Praktyka inżynierska

Praktyka inżynierska – korzystamy z tego co mamy
Urządzenia realizujące:
- blok funkcyjny PID w sterowniku PLC
- moduł PID w sterowniku PLC
- regulator wielofunkcyjny
- prosty regulator cyfrowy
zadajnik
SP
e
regulator
CV
u
stacyjka
sterowanie
ręczne
PV x
elementy
pomiarowe
przetwornik
pomiarowy
zespół
wykonawczy
czujnik
pomiarowy
element
wykonawczy
element
nastawczy
obiekt (model)
Konfiguracja regulatora
• Nastawy
• Struktura algorytmu PID (ISA, IND, …)
• Strefa nieczułości
• Ograniczenie wartości na wyjściu
• Ograniczenie szybkości wzrostu wartości wyjścia regulatora
• Zabezpieczenie przed nasyceniem członu całkującego
• Stacyjka sterowania
• Typ sygnału wyjściowego (analogowy, impulsowy, binarny)
człon
różniczkujący
Td
Bias
SP
+
PV
Kp
Kp
ograniczenie
szybkości
znak
CV
człon
całkujący
1/Ti
1
Funkcje regulatora
• Algorytm PID
PID-IND (INDependent algorithm)
PID-ISA (Ideal Standard Algorithm)
• Auto-tuning (pre-tuning)
• Adaptacja (self-tuning, …)
• Komunikacja
• inne (sterowanie ręczne, lokalna wizualizacja i archiwacja, ...)
Auto-tuning (samonastrajanie)
• 1metoda ZiegleraZieglera-Nicholsa (odpowiedzi skokowej)
• identyfikacja modelu (przy otwartej pętli)
• nastawy wg tabel dla różnych klas obiektów
K0e − sT0
Ts + 1
h(t)
Regulator
Kp
Ti
PI
0,9T
K 0T0
3,33T0
PID
1,2T
K 0T0
2T0
Td
K0
t
0,5T0
T0
T
Uwagi:
• Esperyment Zieglera-Nicholsa (1942) zautomatyzowany w latach '70
(+) prosty eksperyment
(-) identyfikacja modelu obiektu przy rozwartej pętli regulacji
• PID-ISA
• A jeśli To≈0?
np.: https://engineering.purdue.edu/~zak/ECE680/Ziegler-Nichls_1942.pdf
2
Auto-tuning (samonastrajanie)
Ziegler-Nichols
kp
P
TC
h(t)
Td
1/a
PI
0.9/a
3τ
PID
1.2/a
2τ
t
Chien, Hrones, Reswick
Przereg.
0%
kp
TC
P
0.3/a
PI
0.35/a
1.2T
PID
0.6/a
T
K0
τ
τ/2
a
20%
kp
Td
TC
T
Td
0.7/a
τ/2
0.6/a
1.2T
0.95/a
1.4T
0.47τ
Cohen - Coon
Reg.
P
PI
kp
TC
1  0,35τ 
1 +

a 
1 − τ 
0.9  0.92τ 
1 +

a 
1 − τ 
PD
1.24  0.13τ
1 +
a 
1−τ




PID
1.35  0.18τ
1 +
a 
1 −τ




Td
3.3 − 3.0τ
τ
1 + 1.2τ
0.27 − 0.36τ
τ
1 − 0.87τ
2.5 − 3.0τ
τ
1 − 0.39τ
0.37 − 0.37τ
τ
1 − 0.81τ
τ=
τ
τ +T
Auto-tuning - SIPART
I.
II.
III.
IV.
V.
VI.
Sprawdzenie stałości PV przez okres 0,1 tU
Wmuszenie skokowe CV i zapis odpowiedzi skokowej
Zbadanie warunków wiarygodności eksperymentu
Obliczenie parametrów modelu Strejca G(s)=k/(Ts+1)n (dla 1<=n<=8)
Wyliczenie nastaw i sugestia algorytmu (PI lub PID)
Wybór algorytmu i akceptacja nastaw przez operatora
3
Auto-tuning (samonastrajanie)
• 2 metoda ZiegleraZieglera-Nicholsa (metoda cyklu granicznego)
• nastaw działanie proporcjonalne
• zwiększaj wzmocnienie i odczytaj okres oscylacji
• nastawy wg wzorów dla różnych regulatorów
Ti
Regulator
kp
P
0,5k pkryt
PI
0,45k pkryt
0,85Tosc
0,6k pkryt
0,5Tosc
PID
Td
0,12Tosc
Modyfikacja Pessena: kp=0,2kpkryt; Ti=0,33Tosc; Td=0,5Tosc
Modyfikacja Hanssena-Offereinsa (eliminacja pomiaru Tosc):
PI:
PID:
• ustaw tylko działanie P (Ti=max)
• zwiększaj kp do granicy stabilności;
• odczytaj kpkryt → ustaw kp=0,45 kpkryt
• zmniejszaj Ti do granicy stabilności;
• odczytaj Tikryt → ustaw Ti=3Tikryt
• dobierz nastawy dla działania PI
• zwiększaj Td (do Tdmax) do maksymalnego tłumienia
• ustaw Td=1/3Tdmax oraz Ti=4,5Tdmax
• zmniejszaj kp do uzyskania pożądanego tłumienia
np.: http://www.ceasiamag.com/article-2255-autotuningcontrolusingzieglernichols-Asia.html
Auto-tuning (samonastrajanie)
• 2 metoda Zieglera-Nicholsa – modyfikacja Äströma-Hägglunda
• przełącz na sterowanie dwupołożeniowe
• odczytaj amplitudę i okres oscylacji – Aosc, Tosc (ωosc = 2π / Tosc )
• nastawy wg uproszczonych wzorów Zieglera-Nicholsa
• dla małych opóźnień kp=0,5 Ti=4/ωosc
• dla dużych opóźnień: kp=0,25 Ti=1,6/ωosc
Karl Äström, Tore Hägglund, 1984, Institute of Technology Lund (Szwecja)
+ bez rozwierania pętli
- konieczność wprowadzania układu w stan oscylacji
np.: http://www.ceasiamag.com/article-2255-autotuningcontrolusingzieglernichols-Asia.html
4
Adaptacja
Układ z programowanymi zmianami parametrów regulatora
Układy z identyfikacją modelu
z pośrednią
z bezpośrednią
5
Self-tuning - algorytm adaptacyjny EXACT (FOXBORO)
I.
II.
III.
IV.
V.
Oczekiwanie na istotne zakłócenie tzn. o amplitudzie większej niż trzykrotny
poziom szumów – start algorytmu EXACT;
Rejestruje trzy kolejne amplitudy E1, E2, E3 oraz okres T.
Wyznacza przeregulowanie o=E1/E2 oraz tłumienie d=(E2+E3)/(E1+E2)
Porównuje o, d z zadanymi wartościami o*, d*
W razie konieczności koryguje nastawy
• Auto-tuning (pre-tuning)
• dobór nastaw przed uruchomieniem
• zatrzymanie procesu, eksperyment, zatwierdzenie nastaw
• Adaptacja (self-tuning, …)
• korekcja nastaw w trakcie pracy
• zmiana punktu pracy (układy nieliniowe)
• zmiana parametrów (niestacjonarność, zużycie, ...)
6