Tuning av PID-regulatorer

Av Dr. ing. Morten Christian Svensson

Ziegler-Nichols PID-tuningmetode er uegnet i prosessregulering, men vi presenterer aktuelle løsninger.

Altfor mange reguleringssløyfer står enten i manuell, eller er helt ute av tuning slik at de ikke reagerer som forventet på hendelser i sine omgivelser. I en artikkel om om virkemåten til PID-regulatoren definerte vi også doseringsfaktorer for henholdsvis P, I og D-delen. Doseringsfaktorene angir altså hvor stor dose av P, I og D-virkning vi vil ha i reguleringssløyfen vår. Dette må tilpasses hver sløyfe slik at vi får et best mulig samliv mellom prosess og regulator i både gode og onde dager.

Kjenn prosessen

Hva er reguleringssløyfens hovedoppgave? Dette er det første spørsmålet du må svare på, og svaret ligger i 2. lov: ”Du må kjenne din prosess før du kan regulere denne”. Hva er hensikten med prosessavsnittet? Hvilke forstyrrelser har vi, og hvordan varierer disse?

Artikkelen fortsetter etter annonsen

annonsørinnhold

Eva koder Norge tryggere: – Jeg var usikker på om jeg hadde ferdighetene som trengtes

Er settpunktet stort sett fast, eller vil dette variere (kaskaderegulering, overordnet settpunktsoptimalisering, etc.)? Hvor ulineær er prosessen? I hvilket driftspunkt bør vi tune? Hvilken metode skal vi bruke ved tuning av regulatoren? Hvilket kriterium og forutsetninger er metoden basert på? Spørsmålene er mange, og du må kjenne svaret på de fleste for å få til god regulering.

Ziegler-Nichols?

Hva er god regulering? Rundt dette spørsmålet hersker det mye forvirring. Ziegler-Nichols var tidlig ute med sine tuningsmetoder, og det er disse som presenteres i de fleste lærebøker i dag. Undersøkelser har vist at disse metodene ikke er egnet i prosessindustrien, da de er for oscillerende og for lite robuste.

Ulineære prosesser!

Artikkelen fortsetter etter annonsen

annonse

Norge har verdens høyeste strømforbruk: - Vi kan ikke bare bygge oss ut av strømkrisen

Rask, robust eller ustabil regulering? Vi ønsker en rask og nøyaktig regulering, men som de fleste av oss har erfart, risikerer vi ustabilitet dersom vi har for høye forventninger til raskhet. I den tradisjonelle, lineære reguleringsteknikken er dette den eneste avveiningen som gjøres; raskhet versus ustabilitet.

I praktisk prosessregulering, derimot, har vi 3. lov som sier: Alle prosesser er mer eller mindre ulineære. Det er denne ulineariteten vi må legge inn ekstra sikkerhetsmarginer for.

Ulineariteten avhenger av driftspunkt, forstyrrelser og hvor dyktig du er til å linearisere (se ”Ulineariteter som hjelpere”, referert ovenfor). Du må nå vite hvilke driftspunkt som er minst stabile (”worst case”) og hvilke som er mest stabile (”slow case”). Tommelfingerregelen er å tune i ”worst case” og akseptere et ”slow case”. Gjør du det motsatt, risikerer du ustabilitet i ”worst case”, altså et ”bad case”.

Tuningsmetoder

Den tuningsmetoden de fleste bruker kalles WAG (Wild Ass Guess), og består stort sett i å skru mer eller mindre tilfeldig på doseringsfaktorene for P, I, og D-delen. Dersom du er en WAG’er, så bruk heller felttuningsmetoden presentert til slutt i denne artikkelen.

Den noe mer vitenskapelige metodegruppen kalles SWAG (Sientific Wild Ass Guess), og her finnes det et utall av metoder som er mer eller mindre egnet i praktisk prosessregulering. Prosedyren for disse metodene kan grovt sett deles inn i to:

1. Bestem dynamisk oppførsel til prosessen (åpen sløyfe) eller reguleringssløyfen (lukket sløyfe). Eksempler, på størrelser som beskriver den dynamiske oppførselen, er tidsforsinkelse (dødtid), første og høyere ordens tidskonstanter, prosessforsterkning, kritisk forsterkning, kritisk periodetid, etc.
2. Beregn regulatorparametere ut fra de karakteristiske størrelsene funnet under punkt 1.

Mange regulatorer har i dag auto-tuningsfunksjoner. Den vanligste metoden er relay-tuning, som introduserer små svinginger i reguleringssystemet, og som deretter beregner kritisk forsterkning og periodetid. Tilslutt beregnes regulatorparametere ut fra et valgt kriterium.

Felttuningsmetode

Det kan være upraktisk, tidkrevende og vanskelig å finne kritisk forsterkning og periodetid. Enkelte prosessavsnitt er også ofte utsatt for varierende forstyrrelser, slik at det er vanskelig å avlese nøyaktig en FOPDT (første ordens pluss dødtid) modell. Du sitter da igjen med et begrenset utvalg metoder. Følgende felttuningsmetode, for en PI-regulator (ISA), kan da anbefales:

1. Start med ren P-regulator, og øk forsterkningen til du får ønskede svingninger ved settpunktsendringer. Bruk manuell reset for å fjerne stasjonært avvik, og påse at regulatoren ikke er av type I-PD. Dersom regulatoren har hastighetsbegrensning på settpunktsendring, kan du eventuelt svitsje mellom auto og manuell.
2. Doser nå inn I-virkning slik at regulert størrelse svinger inn jevnt rundt settpunktet.
3. Da I-virkning destabiliserer, må du nå redusere forsterkningen noe (ca. ti prosent).
4. Test responsen og foreta finjusteringer slik at du får ønsket dempning i sløyfen.

Happy Tuning! ;-)