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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-05-30
(45)【発行日】2024-06-07
(54)【発明の名称】遠心ポンプの回転速度を制御する方法
(51)【国際特許分類】
F04D 15/00 20060101AFI20240531BHJP
【ＦＩ】
F04D15/00 A
F04D15/00 Z
【請求項の数】
6
(21)【出願番号】P 2019548618
(86)(22)【出願日】2018-03-07
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2020-04-02
(86)【国際出願番号】 EP2018055602
(87)【国際公開番号】W WO2018162555
(87)【国際公開日】2018-09-13
【審査請求日】2021-02-26
(31)【優先権主張番号】102017203990.6
(32)【優先日】2017-03-10
(33)【優先権主張国・地域又は機関】DE
(73)【特許権者】
【識別番号】591040649
【氏名又は名称】カーエスベー ソシエタス ヨーロピア ウント コンパニー コマンディート ゲゼルシャフト アウフ アクチェン
【氏名又は名称原語表記】ＫＳＢ ＳＥ ＆ Ｃｏ． ＫＧａＡ
(74)【代理人】
【識別番号】100099623
【弁理士】
【氏名又は名称】奥山 尚一
(74)【代理人】
【氏名又は名称】松島 鉄男
(74)【代理人】
【識別番号】100125380
【弁理士】
【氏名又は名称】中村 綾子
(74)【代理人】
【識別番号】100142996
【弁理士】
【氏名又は名称】森本 聡二
(74)【代理人】
【識別番号】100166268
【弁理士】
【氏名又は名称】田中 祐
(74)【代理人】
【識別番号】100170379
【弁理士】
【氏名又は名称】徳本 浩一
(74)【代理人】
【識別番号】100180231
【弁理士】
【氏名又は名称】水島 亜希子
(74)【代理人】
【氏名又は名称】有原 幸一
(72)【発明者】
【氏名】エクル，マルティン
(72)【発明者】
【氏名】シュレラー，ヨアヒム
【審査官】中村 大輔
(56)【参考文献】
【文献】米国特許第０６０３３１８７（ＵＳ，Ａ）
【文献】欧州特許出願公開第０２９４４８２１（ＥＰ，Ａ１）
【文献】特開昭５３－０７５５０１（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｆ０４Ｄ １５／００－１５／０２
(57)【特許請求の範囲】
【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、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。
【請求項2】
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１に記載の方法。
【請求項3】
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１または２に記載の方法。
【請求項4】
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、すなわちゼロの値が割り当てられることを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項5】
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、または定期的に周期的な間隔で、またはランダムな間隔で、あるいはそれらのうちの２つ以上で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】
請求項１から５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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
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。
【背景技術】
【0002】
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。
【0003】
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。
【0004】
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。
【0005】
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。
【発明の概要】
【0006】
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。
【0007】
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。
【0008】
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。
【0009】
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。
【0010】
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。
【0011】
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。
【0012】
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。
【0013】
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。
【0014】
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。
【0015】
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。
【数1】
【0016】
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。
【0017】
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。
【0018】
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。
【0019】
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。
【図面の簡単な説明】
【0020】
【図1】閉水力学的回路の回転速度／揚程の特性曲線を示す。
【図2】開水力学的回路の回転速度／揚程の特性曲線を示す。
【図3】従来の制御技術と比較した本発明の制御形式の制御品質を示すための時間／揚程の図を示す。
【発明を実施するための形態】
【0021】
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。
【0022】
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。
Ｈ～ｎ２ （式１）
で記述することができる。
【0023】
【0024】
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。
【数3】
【0025】
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。
【0026】
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。
【0027】
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。
【0028】
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）
Ｈ～ｎ２－ｋ （式４）
【0029】
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。
【0030】
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。
【数4】
【0031】
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。
【数5】
【0032】
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。
【数6】
【0033】
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。
【0034】
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。
【0035】
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。
請求項９：
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。
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。
【数7】
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。
【図1】
【図2】
【図3】
