Czy można polegać na funkcjach autotuningu regulatora PID?

-- sobota, 13 marzec 2010 17:03

Zaskakujące jest, że prawie 70% wszystkich przemysłowych pętli regulacji PID pracuje w trybie automatycznym. Aż 65% z pętli pracujących w trybie automatycznym generuje mniejsze odchylenia od wartości zadanej w trybie manual niż w trybie auto. Częste korzystanie z trybu automatycznego jest prawdopodobnie spowodowane niedoborem personelu, który posiada odpowiednie know-how strojenia i optymalizowania parametrów regulatora PID, dlatego też coraz więcej producentów wyposaża swoje urządzenia w funkcje automatyczne. Niestety, każdy producent implementuje własne rozwiązania, co sprawia, że należy się spodziewać różnych rezultatów samostrojenia. Funkcje autotuningu zostaną opisane w kontekście regulatorów temperatury. Porównane zostaną wyniki jakości regulacji pomiędzy produktami różnych, anonimowych producentów.

Istnieją dwie metody autotuningu różniące się poziomem skomplikowania: samostrojenie oraz strojenie adaptacyjne (ciągłe). Samostrojenie jest zwykle oferowane jako standardowa funkcja i polega na charakteryzowaniu systemu za pomocą sztucznej manipulacji sygnału wyjściowego z regulatora. Taki typ doboru nastaw jest niepraktyczny i trudny do przeprowadzenia w czasie normalnej pracy układu. Algorytm pobiera dane z procesu i analizuje odpowiedź układu na wymuszenia o charakterze skoku jednostkowego lub sygnału sinusoidalnie zmiennego. Badanie odpowiedzi układu na skok jednostkowy daje najlepsze rezultaty, kiedy przed jego rozpoczęciem układ znajduje się w stanie spoczynku. Nastawy uzyskane podczas strojenia z użyciem sygnału sinusoidalnego nie są zależne od warunków początkowych, w jakich znajdował się układ, ale proces musi mieć możliwość pracy z dużymi amplitudami sygnałów generowanych w czasie oscylacji.

Strojenie adaptacyjne zwykle wiąże się z większymi kosztami i wymaga większej mocy obliczeniowej sterownika. Musi on być w stanie obserwować proces w czasie pracy i decydować, czy i w jaki sposób zmienić parametry regulatora PID tak, aby układ pozostawał stabilny. Proces dokonuje się bez sztucznej manipulacji sygnałem wyjściowym, tak jak ma to miejsce w przypadku obu metod samostrojenia.

Opisane metody eliminują ślepe poszukiwanie parametrów PID. Użytkownik może po prostu uruchomić procedurę, a sterownik nastroi się samoczynnie. W dalszych badaniach sprawdzane jest, czy parametry dobrane przez urządzenia wiodących producentów zapewniają odpowiednią regulację. Wyniki mogą potwierdzić często kwestionowaną w zastosowaniach przemysłowych, nieakceptowaną jakość regulacji.

Metodologia testu
Identyfikacja różnic w jakości regulacji wymaga platformy zdolnej do symulowania i zbierania danych. Wykorzystany został komputer PC z kartą wejść/wyjść o wysokiej rozdzielczości połączoną z regulatorem w celu wymiany danych, symulacji różnych warunków występujących w przemyśle oraz zapewnienia łatwej powtarzalności testów. Komputer odczytuje wyjście z regulatora, symuluje odpowiedź procesu na ten sygnał i przesyła odpowiedź na wejście urządzenia. Wyniki badań przedstawiane są na ekranie na bieżąco, różnice między produktami różnych producentów można łatwo dostrzec na wykresach.

Odpowiedni zakres dynamiki w testach ma umożliwić dostrzeżenie różnic między produktami w zakresie kontroli procesów szybko- i wolnozmiennych, ale jednocześnie pozostawać w zgodności z czasem próbkowania regulatorów. Model procesu stanowi inercja pierwszego rzędu. Charakterystykę obiektu pierwszego rzędu określa jego stała czasowa. W czasie testów badano oddzielnie proces chłodzenia i grzania, każdy o innej stałej czasowej. Model, który był grzany, ma stałe czasowe 10, 60 i 300 sek. Im mniejsza stała czasowa, tym bardziej szybkozmienny obiekt, dlatego stała 10 sek. charakteryzuje obiekt szybkozmienny, a 300 sek. – obiekt wolnozmienny. Stałe czasowe dla chłodzenia wynoszą 15, 60 i 90 sekund.

Inny parametr będący nierozłącznym elementem obiektu przemysłowego, to opóźnienie/czas martwy, czyli czas, jaki mija od momentu podania sygnału na wejście obiektu do momentu wykrycia odpowiedzi na to pobudzenie przez czujniki. Stosunek opóźnienia do stałej czasowej to współczynnik trudności obiektu. Jest on bardzo istotny, bo wraz z jego wzrostem maleje efektywność algorytmu PID. W czasie testów symulowano układy o współczynniku sterowalności równym 0,1 i 0,2, co jest typowe dla procesów przemysłowych.

Czas ustalania określa zdolność regulatora do stabilizacji procesu. Technicznie jest to czas, jaki mija od pojawienia się zakłócenia lub ustalenia nowej wartości zadanej do momentu, w którym wyjście procesu zostaje ustalone i nie różni się o więcej niż 1% od wartości zadanej. Największe znaczenie dla wolnozmiennych procesów ma ich amplituda, bo określa ona czas, jaki musi odczekać personel przed rozpoczęciem produkcji.

W celu syntezy możliwości samostrojenia i strojenia adaptacyjnego wszystkie regulatory zostały nastrojone zgodnie z ich dokumentacją. Warunki początkowe zostały ustalone na jednakowym poziomie, a temperatura otoczenia miała stałą wartość.

Uruchomienie samostrojenia
Po wykonaniu procedury samostrojenia i określeniu parametrów obiektu regulator powinien szybko stabilizować proces w przypadku zmian wartości zadanej lub pojawienia się zakłóceń. Niektóre z urządzeń oferują więcej niż samostrojenie, pozwalając użytkownikowi dostosowywać przebieg regulacji. Niektóre mają możliwość standardowej lub odpornej regulacji, inne umożliwiają ustalenie wartości tłumienia. Te ostatnie okazały się być jedynymi, które potrafią stabilizować wszystkie testowane obiekty. Zdolność ta była niezależna od ustawienia wartości tłumienia.

Testy ujawniły znaczne różnice między urządzeniami (zobacz wykres):

• Produkt 1 wykazuje stały błąd ustalania przy obiektach szybkozmiennych. Błąd ten powinien maleć do zera przy zbliżaniu się obiektu do wartości zadanej, niestety tak nie jest.
• Dwie procedury autotuningu producenta 2, oznaczone jako 2a i 2b, dają bardzo odmienne wyniki: jedna stabilizuje proces po bardzo krótkim czasie, natomiast druga powoduje oscylacje na nieakceptowanym poziomie.
• Produkt 3 ostatecznie stabilizuje wszystkie
  3 obiekty po zmianie wartości zadanej, ale oscyluje.
• Regulator producenta 4 po autotuningu wykazuje jeszcze większe oscylacje niż produkt 3.

Autor: Greg Baker

Linki sponsorowane

	Produkcja od A do Z w samym sercu polskiego przemysłu Zapraszamy Państwa do udziału w Kongresie Produkcji i Technologii PROTECH.
	Almanach Produkcji w Polsce Kompleksowy katalog w wersji on-online oraz drukowanej majacy na celu dostarczenie użytecznych informacji o dostawcach dla przemysłu jak i oferowanych przez nich produktach