PID-Reset-Windup verhindern: Strategien für zuverlässige Prozessregelung

PID hat der Prozessregelungsindustrie seit über einem Jahrzehnt gedient und sich als primäre Technik für Rückführregelsysteme etabliert. Über die Jahre hat die Technik eine Reihe von Upgrades und Verbesserungen erfahren, was zu pneumatischen, elektronischen und computergestützten Geräten führte, die eine engere Kontrolle über Prozesse gewährleisten.

Einer der ersten Durchbrüche in PID-Systemen war die Integralwirkung, auch als Automatik-Nachstellung bekannt, die die Leistung von Controllern mit proportionaler Wirkung erheblich verbesserte. Ein „P-only“-Controller wendet einen korrigierenden Aufwand proportional zur Differenz zwischen Messwert und Sollwert an, was zusammengefasst werden kann als:

• Wenn die Differenz oder der Fehler zunimmt, reagiert der P-only-Controller mit einem positiven Steueraufwand, um die Differenz zu verringern.
• Wenn die Differenz abnimmt, injiziert der Controller einen negativen Steueraufwand.

Die gesamte Implementierung ist leicht zu verstehen und zu warten, birgt aber den Mangel der Langlebigkeit: Je mehr der Fehler abnimmt, desto mehr nimmt der Steueraufwand ab. Dies verlangsamt die Rate, mit der der Fehler verringert wird, und erhöht die Gesamtzeit, bis der Fehler aufhört zu existieren. Aber der Fehler hört nie ganz auf zu existieren, da der P-Controller den Prozess mit einem leichten Offset verlässt.

Dieser stationäre Fehler wird durch Integralwirkung korrigiert, die parallel zum P-Controller arbeitet und sicherstellt, dass der Steueraufwand so lange anhält, wie der Fehler einen von Null verschiedenen Wert hat. Dies ergibt den PI-Controller. Während dieser Controller einen konsistenten Aufwand zur Fehlerbeseitigung sicherstellt, gibt er andere Probleme auf. Das wichtigste Problem ist die geschlossene-Schleife-Instabilität, wobei die Integralwirkung die Prozessvariable über den gewünschten Sollwert hinaus überschießen lässt. Dieses Problem wird außerordentlich schädlich, wenn der Regelprozess hochsensibel ist, da der Überschuss einen noch größeren Fehler in die entgegengesetzte Richtung erzeugt. Dies stößt einen weiteren Fehlerbeseitigungsprozess an.

Um dies zu beheben, nutzen Ingenieure analytische Techniken, um Integral- und Proportionalverstärkungen zu bestimmen, die perfekt für den Prozess passen.

Der Reset-Windup-Fehler

Wenn ein großer Steueraufwand verwendet wird, um einen Fehler signifikanter Größenordnung für einen Prozess zu mildern, dessen Aktuator zu klein ist, resultiert Reset Windup. Der Aktuator sättigt sich an einem spezifischen Wert entsprechend seinem maximalen Output und kann den Prozess nicht weiter beeinflussen. Der Bediener kann versuchen, das Problem durch Reduzierung des Sollwerts zu mildern, damit er in den Bereich fällt, den der Aktuator erreichen kann, aber das wird nicht funktionieren. Warum? Weil der integrierte Fehler zu diesem Zeitpunkt einen riesigen Wert erreicht hat und der Controller kontinuierlich versuchen würde, den Aktuator zu einer Reaktion über seiner oberen Grenze zu bewegen.

Wenn der Sollwert jedoch niedrig genug gesenkt wird, beginnt der integrierte Fehler zu sinken. Dies müsste mit einer Reihe negativer Fehler kombiniert werden, um die Wirkung der während der Sättigungsphase des Aktuators akkumulierten positiven Fehler aufzuheben.

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

Die Pre-Loading-Lösung

Reset Windup kann auch auftreten, wenn der Aktuator ausgeschaltet ist, während der Controller läuft. Beispielsweise bei einem Kaskadencontroller: Wenn der innere Regelkreis im Handbetrieb ist, hat er keine Wirkung auf den äußeren Regelkreis. Wenn der äußere Regelkreis weiterläuft, würde seine Integralwirkung „aufwinden“.

Eine einfache Lösung für dieses Problem ist, dass immer dann, wenn der Aktuator nicht läuft, der Integrator des Controllers ausgeschaltet werden sollte. Eine andere Lösung ist, den Sollwert zwischen den Chargen auf den Wert der Prozessvariable anzupassen. Aber es gibt bessere Methoden, Reset Windup zu beheben.

In einem Pre-Loading-Szenario wird der Integratorausgang des Controllers fixiert, sodass der Prozess den nächsten Batch mit dem Fehler startet, den er vom vorherigen Batch erworben hat. Mit Pre-Loading kann der Reset direkt vom vorherigen Batch fortgesetzt werden, was die Zeit verkürzt, die benötigt wird, um sich in einen konstanten Zustand einzupendeln.

Dies funktioniert am besten, wenn die Batches identisch sind, sodass der Controller jedes Mal denselben Sollwert erreichen muss. Wenn die Batches nicht identisch sind, muss ein mathematisches Modell verwendet werden, um die für die nächste Runde erforderliche Integralwirkung vorherzusagen. Dieser Ansatz funktioniert für einen kontinuierlichen Prozess, wenn er vor dem Start des Prozesses modelliert wird.

Die Bumpless-Transfer-Lösung

Pre-Loading kann jedoch zu einigen Hürden führen. Ein potenzielles Problem ist die abrupte Anpassung des Aktuatorausgangs zu Beginn jeder Runde, die den Aktuator beschädigen kann. Ebenso kann jeder Versuch des Bedieners, den Steueraufwand zu modifizieren, wenn der Controller von Automatik auf Handbetrieb und umgekehrt umgeschaltet wird, den Aktuator beschädigen.

Bumpless Transfer nutzt künstliches Pre-Loading, um diese Hürden zu lösen. Der Integrator wird mit dem Wert geladen, der zum Neustart der Bediener erforderlich ist, wodurch die Notwendigkeit entfällt, den Steueraufwand zu ändern. Der Controller müsste zwar immer noch Änderungen in der Prozessvariablen oder dem Sollwert berücksichtigen, aber es gäbe weniger einen „Stoß“ beim Wechsel in den Automatikmodus.

Deadtime-Komplikationen

Deadtime ist die Zeit, die die Prozessvariable benötigt, um sich nach einer Änderung des Steueraufwands anzupassen. Dies geschieht, wenn der Variablesensor zu weit stromabwärts vom Aktuator positioniert ist. Egal wie sehr der Controller versucht, den Fehler zu lindern, er kann ihn nicht verringern, bis sich die physikalischen Parameter des Sensors ändern.

Während der Controller versucht, die Fehler zu korrigieren, hören sowohl der Fehler als auch die Prozessvariable auf, sich zu bewegen, was zu einer aufgewickelten Integralwirkung führt, als wäre der Aktuator ausgeschaltet. Eine Lösung dafür ist die Verringerung des Integralgewinns, was die maximale Integralwirkung aufgrund von Windup verringert und Deadtime eliminiert.

Das Problem kann auch gelöst werden, indem die Integralwirkung mit einer Deadtime versehen wird, was dem Windup Pufferzeit zum Abklingen gibt. Eine Möglichkeit, diese Technik zu verbessern, besteht darin, intermittierende Intervalle zur Integralwirkung hinzuzufügen. Den proportionalen Aufwand für einige Zeit arbeiten zu lassen und dann die Integralwirkung einzuschalten, kann die Zeit verkürzen, die benötigt wird, bis der Fehler null wird.

Dies ist nur ein Beispiel für PID-Nutzung. PID-Algorithmen wurden stark modifiziert, um geschwindigkeitsbegrenzte Aktuatoren, Prozessvariablen-Messrauschen, zeitvariante Prozessmodelle und mehr zu berücksichtigen.

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