PID Controllers Beheersen: Proportionele, Integrale en Differentiele Acties Balanceren

De Procescontrol Industrie wordt zwaar gedomineerd door proportioneel-integraal-differentiele (PID) controllers, echter zelfs deze verbluffende componenten hebben hun eigen beperkingen. Het gedrag van PID lussen is moeilijk te begrijpen, wat erger wordt wanneer een fout optreedt, en troubleshooting vereist is. Niettemin streven technici & ingenieurs ernaar om coherentie te bereiken tussen de drie bouwstenen van de controller, i.e. proportionele, integrale & differentiele acties.

Toen controllers voor het eerst geïntroduceerd werden, waren ze alleen proportioneel, en hoewel dit ze makkelijk te begrijpen maakte, waren ze snel onbekwaam om met fouten om te gaan. Deze controllers neigen ertoe te vroeg te stoppen wanneer fouten geëlimineerd moesten worden tussen de procesvariabele en de setpoint. Dit leidde tot de toevoeging van integrale actie binnen de eerder "proportionele controller".

Integrale Actie

Operators ontdekten snel dat ze de droop die resulteerde uit afnemende proportionele actie konden compenseren door handmatig biasing toe te voegen aan de controle-inspanning, genoeg om de minuscule kloof tussen de procesvariabele en de setpoint te overbruggen. Dit werd bekend als "resetten" van de lus.

Eerst waren operators belast met het uitvoeren van deze "reset", echter snel werd automatische reset geïntroduceerd, wat de vertraging elimineerde die voortkwam uit handmatige interventies. Vandaag de dag wordt deze automatische reset aangeduid als integrale actie, terwijl de gain die de grootte van de benodigde reactie bepaalt, soms "reset rate" genoemd wordt. Zolang de procesvariabele en de setpoint verschillen, neigt een hoge reset rate ertoe de controller te dwingen om een agressieve controle-inspanning te genereren. Maar hier is het ding: de integrale actie blijft groeien zolang de fout blijft, in tegenstelling tot proportionele actie die neigt te dempen naarmate de fout minimaliseert.

Dit kan gunstig lijken, maar heeft eigenlijk zijn eigen problemen. Als het gecontroleerde proces traag is, duurt het een tijdje voordat de fout verdwijnt terwijl de controller agressieve integrale acties zal inzetten om het te elimineren. Als de operator de reset rate te hoog instelt, zal de controller de fout overcompenseren, wat resulteert in een nog grotere fout in de negatieve richting, leidend tot heen-en-weer jachtcycli totdat de fout volledig geëlimineerd is.

Reset Windup

Integrale actie is het best geschikt voor toepassingen waar een proces een actuator heeft die te klein is om een grote controle-inspanning te produceren. Bijvoorbeeld, als een klep te klein is om een voldoende hoge flowsnelheid te genereren, wanneer een brander niet groot genoeg is om voldoende warmte te leveren, etc. Wanneer dergelijke situaties ontstaan, wordt de actuator gezegd verzadigd te zijn op een bepaalde limietwaarde.

Deze verzadiging leidt uiteindelijke tot positieve fouten tussen de setpoint en de procesvariabele. De integrale actie blijft agressiever, maar de actuator bottelnekt, en voorkomt rectificatie van de fout. Tijdens de tijd dat de actuator vastzit op 100%, zal de totale geïntegreerde fout een enorme waarde hebben bereikt. Dit zal de controller in een niet-responsieve staat dwingen, en de operator niet toestaan de fout te corrigeren door het setpoint-niveau te verlagen naar een haalbaar bereik.

Verscheidene oplossingen zijn ontworpen & geïmplementeerd om de controller te beschermen tegen reset windup, waar de meeste betrekking hebben op het uitschakelen van de integrator.

Differentiele Actie

De differentiele actie van een PID controller fungeert als een gemengde zegen, de controle-inspanning verminderen in verhouding tot de veranderingssnelheid van de fout zodat de daling van de procesvariabele naar de setpoint vertraagd kan worden. Dit vermindert de kans op overshoot & jacht. Maar, als de differentiele actie te agressief instelt, kan het zelf jacht veroorzaken. Dit effect wordt veel waargenomen in processen die snel reageren op de inspanningen van de controller, bijv. motoren & robotica.

De differentiele actie kan ook een plotselinge piek toevoegen aan de controle-inspanning wanneer de fout abrupt verandert. Dit dwingt de controller in actie, nog voordat de proportionele of integrale delen van de PID in actie kunnen komen. In vergelijking met een tweeterm PI controller, kan een volledige driederm PID controller de inspanningsniveau anticiperen dat vereist zou zijn om de procesvariabele stabiel te houden.

Hoewel dergelijke voorspellende controle voordelig is in sommige toepassingen, is het niet gunstig in andere. Bijvoorbeeld, een blast hete lucht zal niet comfortabel zijn voor de bewoners van een kamer of, op industriële schaal, de ovenwand.

Fixes

Moderne PID controllers hebben als doel al deze problemen aan te pakken. Enkele veelvoorkomende features van PID controllers van vandaag zijn:

• Reset windup bescherming
• Differentiele Actie Calculator
• Ruisonderdrukking

Een bepaalde techniek die de nauwkeurigheid van PID controller aanzienlijk verbeterd heeft is loop tuning. Dit is op zich de kunst van het selecteren van passende waarden voor de proportionele, integrale en differentiele gains, waardoor een snelle reactie op procesvariabele veranderingen bereikt wordt. De techniek is aangevuld door talloze methodologieën alsmede ondersteund door een overvloed aan softwarepakketten om maximale stabiliteit binnen het systeem te garanderen.

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