модели вырабатываются корректирующие сигналы

5

0

0

5

управления т., (t) и m.j(t), С выхода электрической модели 24 корректирующие сигналы пц(1) и mgCt) через сумматор 18 поступают на вход порогового блока JQ.

Управляющий сигнал с выхода усилителя мощности 13 -включает электродвигатель 14 исполнительного механизма, который изменяет чгстот у вращения двигателя насосной станции 42 з направлении уменьшения давления на ее выходе„ Одновременно с началом вращения электродвигателя 14 начинает врщаться такогенератор 15 и9 как толь- ко его напряжение станет равно напря жению на вход порогового блока 19, прохождение сигнала к усилителю мощ- 1ности 13 через логический элемент И 23 прекратится и электродвига- ( тель 34 с исполнительного махан1лзна остановится, Если к этому моменту давление на выходе насосной, станции не во с станов иг сяэ то процесс тювюрится

Длительность интервалов между вклю чениями исполнительного механизма регулируется -величиной напряжения рассогласования, пропорционального разности давленчя по задатчику 4 к давления жидкости на выходе насос- ной станции, козффициеьтом усилителя 17, а также параметрами интегрирования, зависящими от дисперсии и с дуля передаточной функции насоской станции, передаточной функции датчи- ка, которые учтеШл г корректирующих сигналах m,(t) и , , поступающих после суммирования с сигналами с выходов усилителей 16 и Л с однополлр ными выходами в сумматоре I8 на входы порогового блока 39. прохождение сигналов на увеличение оборотов насосной станции управляется тем же тахогенератором 15 и пороговьм блоком 22 с устанавливаемом порогом срабатывания, на одт;н вход кстирого подается напряжение от задат шса 21 скорости вращения электродвигателя 14 исполнительного механизма, а на другой - напряжение от тахогенератора 15.

При отсутствии напряжения на тахо генераторе 15 напряжение на выходе порогового блока 22 разно логической единице.

Когда давление на выходе часосной станции ниже заданного, а на входе

насосной станции выше заданного, то на выходе блока 10 выбора сигналов

а., 20 .

зи }.-

to

-Ю

f.O

одается с 1гкал, который через логический элемент К 20 и усилитель мощности 13 проходит к электродвигателю 14 исполнительного механизма. Как только от этого сигнала произойдет включение электродвигателя 14 исполнительного механизма и напряжение на выходе тахогенератора 15 станет равно напряжению задатчика 21, пороговый блок 22 работает и на его выходе напряжение станет равно нулю, что воспрепятствует прохождению сигнала на увеличение оборотов двигателя через логический элемент И 20. Если давление на входе или выходе насосной станции не стало равно заданному , то произойдет повторное включение исполнительного механизма.

Длительность интервалов между включениями исполнительного механизма определяется напряжением задатчика 21 и выбирается так, чтобы обеспечить плавный выход насосной станции на заданный режим работы при пуске насосных станций в работу и исключить резкое повышение давления на выходе насосной станции и трубопроводе при резких повышениях давления на входе насосной станции.

Из приведенных графиков at и 6 , показанных на фиг. 2 видно, что ди намическое отклонение давления на выходе насосной станции при наличии модели насосной станции в контуре регулятора давления уменьшается в 557 раза, а устойчивость регулирования улучшается в среднем в б раз.

За счет повышения динамической точности и устойчивости регулятора давления на выходе насосной станции создается возможность увеличить рабочее давление насосных станций и тем самым повысить производительность трубопровода.

Формула изобретения

Регулятор давления жидкости, содержащий задатчики и датчики давления на входе и выходе насосной станции, первый и второй элементы И, выходы которых связаны с соответствующими входами усилителя мощности, подключенного выходом к входу электродвигателя исполнительного механизма, блок управления, подключенный входами к выходам соответствующих задат- чиков ч датчиков павления на входе

1315

и выходе насосной станции, выходы которых подключены также к входам соответствующих усилителей, логический блок выбора сигналов, входы которого соединены с соответствующими выходами блока управления, а выходы - с первым входами соответственно первого и второго элементов И, установлен

ный на валу электродвигателя исполни-t-|g тирующее звено к второму входу выход- тельного механизма тахогенератор, обмотка которого подключена к первым входам первого и второго пороговых блоков, выходы которых связаны с вто-. рым входом соответственно первого и )5 второго элементов И., задатчик скорости вращения электродвигателя исполниного сумматора блока вычисления ускорения изменения сигнала управления, а через второе корректирующее звено - к второму входу выходного сумматора блока вычисления скорости -изменения сигнала управления, выход выходного сумматора блока вычисления ускорения изменения сигнала управления через последовательно соединенные первый инвертор и третье корректирующее звено связан с первым входом входного сумматора блока вычисления ускорения сигнала управления, а через последовательно соединенные второй инвертор

тельного механизма, подключенный, выходом к второму входу второго порогового блока, отличающийся. тем, что, с целью повышения динамической точности и устойчивости регулирования давления на выходе насосной станции с одновременным повышением

производительности трубопровода путем 25 и четвертое корректирующее звено - с

создания возможности увеличения рабочего давления насосной станции, регулятор содержит сумматор и модель насосной станции, включающую корректирующие звенья, инверторы и блоки вычисления скорости и ускорения изменения сигналов управления, каждый из которых состоит из последовательно соединенных входного сумматора, ключа,

интегратора и выходного сумматора, с вторым входом входного сумматора ходы выходных сумматоров подключены f блока вычисления скорости изменения соответственно к первому и второму вхо- сигнала управления, дам сумматора, третий и четвертый

14

входы которого подключены к выходам соответствующих усилителей, а выход сумматора связан с вторым входом первого порогового блока, управляющие входы ключей соединены с соответствующими выходами блока управления, выход датчика давления на выходе насосной станции подключен через первое корректирующее звено к второму входу выход-

ного сумматора блока вычисления ускорения изменения сигнала управления, а через второе корректирующее звено - к второму входу выходного сумматора блока вычисления скорости -изменения сигнала управления, выход выходного сумматора блока вычисления ускорения изменения сигнала управления через последовательно соединенные первый инвертор и третье корректирующее звено связан с первым входом входного сумматора блока вычисления ускорения сигнала управления, а через последовательно соединенные второй инвертор

первым входом входного сумматора блока вычисления скорости изменения сигнала управления, выход блока вычисления скорости изменения сигнала управ- ления соединен через пятое корректирующее звено с вторым входом входного сумматора блока вычисления ускорения изменения сигнала управления, а через шестое корректирующее звено 6$e9ЈSl

Фиг iОтрока if

J

r%

ых

Условное изображение порогового блока 19

(От $/юк@ 15) - напряжение с Выхода ти)шем9ротора 15

Увых Процессы 8пороговом f/юке 19

и.

11

№

Фт.Ч

Редактор М. Недолуженко

Составитель Л. Цаллагова

ТехредМ.Ходанич Корректоре. Черни

Заказ 108

Тираж 640

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„, д. 4/5

ых

V(tm} напряжение с Выхода НАОКО S7

УМ Напряжение с выхода олока W

% - напряжение сбых&де тока IS

% - напряжение с выхода $лока 17

Vc-V(mn)+V(mi)+V16+Vn

Подписное