Освоение PID-контроллеров: балансировка пропорционального, интегрального и дифференцирующего действий

Промышленность процессного управления сильно доминируется пропорционально-интегрально-дифференцирующими (PID) контроллерами, однако даже эти замечательные компоненты имеют свои ограничения. Поведение PID контуров трудно понять, что ухудшается при возникновении неисправности, когда требуется устранение неполадок. Тем не менее, техники и инженеры стремятся достичь когерентности между тремя строительными блоками контроллера: пропорциональным, интегральным и дифференцирующим действиями.

Когда контроллеры были впервые представлены, они были только пропорциональными, и хотя это делало их понятными, они вскоре стали неспособны справляться с ошибками. Эти контроллеры имели тенденцию сдаваться слишком рано, когда требовалось устранить ошибки между процессной переменной и уставкой. Это привело к добавлению интегрального действия в ранее «пропорциональный контроллер».

Интегральное действие

Операторы вскоре обнаружили, что они могут компенсировать провал, возникший из-за ослабевающего пропорционального действия, через ручное добавление смещения к управляющему воздействию, достаточное для преодоления крошечного зазора между процессной переменной и уставкой. Это стало известно как «сброс» контура.

Сначала операторы были поручены выполнять этот «сброс», однако вскоре был введен автоматический сброс, устранивший задержку, возникающую от ручных вмешательств. Сегодня этот автоматический сброс называется интегральным действием, в то время как коэффициент, определяющий величину необходимого отклика, иногда называют «скоростью сброса». Пока процессная переменная и уставка различаются, высокая скорость сброса заставляет контроллер генерировать агрессивное управляющее воздействие. Но вот в чем дело: интегральное действие продолжает расти, пока ошибка остается, в отличие от пропорционального действия, которое имеет тенденцию затухать по мере уменьшения ошибки.

Это может показаться благоприятным, но на самом деле имеет свои проблемы. Например, если контролируемый процесс инертен, ошибка займет время, чтобы исчезнуть, пока контроллер будет применять агрессивные интегральные действия для ее устранения. Если оператор установит скорость сброса слишком высокой, контроллер будет перекомпенсировать ошибку, приводя к еще большей ошибке в отрицательном направлении, вызывая циклы охоты вперед-назад до полного устранения ошибки.

Завихрение сброса (Reset Windup)

Интегральное действие лучше всего подходит для приложений, где процесс имеет исполнительный механизм, слишком маленький для создания большого управляющего воздействия. Например, если клапан слишком мал для генерации достаточно высокого расхода, когда горелка не достаточно велика для обеспечения достаточного тепла и т.д. Всякий раз, когда возникают такие ситуации, исполнительный механизм считается насыщенным на некотором предельном клапане.

Это насыщение в конечном счете приводит к положительным ошибкам между уставкой и процессной переменной. Интегральное действие продолжает быть более агрессивным, но исполнительный механизм создает «узкое горлышко» и предотвращает исправление ошибки. В течение времени, пока исполнительный механизм застрянет на 100%, общая интегрированная ошибка достигнет огромного значения. Это заставит контроллер войти в нереагирующее состояние и не позволит оператору исправить ошибку путем снижения уровня уставки до достижимого диапазона.

Несколько решений было разработано и внедрено для защиты контроллера от завихрения сброса, большинство из которых предполагают отключение интегратора.

Дифференцирующее действие

Дифференцирующее действие PID-контроллера действует как смешанное благословение, уменьшая управляющее воздействие пропорционально скорости изменения ошибки, чтобы замедлить снижение процессной переменной к уставке. Это снижает вероятность перерегулирования и охоты. Но если дифференцирующее действие включается слишком агрессивно, оно само по себе может вызвать охоту. Этот эффект обычно наблюдается в процессах, которые быстро реагируют на усилия контроллера, например, двигатели и робототехника.

Дифференцирующее действие также может добавить внезапный скачок к управляющему воздействию всякий раз, когда ошибка меняется резко. Это заставляет контроллер действовать даже до того, как пропорциональная или интегральная части PID вступят в действие. В сравнении с двухчленным PI-контроллером, полный трехчленный PID-контроллер может предвосхитить уровень усилий, необходимый для поддержания процессной переменной стабильной.

Хотя такое предсказательное управление полезно в некоторых приложениях, оно неблагоприятно в других. Например, порыв горячего воздуха не будет комфортен для обитателей комнаты или, в промышленном масштабе, для стенки печи.

Исправления

Современные PID-контроллеры направлены на решение всех этих проблем. Некоторые общие функции современных PID-контроллеров включают:

• Защиту от завихрения сброса
• Калькулятор дифференцирующего действия
• Фильтрацию шума

Одна конкретная техника, которая значительно улучшила точность PID-контроллера — это настройка контура. Это само по себе искусство выбора подходящих значений для пропорционального, интегрального и дифференцирующего коэффициентов, обеспечивающее быстрый отклик на изменения процессной переменной. Техника была дополнена множеством методологий и поддерживается множеством программных пакетов для обеспечения максимальной стабильности в системе.

Заинтересованы в получении дополнительной информации? Поговорите с одним из наших профессионалов в PanelShop.com.