PID-fouten:herstarten

PID heeft de procesbesturingsindustrie meer dan tien jaar gediend en heeft zichzelf gestold als de primaire techniek voor feedbackcontrole systemen. In de loop der jaren heeft de techniek een aantal upgrades en verbeteringen ondergaan, die plaats hebben gemaakt voor pneumatische, elektronische en computergebaseerde apparaten, waardoor een strakkere controle over de processen is gegarandeerd.

Een van de eerste doorbraken in PID-systemen was de integrale actie, ook wel automatiseringsreset genoemd, die de prestaties van regelaars met proportionele actie aanzienlijk verbeterde. Een “P-only” regelaar past een corrigerende inspanning toe die evenredig is aan het verschil tussen de gemeten waarde en het setpoint, wat kan worden samengevat als:

• Als het verschil of de fout groter wordt, reageert de P-only-controller met een positieve controle-inspanning om het verschil te verkleinen.
• Als het verschil kleiner wordt, injecteert de controller een negatieve controle-inspanning.

De hele implementatie is gemakkelijk te begrijpen en te onderhouden, maar heeft het nadeel van een lange levensduur, wat betekent dat naarmate de fout kleiner wordt, ook de controle-inspanning afneemt. Dit vertraagt ​​de snelheid waarmee de fout wordt verminderd, waardoor de totale tijd die nodig is om de fout te stoppen, toeneemt. Maar de fout houdt ook nooit op te bestaan, waarbij de P-controller het proces met een kleine afwijking verlaat.

Deze stationaire fout wordt gecorrigeerd door integrale actie die parallel aan de P-controller werkt, zodat de regelinspanning blijft bestaan ​​zolang de fout een waarde heeft die niet nul is. Dit maakt de PI-controller goed. Hoewel deze controller een consistente inspanning levert om de fout te elimineren, geeft het aanleiding tot andere problemen. Het belangrijkste probleem dat zich voordoet is closed-loop instabiliteit, waarbij de integrale actie ervoor zorgt dat de procesvariabele het gewenste setpoint overschrijdt. Dit probleem wordt buitengewoon schadelijk als het controleproces zeer gevoelig is, waardoor de overshoot een nog grotere fout in de tegenovergestelde richting veroorzaakt. Dit start nog een ander proces voor het elimineren van fouten.

Om dit recht te zetten, gebruiken ingenieurs analytische technieken om integrale en proportionele winsten te bepalen die perfect bij het proces passen.

De reset-opwindfout

Als een grote regelinspanning wordt gebruikt om een ​​fout van significante omvang te verminderen voor een proces waarvan de actuator te klein is, is het resultaat resetwindup. De actuator raakt verzadigd bij een specifieke waarde die overeenkomt met zijn maximale output, en kan het proces niet verder beïnvloeden. De operator kan proberen het probleem te verminderen door de waarde van het instelpunt te verlagen, zodat het binnen het bereik valt dat de actuator kan bereiken, maar dit zal niet werken. Waarom? Omdat tegen die tijd de geïntegreerde fout een enorme waarde zou hebben bereikt, en de controller voortdurend zou proberen de actuator een respons te laten genereren die hoger is dan de bovengrens.

Als het setpoint echter laag genoeg wordt verlaagd, zal de geïntegreerde fout beginnen af ​​te nemen. Dit zou moeten worden gecombineerd met een reeks negatieve fouten om het effect van positieve fouten teniet te doen die zijn verzameld gedurende de tijd dat de actuator in de verzadigde toestand was.

Een andere manier om van deze fout af te komen, is door een actuator te installeren die groot genoeg is om een ​​verandering teweeg te brengen die nodig is voor het proces zonder verzadiging.

De pre-loading fix

Reset-opwinding kan ook plaatsvinden als de actuator uit staat terwijl de controller aan staat. Bijvoorbeeld, in het geval van een cascaderegelaar, als de binnenste lus zich in de handmatige modus bevindt, heeft dit geen effect op de buitenste lusregelaar. Als de controller van de buitenste lus blijft werken, zou zijn integrale actie "ophouden".

Een eenvoudige oplossing voor dit probleem is dat wanneer de actuator niet draait, de integrator van de controller moet worden uitgeschakeld. Een andere oplossing is om het setpoint tussen batches aan te passen aan de waarde van de procesvariabele. Maar er zijn betere methoden om de reset-windup te herstellen.

In een pre-loadingscenario is de integratoruitgang van de controller vast, zodat het proces de volgende batch start met de fout die het van de vorige batch heeft gekregen. Met voorladen kan de reset direct vanaf de vorige batch worden voortgezet, waardoor de tijd die nodig is om tot een constante toestand te komen, wordt verkort.

Dit werkt het beste als de batches identiek zijn, zodat de regelaar elke keer hetzelfde setpoint moet halen. Als de batches niet identiek zijn, moet een wiskundig model worden gebruikt om de integrale actie te voorspellen die nodig is voor de volgende ronde. Deze aanpak werkt voor een continu proces als het wordt gemodelleerd voordat het proces wordt opgestart.

De Bumpless Transfer Fix

Het vooraf laden kan echter tot enkele haperingen leiden. Een mogelijk probleem is de abrupte aanpassing aan de output van de actuator zodra elke ronde begint, wat de actuator kan beschadigen. Evenzo, wanneer de controller wordt overgeschakeld van automatische naar handmatige modus en vice versa, kan elke poging van de operator om de besturingsinspanning te wijzigen, ook de actuator beschadigen.

Bumpless Transfer maakt gebruik van kunstmatige pre-loading om deze problemen op te lossen. De integrator is geladen met de waarde die nodig is om operators opnieuw te starten, waardoor de noodzaak om de besturingsinspanning te wijzigen, wordt geëlimineerd. De controller zou nog steeds rekening moeten houden met veranderingen in de procesvariabele of het setpoint, maar er zou minder hobbel zijn bij het overschakelen naar de automatische modus.

Deadtime complicaties

Deadtime is de tijd die de procesvariabele nodig heeft om zich aan te passen na een wijziging in de regelinspanning. Dit gebeurt wanneer de variabele sensor te stroomafwaarts van de actuator is. Hoe hard de controller ook probeert, hij kan de fout niet verhelpen totdat de fysieke parameters van de sensoren veranderen.

Terwijl de controller probeert de fouten te corrigeren, stoppen zowel de fout als de procesvariabele met bewegen, wat resulteert in een opgerolde integrale actie alsof de actuator is uitgeschakeld. Een oplossing hiervoor is het verlagen van de integrale versterking, waardoor de maximale integrale actie als gevolg van het opwinden wordt verlaagd en de dode tijd wordt geëlimineerd.

Het probleem kan ook worden opgelost door de integrale actie een dode tijd te geven, waardoor de opwindbuffer de tijd krijgt om te ontspannen. Een manier om deze techniek te verbeteren is door intermitterende intervallen toe te voegen aan de integrale actie. Door de proportionele actie enige tijd te laten werken en vervolgens de integrale actie in te schakelen, kan de tijd die nodig is om de fout nul te laten zijn, verkorten.

Dit is slechts één voorbeeld van PID-gebruik. PID-algoritmen zijn sterk aangepast om rekening te houden met snelheidsbeperkte actuatoren, procesvariabele meetruis, in de tijd variërende procesmodellen, enzovoort.

Geïnteresseerd in meer informatie? Praat met een van onze professionals op PanelShop.com .