一种基于精密计量泵的动态脉冲定量控制的方法.pdf

本发明公开了一种基于精密计量泵的动态脉冲定量控制的方法，包括以下步骤：根据计量泵最高冲次确定出脉冲控制周期与是控制周期若干倍的采样周期，动态计算出在每个采样周期内的脉冲数，当这一脉冲数大于1时，表示控制器在当前控制周期应发出一个脉冲，使计量泵动作一次，并将脉冲数减1；然后在下一个控制周期中继续如此操作，直至脉冲数小于1，得到一个小于1的脉冲余数；然后在下一个采样周期的计算中，将上一个采样周期的脉冲余数累加到本周期的脉冲数中；本发明的优点在于：可精准实现药液流量的动态跟踪控制，既具有脉冲控制简单

1.  一种基于精密计量泵的动态脉冲定量控制的方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)根据计量泵最高冲次确定出脉冲控制周期与是脉冲控制周期若干倍的采样周期；
(2)动态计算出在每个采样周期内的脉冲数，当这一脉冲数大于1时，表示控制器在当前控制周期应发出一个脉冲，使计量泵动作一次，并将脉冲数减1；
(3)然后在下一个控制周期中继续如此操作，直至脉冲数小于1，得到一个小于1的脉冲余数；
(4)然后在下一个采样周期的计算中，将上一个采样周期的脉冲余数累加到本周期的脉冲数中。

一种基于精密计量泵的动态脉冲定量控制的方法
技术领域
本发明涉及一种基于精密计量泵的动态脉冲定量控制的方法。
技术背景
当前，在化工、水处理、煤炭等领域，常常需要根据监测对象的状况添加一定量的药液，并希望对药液的添加量给予精准的控制。针对这一需要，各种规格的精密计量泵以其固有的优势开始得以推广应用。精密计量泵主要由泵头、弹性隔膜、驱动机构三部分组成，其基本工作原理是：在泵头的出、入口装有高精度的单向止回阀，隔膜依靠驱动装置的往复运动使得泵头进液、排液。当隔膜复原时，液压腔的体积增大，泵头入口的阀球打开，出口的阀球压紧，流体被吸入；当隔膜在驱动装置的推动向前变形时，液压腔的体积变小，泵头入口的阀球压紧，出口的阀球打开，流体被排出。隔膜均是采用弹性好、不易变形、耐磨的特殊材料制成，是定量泵中的关键元件，由于弹性隔膜的位移是一定的，即隔膜的容积变化是一定的，驱动装置的每一个往复运动(即每个冲程)吸入或排出的流体的体积是一定的(即冲程流量)。因此，如果能够控制驱动装置的冲程频率，即可使它实现精确的流量控制。
精密计量泵的控制方式分为就地与外部两种控制模式，如图1所示，就地控制是在计量泵的操作界面上直接设定计量泵单位时间内的动作次数。外部控制是通过外部电控信号控制计量泵的动作次数，外部控制信号通常有脉冲、4-20mA模拟信号以及基于某种协议的总线接口信号。
在脉冲控制模式下，外部控制器每向计量泵发出一个脉冲信号，计量泵就动作一次，计量泵就吸入并排出一定容积的药液。如果要求计量泵输出一定容量的药液，除以冲程流量，即可以按照下式计算出需向计量泵发出的脉冲数：
Pm=Qq]]>
其中：Pm脉冲数，Q需添回药液量，q计量泵冲程流量。
脉冲控制方式只需要一个I/O接点信号即可以实现，硬件结构简单、制造成本低。
在模拟控制模式下，计量泵接入外部控制器输出的0～20mA或4～20mA电流信号，模拟信号电流的大小与计量泵动作的频次为线性关系。按照这一线性关系，每输出一定的电流，即对应一定的计量泵动作频次。
目前，上述方法受技术条件限制，计量泵外部输入电流与其动作频次并非理想的线性关系，实际中存在有一定的非线性误差，这将导致药液添加量的误差，况且外部控制器输出的最小电流本身就有一定的误差。尤其在低频次时，由于计量泵的0频次与最小电流不精准对应，会出现当外控电流达到0或4mA时，计量泵应停止加药，但因误差原因仍间隔一定时间添加药液；相反地，当外控制电流尚未到最小值时，计量泵本应继续添加药液，却因误差原因停止动作。另外，控制器运行过程中输出的模拟信号变化，由模拟量计算出的脉冲累计量电会存在误差，这些均会造成药液添加量的误差。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述已有技术的不足之处，提供一种基于精密计量泵的动态脉冲定量控制的方法。
本发明针对计算机控制系统中对精密计量泵的精确控制，采用脉冲控制接口，由于控制器与计量泵通过信号电缆连接，这种控制方式表现为一种远程控制。在此情形下，本发明针对实际应用的需要设计了两种脉冲计量算法，分别对应两种不同的控制模式。
一是远程手动控制方式，即在控制器的人机界面上直接设定计量泵的冲次(动作频率)，由控制器按照一定算法，输出接点脉冲，从而使计量泵按设定的频率动作，此方法也称为设定频率法。
二是远程自动跟踪控制方式，即在控制器上设定加药指标，根据控制器实时监测的工艺参数及处理量的大小，实时计算出当前采样周期内的加药量。将此加药量除以冲程流量折算为当前采样周期内控制器应输出的脉冲数，由控制器按照一定的控制方式逐个输出各个脉冲，从而实现药剂添加量的准确控制，即所谓药液跟踪控制。
本发明的优点在于：可精准实现药液流量的动态跟踪控制，既具有脉冲控制简单的特点，又可以实现理论上零误差的药液添加计量，计量准确，控制计算简单，成本低，具有较强的实用价值。
附图说明
图1是现有技术中的计量泵的开关控制与模拟控制的连接结构示意图；
图2是本发明所述一种基于精密计量泵的动态脉冲定量控制的方法的咏冲输出控制图；
图3是本发明所述一种基于精密计量泵的动态脉冲定量控制算法的脉冲控制的方法流程图。
具体实施方式
本发明所述一种基于精密计量泵的动态脉冲定量控制的方法无论是采用远程手动控制方式还是远程自动跟踪控制方式，其本质是根据计量泵最高冲次确定出脉冲控制周期与是脉冲控制周期若干倍的采样周期，动态计算出在每个采样周期内的脉冲数，当这一脉冲数大于1时，表示控制器在当前控制周期应发出一个脉冲，使计量泵动作一次，并将脉冲数减1；然后在下一个控制周期中继续如此操作，直至脉冲数小于1，得到一个小于1的脉冲余数；然后在下一个采样周期的计算中，将上一个采样周期的脉冲余数累加到本周期的脉冲数中。本发明正是通过这一方式实现了计量泵对药液的均匀、精确地添加。
远程自动跟踪控制中的一个重要参数为冲程流量，它是计量泵在咏冲作用下产生一次往复运动所排出的药液流量，这一流量可称为脉冲当量，它的大小取决于计量泵的规格型号，考虑计量泵为容积泵，单位通常取ml/p(每冲次毫升)。
控制周期与采样周期的选择：在过程控制的DCS中，对模拟参数的采样通常都是按照一个固定的采样周期进行的。为采用脉冲当量法实现对计量泵的控制时，可按式(1)设定控制周期。其中f_mp为计量泵最高冲程频率值或实际需达到最高冲程频率，单位为次/分，T_c为加药控制周期，单位为ms.这样可使得即使在最高冲程频率时，每一周期至多发出一个接点脉冲。而当设定频率或药液流量较小时，若干个控制周期才只有一个接点脉冲输出。
TC≤60fmp×1000---(1)]]>
例如，计量泵的最高冲程频率为396次/分，则由上式可求出每个冲程周期约为151.5ms。则加药控制周期可取为150ms(取整数便于软件程序实现，取尽可能大的值也使得软件程序的效率提高)。其它参数的采样周期可取为加药控制周期的倍数。
采样周期T_s取加药控制周期的整倍数，这样在一个采样周期内最多允许输出的脉冲数为p_m。如采样周期取3秒，则其包含10个控制周期，即最多输出的脉冲数p_m＝10。
1.设定频率控制算法：
脉冲数p_i的计算：
对于设定的加药频率f(次/分)，根据式(2)计算出在一个采样周期内的脉冲数p_i：
pi=Ts-f60×1000---(2)]]>
由式(1)可知，脉冲数p_i≤p_m。
将脉冲数与余数累加：
对于每个采样周期初始，将当前采样周期的脉冲数累计到脉冲余数中，见下式：
S_i＝S_i-1+p_i    (3)
其中S₀＝0；(i＝1，2，3，……)。
脉冲输出控制如图2所示。
一个采样周期在时间上划分成了p_m个控制周期。通过软件设计，在每个控制周期都对S_i的值进行判断，当S_i≥1时，使控制器产生一个接点脉冲输出，同时执行S_i＝S_i-1；在以后每个控制周期都作这样的判断处理。当S_i＜1时，则没有接点脉冲输出，S_i值保持不变。按照这种控制算法执行，就可以实现药剂流量精确地、均匀地添加。
由于设定频次为最大范围内的任意值，脉冲数p_i与余数和S_i在实际计算中会出现小数，为降低软件编程的难度与复杂性，可通过整数运算的方式实现。还以3秒采样周期、300ms控制周期举例说明。
若计量泵最高冲次为180次/分，若在控制器上手动设定加药频次123次/分。则3秒采样周期内的脉冲数为令S_i＝S_i-1+20p_i，则对输出脉冲的判断改为，当S_i≥20时，使控制器产生一个接点脉冲输出，同时执行S_i＝S_i-20；当S_i＜20时，则没有接点脉冲输出，S_i值保持不变。显而易见，整数计算方式不会产生计算误差。
2.自动跟踪控制算法即：在加药跟踪时，只要计算出所需的加药流量，再求出其对应的冲程频率，输出对应相应的模拟信号即可，自动跟踪控制算法与设定频率模式不同，自动跟踪模式下根据测定的工艺参数计算出的是一个采样周期内的加药量为q(ml/min)。对于确定的泵，若其冲程长度调整后保持不变，则其冲程流量v不变。若计量泵的冲程流量为v(ml/p)，则一采样周期内应输出的脉冲数为：
p_i＝q/v(p/min)；
余下计算过程与设定频率控制算法相同。
控制算法的编程实现方法如图3所示，这里以3秒采样周期、300ms控制周期为例。
本控制算法的实施特点是：采用一个简单的I/O口，就可以实现对加药量的精准控制；这一算法在PLC上是易于实现，如果不同采样周期分解为若干个控制周期，难以想像能在一个采样周期内输出任意多个脉冲的编程算法。
本发明不限于上述实施例，对于本领域技术人员来说，对本发明的上述实施例所做出的任何改进或变更都不会超出仅以举例的方式示出的本发明的实施例和所附权利要求的保护范围。