De drie gezichten van PID

De procesbesturingsindustrie wordt sterk gedomineerd door proportional-integral-derivative (PID)-controllers , maar zelfs deze prachtige componenten hebben hun eigen beperkingen. Het gedrag van PID loops is moeilijk te begrijpen, iets dat erger wordt wanneer zich een fout voordoet, en probleemoplossing is vereist. Desalniettemin streven technici en ingenieurs naar coherentie tussen de drie bouwstenen van de controller, namelijk proportionele, integrale en afgeleide acties.

Toen controllers voor het eerst werden geïntroduceerd, waren ze alleen proportioneel, en hoewel ze daardoor gemakkelijk te begrijpen waren, waren ze al snel niet in staat om met fouten om te gaan. Deze controllers hadden de neiging om te snel te stoppen wanneer fouten tussen de procesvariabele en het setpoint moesten worden geëlimineerd. Dit leidde tot de toevoeging aan integraal handelen binnen de voorheen “proportionele controller”.

Integrale actie

Operators ontdekten al snel dat ze de droefheid die het gevolg was van afnemende proportionele actie konden compenseren door handmatige toevoeging van voorspanning aan de regelinspanning, genoeg om de minuscule kloof tussen de procesvariabele en het instelpunt te overbruggen. Dit werd bekend als het "resetten" van de lus.

In eerste instantie kregen operators de taak om deze "reset" uit te voeren, maar al snel werd automatische reset geïntroduceerd, waardoor de vertraging die het gevolg was van handmatige interventies werd geëlimineerd. Tegenwoordig wordt deze automatische reset aangeduid als integrale actie, terwijl de versterking die de grootte van de vereiste respons bepaalt soms "resetsnelheid" wordt genoemd. Zolang de procesvariabele en het instelpunt verschillen, heeft een hoge resetsnelheid de neiging om de controller ertoe aan te zetten een agressieve controle-inspanning te genereren . Maar hier is het ding, de integrale actie blijft groeien zolang de fout blijft bestaan, in tegenstelling tot proportionele actie die de neiging heeft om te dempen naarmate de fout minimaliseert.

Dit lijkt gunstig, maar heeft in feite zijn eigen problemen. Als het proces dat wordt bestuurd bijvoorbeeld traag is, duurt het even voordat de fout is verdwenen, terwijl de controller agressieve integrale acties zal ondernemen om deze te elimineren. Als de operator de resetsnelheid te hoog instelt, zal de controller de fout overcompenseren, wat resulteert in een nog grotere fout in de negatieve richting, wat leidt tot heen en weer jagen totdat de fout volledig is geëlimineerd.

Opwinding resetten

Integrale actie is het meest geschikt voor toepassingen waarbij een proces een actuator heeft die te klein is om een ​​grote regelinspanning te produceren. Bijvoorbeeld als een klep te klein is om een ​​voldoende hoog debiet te genereren, wanneer een brander niet groot genoeg is om voldoende warmte te leveren, enz. Wanneer dergelijke situaties zich voordoen, wordt gezegd dat de actuator verzadigd is bij een begrenzingsklep.

Deze verzadiging leidt uiteindelijk tot positieve fouten tussen het setpoint en de procesvariabele. De integrale actie blijft agressiever, maar de actuator bottlenecks, en verhindert herstel van de fout. Gedurende de tijd dat de actuator op 100% blijft staan, zal de totale geïntegreerde fout een enorme waarde hebben bereikt. Hierdoor wordt de controller in een niet-reagerende toestand gedwongen en kan de operator de fout niet herstellen door het instelpuntniveau te verlagen tot een haalbaar bereik.

Er zijn verschillende oplossingen ontworpen en geïmplementeerd om de controller te beschermen tegen reset-windup, waarbij de meeste de integrator betreffen die moet worden afgesloten.

Afgeleide actie

De afgeleide actie van een PID-controller werkt als een gemengde zegen, waardoor de regelinspanning wordt verminderd in verhouding tot de veranderingssnelheid van de fout, zodat de afdaling van de procesvariabele naar het instelpunt kan worden vertraagd. Dit verkleint de kans op doorschieten en jagen . Maar als de afgeleide actie te agressief plaatsvindt, kan dit vanzelf de jacht veroorzaken. Dit effect wordt vaak waargenomen bij processen die snel reageren op de inspanningen van de verwerkingsverantwoordelijke, b.v. motoren en robotica.

De afgeleide actie kan ook een plotselinge piek toevoegen aan de controle-inspanning wanneer de fout abrupt verandert. Dit dwingt de controller tot actie, nog voordat de proportionele of integrale delen van de PID in actie kunnen komen. In vergelijking met een twee-term PI-controller, kan een volledige drie-term PID-controller anticiperen op de inspanning die nodig zou zijn om de procesvariabele stabiel te houden.

Hoewel een dergelijke voorspellende controle in sommige toepassingen gunstig is, is deze in andere niet gunstig. Een uitbarsting van hete lucht zal bijvoorbeeld niet comfortabel zijn voor de bewoners van een kamer of, op industriële schaal, de muur van de oven.

Oplossingen

Moderne PID-controllers zijn bedoeld om al deze problemen aan te pakken. Enkele veelvoorkomende kenmerken van PID-controllers van tegenwoordig zijn:

• Opwindbeveiliging resetten
• Afgeleide actiecalculator
• Ruisfiltering

Een bepaalde techniek die de nauwkeurigheid van de PID-controller enorm heeft verbeterd is loop-tuning. Dit op zich is de kunst van het selecteren van de juiste waarden voor de proportionele, integrale en afgeleide winsten, waardoor een snelle reactie op veranderingen in procesvariabelen wordt bereikt. De techniek is aangevuld met talrijke methodologieën en ondersteund door een overvloed aan softwarepakketten om maximale stabiliteit binnen het systeem te garanderen.

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