Ошибки PID:сброс Windup

ФИД уже более десяти лет служит отрасли управления процессами и зарекомендовал себя как основной метод управления с обратной связью. системы. За прошедшие годы эта техника претерпела ряд усовершенствований и улучшений, уступив место пневматическим, электронным и компьютерным устройствам, обеспечивающим более жесткий контроль над процессами.

Одним из первых достижений в ПИД-системах стало интегральное действие, также известное как автоматический сброс, которое значительно улучшило производительность контроллеров, оснащенных пропорциональным действием. Контроллер «P-only» применяет корректирующее усилие, пропорциональное разнице между измеренным значением и заданным значением, которое можно суммировать как:

• Если разница или ошибка увеличиваются, P-only-контроллер отвечает усилием положительного управления, чтобы уменьшить разницу.
• Если разница уменьшается, контроллер вводит отрицательное усилие управления.

Вся реализация проста для понимания и сопровождения, но имеет недостаток долговечности, то есть по мере уменьшения ошибки уменьшается и усилие управления. Это замедляет скорость уменьшения ошибки, увеличивая общее время, необходимое для устранения ошибки. Но и ошибка никогда не перестает существовать, а П-контроллер выходит из процесса с небольшим смещением.

Эта установившаяся ошибка корректируется с помощью интегрального действия, которое работает параллельно с П-регулятором, гарантируя, что управляющее усилие сохраняется до тех пор, пока значение ошибки не равно нулю. Это компенсирует ПИ-регулятор. Хотя этот контроллер обеспечивает последовательную работу по устранению ошибки, он порождает другие проблемы. Наиболее важной проблемой является нестабильность замкнутого контура, когда интегральное действие приводит к тому, что переменная процесса выходит за пределы требуемой уставки. Эта проблема становится исключительно опасной, если процесс управления очень чувствителен, в результате чего перерегулирование создает еще большую ошибку в противоположном направлении. Это запускает еще один процесс устранения ошибок.

Чтобы исправить это, инженеры используют аналитические методы для определения интегральных и пропорциональных коэффициентов усиления, которые идеально подходят для данного процесса.

Ошибка сброса Windup

Если большое усилие управления используется для смягчения ошибки значительной величины для процесса, привод которого слишком мал, результатом является завершение сброса. Привод насыщается при определенном значении, соответствующем его максимальной мощности, и не может больше влиять на процесс. Оператор может попытаться смягчить проблему, уменьшив значение уставки так, чтобы оно попадало в диапазон, которого может достичь привод, но это не сработает. Почему? Потому что к этому времени интегральная ошибка достигла бы огромного значения, и контроллер постоянно пытался бы заставить исполнительный механизм генерировать реакцию, превышающую его верхний предел.

Однако, если уставка опускается достаточно низко, интегральная ошибка начнет уменьшаться. Это должно быть объединено с последовательностью отрицательных ошибок, чтобы нейтрализовать эффект положительных ошибок, накопленных за то время, пока исполнительный механизм находился в состоянии насыщения.

Другой способ избавиться от этой ошибки — установить исполнительный механизм, достаточно большой, чтобы произвести изменение, необходимое для процесса, без насыщения.

Исправление перед загрузкой

Возврат в исходное положение также может иметь место, если исполнительный механизм выключен, а контроллер включен. Например, в случае каскадного контроллера, если внутренний контур находится в ручном режиме, это не повлияет на контроллер внешнего контура. Если контроллер с внешним контуром продолжает работать, его интегральное действие «завершится».

Простое решение этой проблемы заключается в том, что всякий раз, когда привод не работает, интегратор контроллера должен быть выключен. Другим решением является корректировка уставки в соответствии со значением переменной процесса между партиями. Но есть и более эффективные методы устранения зависания при сбросе.

В сценарии с предварительной загрузкой выходной сигнал интегратора контроллера фиксируется, так что процесс запускает следующую партию с ошибкой, полученной от предыдущей партии. С предварительной загрузкой сброс может продолжаться прямо с предыдущей партии, что сокращает время, необходимое для установления постоянного состояния.

Лучше всего это работает, если партии идентичны, так что контроллер должен каждый раз получать одну и ту же уставку. Если партии не идентичны, то необходимо использовать математическую модель для прогнозирования интегрального действия, необходимого для следующего раунда. Этот подход работает для непрерывного процесса, если он моделируется до запуска процесса.

Исправление безударного переноса

Однако предварительная загрузка может привести к некоторым сбоям. Одной из потенциальных проблем является резкая регулировка выходной мощности привода после начала каждого раунда, что может привести к повреждению привода. Точно так же, когда контроллер переключается из автоматического в ручной режим и наоборот, любая попытка оператора изменить усилие управления также может привести к повреждению привода.

Bumpless Transfer использует искусственную предварительную загрузку для устранения этих сбоев. В интегратор загружается значение, необходимое для перезапуска операторов, что устраняет необходимость изменять усилие управления. Контроллеру по-прежнему придется учитывать изменения переменной процесса или заданного значения, но при переходе в автоматический режим будет меньше толчков.

Осложнения мертвого времени

Мертвое время — это время, необходимое переменной процесса для корректировки после изменения управляющего усилия. Это происходит, когда переменный датчик находится слишком далеко по потоку от привода. Как бы ни старался контроллер, он не может устранить ошибку до тех пор, пока не изменятся физические параметры датчиков.

Когда контроллер пытается исправить ошибки, как ошибка, так и переменная процесса перестают двигаться, что приводит к интегральному действию, подобному тому, как если бы привод был выключен. Одним из решений этой проблемы является уменьшение интегрального усиления, что снизит максимальное интегральное действие из-за насыщения и устранит мертвое время.

Проблему также можно решить, выполнив интегральное действие с мертвым временем, давая буферу завершения время для уменьшения. Один из способов улучшить эту технику — добавить прерывистые интервалы к интегральному действию. Позволив пропорциональному действию работать некоторое время, а затем включив интегральное действие, можно сократить время, необходимое для того, чтобы ошибка была равна нулю.

Это всего лишь один пример использования PID. Алгоритмы ПИД-регулятора были значительно изменены, чтобы учитывать приводы с ограничением скорости, шум измерения переменных процесса, модели процессов, изменяющиеся во времени, и т.д.

Хотите узнать больше? Поговорите с одним из наших специалистов на PanelShop.com. .

Как подключение элементов управления помогает управлять активами Что такое Net Metering?