PID Reset Windup voorkomen: strategieën voor betrouwbare procesregeling

PID heeft de procesregelingsindustrie al meer dan een decennium goed gedient en zich verzilverd als de primaire techniek voor feedback-regelsystemen. Door de jaren heen heeft de techniek een aantal upgrades en verbeteringen gezien, wat leidde tot pneumatische, elektronische en computer-gebaseerde apparaten, wat nauwere controle over processen waarborgt.

Een van de eerste doorbraken in PID-systemen was de integrale actie, ook wel automation reset genoemd, die de prestaties van controllers uitgerust met proportionele actie aanzienlijk verbeterde. Een "P-only" controller past een correctieve inspanning toe die proportioneel is aan het verschil tussen gemeten waarde en de setpoint, wat samengevat kan worden als:

• Als het verschil of de fout toeneemt, reageert de P-only controller met een positieve controle-inspanning om het verschil te verminderen.
• Als het verschil afneemt, injecteert de controller een negatieve controle-inspanning.

De gehele implementatie is makkelijk te begrijpen en te onderhouden, maar heeft de fout van longlevity, betekent dat naarmate de fout afneemt, de controle-inspanning ook afneemt. Dit vertraagt de snelheid waarmee de fout verminderd wordt, wat de algehele tijd vergroot die nodig is voor de fout om te stoppen. Maar de fout houdt ook niet op te bestaan, met de P-controller die het proces met een lichte offset achterlaat.

Deze steady-state fout wordt gecorrigeerd door integrale actie die parallel aan de P-controller werkt, ervoor zorgend dat de controle-inspanning blijft zolang de fout een niet-nul waarde heeft. Dit maakt de PI-controller. Hoewel deze controller een consistente inspanning garandeert om de fout te elimineren, geeft het aanleiding tot andere problemen. Het belangrijkste probleem dat ontstaat is closed-loop instabiliteit, met de integrale actie die ervoor zorgt dat de procesvariabele de gewenste setpoint overschrijdt. Dit probleem wordt uitzonderlijk schadelijk als het controleproces hoogst gevoelig is, wat ervoor zorgt dat de overshoot een nog grotere fout in de tegengestelde richting creëert. Dit start nog een fout-eliminatieproces.

Om dit te rectificeren, gebruiken ingenieurs analytische technieken om integrale en proportionele gains te bepalen die perfect passen voor het proces.

De Reset Windup Fout

Als een grote controle-inspanning gebruikt wordt om een fout van significante omvang te mitigeren voor een proces wiens actuator te klein is, is het resultaat reset windup. De actuator verzadigt op een specifieke waarde corresponderend met zijn maximale output, onmachtig om het proces verder te beïnvloeden. De operator kan proberen het probleem te mitigeren door de setpoint-waarde te verlagen zodat het binnen het bereik valt dat de actuator kan bereiken, maar dit zal niet werken. Waarom? Omdat op dit moment de geïntegreerde fout een enorme waarde zou hebben bereikt, en de controller continu zou proberen de actuator een reactie hoger dan zijn bovengrens te laten genereren.

Echter, als de setpoint laag genoeg gedropt wordt, zal de geïntegreerde fout beginnen te dalen. Dit zou gecombineerd moeten worden met een reeks negatieve fouten om het effect van positieve fouten geaccumuleerd tijdens de tijd dat de actuator in de verzadigde toestand was, te annuleren.

Een andere manier om deze fout te verhelpen is door een actuator te installeren die groot genoeg is om een verandering te produceren die vereist is voor het proces zonder te verzadigen.

De Pre-Loading Fix

Reset windup kan ook plaatsvinden als de actuator uitstaat terwijl de controller aanstaat. Bijvoorbeeld, in het geval van een cascade-controller, als de inner loop in handmatige modus is, zou het geen effect hebben over de outer-loop controller. Als de outer-loop controller blijft opereren, zou de integrale actie "opwinderen".

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

In een pre-loading scenario, wordt de controller's integrator output vastgezet zodat het proces de volgende batch start met de fout die het verwierf uit de voorgaande batch. Met pre-loading kan de reset direct doorgaan vanaf de vorige batch, wat de tijd verkort die nodig is om te stabiliseren tot een constante toestand.

Dit werkt het beste als de batches identiek zijn, zodat de controller telkens dezelfde setpoint moet bereiken. Als de batches niet identiek zijn, dan moet een wiskundig model gebruikt worden om de integrale actie te voorspellen die vereist is voor de volgende ronde. Deze benadering werkt voor een continu proces als het gemodelleerd is vóór het opstarten van het proces.

De Bumpless Transfer Fix

Echter, pre-loading kan tot een paar hick-ups leiden. Een potentieel issue is de abrupte aanpassing aan de actuator-output zodra elke ronde begint, wat de actuator kan beschadigen. Op dezelfde manier, wanneer de controller geschakeld wordt van automatische naar handmatige modus en vice versa, kan elke poging van de operator om de controle-inspanning te wijzigen, de actuator ook beschadigen.

Bumpless Transfer gebruikt kunstmatige pre-loading om deze hick-ups op te lossen. De integrator wordt geladen met de waarde die vereist is om operators te herstarten, wat de noodzaak elimineert om de controle-inspanning te wijzigen. De controller zou nog steeds rekening moeten houden met veranderingen in de procesvariabele of setpoint, maar er zou minder van een bump zijn bij het schakelen naar automatische modus.

Deadtime Complicaties

Deadtime is de tijd die de procesvariabele nodig heeft om aan te passen na een verandering in de controle-inspanning. Dit gebeurt wanneer de variabelesensor te downstream is van de actuator. Ongeacht hoe hard de controller probeert, kan het de fout niet verlichten totdat de fysische parameters van de sensor veranderen.

Naarmate de controller probeert de fouten te corrigeren, stoppen zowel de fout als de procesvariabele met bewegen, wat resulteert in een opgewonden integrale actie alsof de actuator uitgezet was. Een oplossing hiervoor is de integrale gain te verlagen, wat de maximale integrale actie door windup verlaagt en deadtime elimineert.

Het probleem kan ook opgelost worden door de integrale actie een deadtime uit te reiken, wat de windup buffertijd geeft om af te zakken. Een manier om deze techniek te verbeteren is door intermittente intervallen toe te voegen aan de integrale actie. De proportionele actie voor enige tijd laten werken en dan de integrale actie aanzetten kan de tijd verkorten die vereist is voor de fout om nul te worden.

Dit is slechts één voorbeeld van PID-gebruik. PID-algoritmen zijn sterk gewijzigd om rekening te houden met velocity-limited actuatoren, procesvariabele meetruis, time-varying procesmodellen, en zo voort.

Geïnteresseerd in meer leren? Spreek met een van onze professionals bij PanelShop.com.