PID-Fehler:Windup zurücksetzen

PID dient der Prozesssteuerungsbranche seit weit über einem Jahrzehnt und hat sich als primäre Technik für die Feedback-Steuerung etabliert Systeme. Im Laufe der Jahre hat die Technik eine Reihe von Upgrades und Verbesserungen erfahren, die pneumatischen, elektronischen und computerbasierten Geräten Platz gemacht haben, um eine strengere Kontrolle über Prozesse zu gewährleisten.

Einer der ersten Durchbrüche bei PID-Systemen war die Integralaktion, auch bekannt als Automatisierungs-Reset, die die Leistung von mit Proportionalaktion ausgestatteten Reglern erheblich verbesserte. Ein „Nur-P“-Regler wendet einen Korrekturaufwand proportional zur Differenz zwischen dem gemessenen Wert und dem Sollwert an, der wie folgt zusammengefasst werden kann:

• Wenn die Differenz oder der Fehler zunimmt, reagiert der Nur-P-Regler mit einem positiven Regelaufwand, um die Differenz zu verringern.
• Wenn die Differenz abnimmt, steuert der Regler einen negativen Regelaufwand bei.

Die gesamte Implementierung ist leicht zu verstehen und zu warten, weist jedoch den Nachteil der Langlebigkeit auf, dh mit abnehmendem Fehler nimmt auch der Kontrollaufwand ab. Dies verlangsamt die Rate, mit der der Fehler verringert wird, und erhöht die Gesamtzeit, die benötigt wird, bis der Fehler aufhört. Aber auch der Fehler bleibt immer bestehen, der P-Regler verlässt den Prozess mit einem leichten Versatz.

Dieser stationäre Fehler wird durch eine Integralaktion korrigiert, die parallel zum P-Regler arbeitet, wodurch sichergestellt wird, dass der Regelaufwand so lange erhalten bleibt, wie der Fehler einen Wert ungleich Null hat. Dies entschädigt für den PI-Regler. Während diese Steuerung eine beständige Anstrengung zur Beseitigung des Fehlers sicherstellt, führt sie zu anderen Problemen. Das wichtigste auftretende Problem ist die Instabilität des geschlossenen Regelkreises, wobei die Integralaktion bewirkt, dass die Prozessvariable den gewünschten Sollwert überschreitet. Dieses Problem wird besonders schädlich, wenn der Steuerprozess sehr empfindlich ist, was bewirkt, dass das Überschwingen einen noch größeren Fehler in der entgegengesetzten Richtung erzeugt. Damit wird ein weiterer Fehlerbeseitigungsprozess in Gang gesetzt.

Um dies zu korrigieren, verwenden Ingenieure Analysetechniken, um integrale und proportionale Verstärkungen zu bestimmen, die perfekt für den Prozess geeignet sind.

Windup-Fehler beim Zurücksetzen

Wenn ein großer Steuerungsaufwand verwendet wird, um einen Fehler erheblicher Größe für einen Prozess zu mildern, dessen Aktuator zu klein ist, ist das Ergebnis ein Rücksetz-Windup. Der Aktuator wird bei einem bestimmten Wert, der seiner maximalen Leistung entspricht, gesättigt und kann den Prozess nicht weiter beeinflussen. Der Bediener kann versuchen, das Problem zu mindern, indem er den Wert des Sollwerts verringert, sodass er in den Bereich fällt, den der Stellantrieb erreichen kann, aber das wird nicht funktionieren. Wieso den? Denn zu diesem Zeitpunkt hätte der integrierte Fehler einen enormen Wert erreicht, und der Controller würde ständig versuchen, den Aktuator dazu zu bringen, eine Reaktion zu erzeugen, die höher als seine Obergrenze ist.

Wenn der Sollwert jedoch weit genug abgesenkt wird, beginnt der integrierte Fehler zu sinken. Dies müsste mit einer Reihe negativer Fehler kombiniert werden, um die Wirkung positiver Fehler aufzuheben, die sich während der Zeit angesammelt haben, in der sich der Aktuator im gesättigten Zustand befunden hat.

Eine andere Möglichkeit, diesen Fehler zu beseitigen, besteht darin, einen Aktuator zu installieren, der groß genug ist, um eine für den Prozess erforderliche Änderung ohne Sättigung zu erzeugen.

Der Fehler beim Vorladen

Ein Zurücksetzen kann auch stattfinden, wenn das Stellglied ausgeschaltet ist, während die Steuerung eingeschaltet ist. Wenn sich zum Beispiel bei einem Kaskadenregler die innere Schleife im manuellen Modus befindet, hätte sie keine Auswirkung auf die äußere Schleifensteuerung. Wenn der Außenschleifenregler weiterarbeitet, würde seine Integralwirkung „auflaufen“.

Eine einfache Lösung für dieses Problem besteht darin, dass immer dann, wenn der Stellantrieb nicht läuft, der Integrator des Reglers ausgeschaltet werden sollte. Eine andere Lösung besteht darin, den Sollwert zwischen den Chargen an den Wert der Prozessvariablen anzupassen. Aber es gibt bessere Methoden, um das Zurücksetzen zu beheben.

In einem Vorladeszenario ist der Integratorausgang des Controllers festgelegt, sodass der Prozess den nächsten Stapel mit dem Fehler startet, den er vom vorherigen Stapel erfasst hat. Mit dem Vorladen kann das Zurücksetzen direkt vom vorherigen Stapel fortgesetzt werden, wodurch die Zeit verkürzt wird, die erforderlich ist, um sich auf einen konstanten Zustand einzustellen.

Dies funktioniert am besten, wenn die Chargen identisch sind, sodass die Steuerung jedes Mal denselben Sollwert erhalten muss. Wenn die Chargen nicht identisch sind, muss ein mathematisches Modell verwendet werden, um die für die nächste Runde erforderliche integrale Wirkung vorherzusagen. Dieser Ansatz funktioniert für einen kontinuierlichen Prozess, wenn er vor dem Starten des Prozesses modelliert wird.

Fehlerfreie Übertragungskorrektur

Das Vorladen kann jedoch zu einigen Schluckauf führen. Ein mögliches Problem ist die abrupte Anpassung der Ausgangsleistung des Aktuators zu Beginn jeder Runde, wodurch der Aktuator beschädigt werden kann. Wenn der Regler vom automatischen in den manuellen Modus und umgekehrt umgeschaltet wird, kann jeder Versuch des Bedieners, den Regelaufwand zu ändern, ebenfalls den Stellantrieb beschädigen.

Bumpless Transfer verwendet künstliches Vorladen, um diese Schluckaufe zu beheben. Der Integrator wird mit dem Wert geladen, der zum Neustarten von Bedienern erforderlich ist, wodurch die Notwendigkeit entfällt, den Steuerungsaufwand zu ändern. Der Regler müsste immer noch Änderungen der Prozessvariablen oder des Sollwerts berücksichtigen, aber es gäbe weniger Stöße beim Umschalten in den automatischen Modus.

Totzeitkomplikationen

Die Totzeit ist die Zeit, die die Prozessvariable benötigt, um sich nach einer Änderung des Regelaufwands anzupassen. Dies passiert, wenn der variable Sensor zu stromabwärts vom Aktuator ist. Egal, wie sehr sich der Controller bemüht, er kann den Fehler nicht beheben, bis sich die physikalischen Parameter der Sensoren ändern.

Wenn der Regler versucht, die Fehler zu korrigieren, hören sowohl der Fehler als auch die Prozessvariable auf, sich zu bewegen, was zu einer aufgewickelten integralen Aktion führt, als ob der Stellantrieb ausgeschaltet wäre. Eine Lösung dafür ist das Verringern der Integralverstärkung, was die maximale Integralaktion aufgrund von Windup verringern und Totzeiten eliminieren würde.

Das Problem kann auch gelöst werden, indem die integrale Aktion mit einer Totzeit ausgegeben wird, die dem Windup-Puffer Zeit gibt, sich zu entspannen. Eine Möglichkeit, diese Technik zu verbessern, besteht darin, der integralen Aktion intermittierende Intervalle hinzuzufügen. Lassen Sie die proportionale Aktion einige Zeit arbeiten und aktivieren Sie dann die integrale Aktion, um die Zeit zu verkürzen, die erforderlich ist, bis der Fehler Null ist.

Dies ist nur ein Beispiel für die PID-Nutzung. PID-Algorithmen wurden stark modifiziert, um geschwindigkeitsbegrenzte Stellglieder, Messrauschen von Prozessvariablen, zeitveränderliche Prozessmodelle und so weiter zu berücksichtigen.

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