PID-regelaars: De ruggengraat van moderne industriële automatisering

Inleiding: PID-regelaars in de industrie

Proportioneel-Integraal-Deriverende (PID) regelaars worden in de meeste automatische procesregelingsapplicaties in de industrie vandaag de dag gebruikt om stroom, temperatuur, druk, niveau, en veel andere industriële procesvariabelen te regelen.

Ze dateren terug tot 1939, toen de Taylor en Foxboro instrumentbedrijven de eerste twee PID-regelaars introduceerden. Alle hedendaagse regelaars zijn gebaseerd op die oorspronkelijke proportionele, integrale, en deriverende modi.

PID-regelaars zijn de werklui van moderne procesregelingssystemen, omdat ze regeltaak automatiseren die anders handmatig gedaan zouden moeten worden. Hoewel de proportionele regeling de hoofddrijvende kracht in een regelaar is, vervult elke modus een unieke functie. Proportionele en integrale regeling zijn essentieel voor de meeste regellussen, terwijl de deriverende modus uitstekend is voor beweegbesturing. Temperatuurregeling is een typische toepassing die alle drie de regelingmodi gebruikt.

Handmatige regeling

Zonder een PID-regelaar is handmatige regeling van watertemperatuur een vervelend proces. Bijvoorbeeld, om een constante temperatuur van water afgediscerd van een industriële gas-gefirde verwarmder te behouden, moet een operator een temperatuurmeter bekijken en een brandstofgasventil daarbij aanpassen. Als de watertemperatuur te hoog wordt, moet de operator de gasklep net genoeg dichten om de temperatuur terug te brengen naar de gewenste waarde. Als het water te koud wordt, moet hij de gasklep openen.

De regeltaak die de operator doet heet terugkoppelingregeling, omdat de operator de brandingsgraad wijzigt op basis van terugkoppeling van het proces via de temperatuurmeter. De operator, klep, proces, en temperatuurmeter vormen een regellus. Elke verandering die de operator aan de gasklep maakt beïnvloedt de temperatuur, wat teruggekoppeld wordt aan de operator, waardoor de lus gesloten wordt.

Automatische regeling

Om temperatuurregeling te automatiseren met een PID-regelaar, zijn het volgende vereist:

• Installeer een elektronisch temperatuurmeetapparaat
• Automatiseer de klep door een actuator (en misschien een positioner) toe te voegen zodat het elektronisch aangedreven kan worden
• Installeer een regelaar en Verbind het met het temperatuurmeetapparaat en geautomatiseerde regelaarklep

De operator stelt het instelpunt (SP) van de PID-regelaar in op de gewenste temperatuur, en de uitgang (CO) van de regelaar stelt de positie van de regelaarklep in. De temperatuurmeting, de procesvariabele (PV), wordt dan naar de PID-regelaar getransporteerd, die het vergelijkt met het instelpunt en het verschil, of fout (E), tussen de twee signalen berekent. Op basis van de fout en de instelconstanten van de regelaar, berekent de regelaar de passende regelaaruitgang om de regelaarklep op de juiste positie in te stellen om de temperatuur op het instelpunt te houden. Als de temperatuur boven het instelpunt stijgt, zal de regelaar de kleppositie verlagen en vice versa.

De drie regelingmodi

Proportionele regeling

De proportionele regeling verandert de regelaaruitgang in proportie tot de fout. Als de fout toeneemt, neemt de regelaaractie proportioneel toe. De instelbare instelling voor proportionele regeling heet de Regelaarwinst (Kc). Een hogere regelaarwinst verhoogt de hoeveelheid proportionele regelaaractie voor een gegeven fout. Als de regelaarwinst te hoog ingesteld is, begint de regellus te oscilleren en wordt onstabiel. Als te laag ingesteld, reageert de regellus niet adequaat op storingen of instelpuntveranderingen.

Proportionele-enkel regelaar

Een PID-regelaar kan geconfigureerd worden om alleen een proportionele actie te produceren door de integrale en deriverende modi uit te schakelen. Proportionele regelaars zijn eenvoudig te begrijpen en makkelijk in te stellen: de regelaaruitgang is simpelweg de regelfout keer de regelaarwinst, plus een bias. De bias is nodig zodat de regelaar een niet-nul uitgang kan handhaven terwijl de fout nul is (procesvariabele op instelpunt). Het nadeel is offset, een doorgezette fout die niet geëlimineerd kan worden door alleen proportionele regeling. Onder proportionele-enkel regeling blijft de offset aanwezig totdat de operator handmatig de bias op de regelaaruitgang wijzigt om de offset te verwijderen. Dit heet een handmatige reset van de regelaar.

Integrale regeling

De behoefte aan handmatige reset leidde tot de ontwikkeling van automatische reset, bekend als de integrale regeling. De functie van de integrale regeling is om de regelaaruitgang over tijd te incrementeeren of decrementeeren om de fout te reduceren, zolang er enige fout aanwezig is (procesvariabele niet op instelpunt). Gegeven voldoende tijd, zal de integrale actie de regelaaruitgang drijven tot de fout nul is.

Als de fout groot is, zal de integrale modus de regelaaruitgang met een snelle snelheid incrementeeren/decrementeren; als de fout klein is, zullen de veranderingen langzaam zijn. Voor een gegeven fout wordt de snelheid van de integrale actie ingesteld door de integrale tijdinstelling van de regelaar (Ti). Als de integrale tijd te lang ingesteld is, zal de regelaar traag zijn; als te kort ingesteld, zal de regellus oscilleren en onstabiel worden.

Proportioneel + Integrale regelaar (PI)

Vaak PI-regelaar genoemd, is de uitgang van de proportioneel + integrale regelaar samengesteld uit de som van de proportionele en integrale regelaaracties. Na een storing blijft de integrale modus de regelaaruitgang incrementeren tot alle offset geëlimineerd is en de verwarmder uitlaattemperatuur terug op het instelpunt is.

Deriverende regeling

Deriverende regeling wordt zelden gebruikt in procesregeling, hoewel het vaak in beweegbesturing gebruikt wordt. Het is erg gevoelig voor meetruis, maakt proef-en-fout instellen moeilijker, en is niet absoluut vereist voor procesregeling. Echter, het gebruik van een regelaar's deriverende modus kan bepaalde typen regellussen — temperatuurregeling bijvoorbeeld — sneller laten reageren dan met alleen PI-regeling.

De deriverende regeling produceert een uitgang gebaseerd op de veranderingssnelheid van de fout. Het produceert meer regelaaractie als de fout sneller verandert; als er geen verandering in de fout is, is de deriverende actie nul. Deze modus heeft een instelbare instelling genaamd Deriverende Tijd (Td). Hoe groter de deriverende tijdinstelling, hoe meer deriverende actie geproduceerd wordt. Als de deriverende tijd te lang ingesteld is, zullen oscillaties optreden en de regellus onstabiel worden. Een Td instelling van nul schakelt de deriverende modus effectief uit.

PID-regelaar

De uitgang van een PID-regelaar bestaat uit de som van de proportionele, integrale, en deriverende regelaaracties. PID-regelalgoritmen komen in verschillende ontwerpen, inclusief het non-interactieve algoritme en het parallelle algoritme.

In een PID-regelaar levert de deriverende modus meer regelaaractie eerder dan mogelijk met P of PI-regeling. Dit vermindert het effect van een storing en verkort de tijd die het duurt voordat het niveau terugkeert naar het instelpunt.

Regelaarinstelling (Tuning)

PID-regelaars vereisen instellen, maar toen ze op de markt kwamen, waren er geen duidelijke instructies hoe dit te doen. Instellen werd gedaan door proef en fout tot 1942, toen twee instelmethodes gepubliceerd werden door J.G. Ziegler en N.B. Nichols van Taylor Instruments Company.

Deze instelregels werken goed op processen met erg lange tijdsconstanten relatief tot hun dode tijden en op niveau-regellussen, die een integrerend proces bevatten. Ze werken niet goed op regellussen die zelfregulerende processen bevatten, zoals stroom, temperatuur, druk, snelheid, en samenstelling.

Een zelfregulerend proces stabiliseert altijd op een bepaald evenwichtspunt, wat afhangt van het procesontwerp en de regelaaruitgang; als de regelaaruitgang op een andere waarde gezet wordt, zal het proces reageren en stabiliseren op een nieuw evenwichtspunt.

De meeste regellussen bevatten zelfregulerende processen, en instelmethodes zijn voor ze ontwikkeld. De Cohen-Coon instelregels werken bijvoorbeeld goed op praktisch alle regellussen met zelfregulerende processen. Deze regels waren oorspronkelijk ontworpen om een erg snelle reactie te geven, maar dit resulteerde in lussen met een hoge oscillerende reactie. Met lichte aanpassing van de regels, reageren regellussen nog steeds snel maar zijn veel minder geneigd tot oscillaties. Vandaag de dag zijn er meer dan 100 regelaarinstelmethode, elk ontworpen om een bepaald doel te bereiken.

Conclusie

Moderne procesregelingssystemen kunnen niet bestaan zonder PID-regelaars, aangezien alle regelfuncties handmatig gedaan zouden moeten worden. Elke van de proportionele, integrale, en deriverende regelingmodi vervult een unieke functie, en instelregels zijn ontwikkeld om efficiënte procesregeling te garanderen voor alle typen lussen en toepassingen.