OSNOVE SAMOPODESIVE REGULACIJE I ISPITIVANJE PID PETLJE

Transcription

1 9 th International Scientific Conference on Production Engineering DEVELOPMENT AND MODERNIZATION OF PRODUCTION OSNOVE SAMOPODESIVE REGULACIJE I ISPITIVANJE PID PETLJE Zijad Mustedanagić, Nedjeljko Perić Tehnički fakultet Bihać, I. Ljubijankića bb, Bihać, zijad mustedanagic@hotmail.com Fakultet elektrotehnike i računarstva, Unska 3, Zagreb, nedjeljko.peric@fer.hr Ključne riječi: nelinearni sistemi, adaptivno upravljanje, adaptivno upravljanje sa samopodešavajućim regulatorom, samopodešavajući parametri, algoritam upravljanja, nelinearni proporcionalno-integralno-dif. reg., PID petlja, samopodešavanje PID regulatora, self-tuning control. SAŽETAK: Iako proporcionalno integralno - derivativni regulatori ili "PID petlje" su de facto standardni i u industriji se koriste više od 65 godina, to ipak nije uvijek jednostavno za korištenje. Da bi se potpuno iskoristili potencijali PID zakona upravljanja, parametri regulatora se moraju izabrati tako da budu zadovoljeni postavljeni zahtjevi, a zatim povremeno ponovo podesiti da bi se održalo željeno ponašanje u petlji upravljanja. "Automatski" regulatori mogu pomoći automatskim generiranjem odgovarajući samopodešavajućih parametara na zahtjev funkcije nadzora, operater treba samo pritisnuti gumb i gledati kako regulator podešavajućih funkcija ostvaruje proces do zadovoljavajućeg nivo, ulazno / izlazni podaci su dostupni i mogu kvantificirati proces u prirodno ponašanje. Podešena funkcija sada može preporučiti set P, I i D parametara. Podešavanje parametara će proizvesti zatvorena petlju nakon funkcije povratne sprege i online identifikacije. Većina automatski podešavajućih tehnika jednostavno oponašaju korake kako bi iskusni inženjer regulaciju izvršio prije dovođenja petlje na liniji za prvi put. Kontinuirano samopodešavanje je teže i izazov je, jer podešavanje i kontrolne funkcije rade istovremeno. Regulator mora nastaviti održavati proces varijabli određene razine i pokušati prepoznati kako se proces promjenjivo ponaša na regulaciju. Nažalost, to su nekad razmimoilazeći ciljevi. Održavanje konstantnim varijable procesa, onemogućava podešenu funkciju bilo kakvih korisnih uvida u ponašanje procesa i kako će proces reagirati na regulaciju odstupanja u svrhu upravljačke funkcije. Srećom, tu su u toku redovnog ispitivanja petlje zatvorene kada se reguliše opterećenje i proces. Promjenjivo je variranje, a većina samopodešavajućih petlji su dizajnirani tako da iskoriste te situacije. Kod tekućih problema potrebno je online praćenje i podešavanje PID petlje. U mnogim drugim slučajevima PID regulacije se već dokazalo da su odgovarajuće, i ništa što je komplikovano oko njene primjene je opravdano. Za bilo koji razlog, kada je PID regulacija strategija izbora, iako je još uvijek istina da se uvjeti mogu promijeniti, ostati "dobro podešen" je vrlo važno, a loše podešena petlja može imati značajan negativni ekonomski utjecaj. RIM

2 1. UVOD Z. Mustedanagić, N. Perić Osnove samopodesive regulacije i ispitivanje PID petlje Samopodešavajući regulator (Eng. self -tuning controller) uključuje tradicionalnu funkciju PID regulacije, kao i samopodešavajuću funkciju koja pokušava održati optimalnim zatvorene petlje kada nastupa kontinuirano podešavanje P, I i D parametara. Samopodešavanje regulatorom je slično, osim da obavlja svoju operaciju samo jednom, zatim inicira zatvorene petlje i regulaciju koristeći izračunate parametre. Mnogi komercijalni PID regulatori uključuju automatsko podešavanje i samopodešavajuće opcije, i mnogi prodavači koriste ove dvije opcije kao zamjena jedna drugoj. Zadana promjena pruža posebno vrijednim demonstraciju procesa za ulaz / izlaz ponašanje. Sa korištenjem petlje samopodešavajuća funkcija može prikazati kako će proces varijabli reagirati na svaku regulaciju kao funkcija nadzora i pokušati postići novu zadanu vrijednost koristeći svoje trenutne podešavajuće parametre. Ako je reakcija previše spora, podešavajuća funkcija može zamjeniti brže podešene parametre ili obratno [1,3,5,7]. 2. PREDVIĐENI I POREMEĆAJNI TUNING (PONAŠANJE) Jedan od načina da se to postigne je podešavanje cijele zatvorene petlje sistema kao jedan proces i promjene zadane vrijednosti kao korak testa (Slika 1), koji donosi ukupnu dobit i vrijeme konstantno (e) za zatvorene petlje sistema. Odgovarajuće vrijednosti za otvorene petlje procesa bi se mogle izvesti iz tih rezultata, a novi podešavajući parametri mogu se izračunati pomoću bilo kojih poznatih podešavajućih pravila. Yokogawa UT100 je regulator temperature koji sadrži varijacije za ovaj postupak koje se temelje na Ziegler-Nichols koraku kao odgovor podešavajućih pravila. Nažalost, promjene zadane vrijednosti imaju tendenciju da se rijetko u mnogim aplikacijama regulacije procesa u kojem regulatora je cilj održavanje zadanog pritiska, razine, protoka, temperature ili na jednoj specifičnoj vrijednosti konstantne. Predviđeno podešavanje je korisnije u serije vrijednosti, kao što su višefazni sistem grijanja i hlađenja operacijama u kojima se zadane vrijednosti mijenjaju češće. Slika 1: Osnovni self-tuning controller Ponovo podešavanje petlje temelji se na procesu u reakciji na smetnje. Regulacija rada i procesa varijabli se ne mijenjaju i oni kao kontrolna funkcija pokušavaju kompenzirati poremećaje, ali to nije uvijek moguće, jer sam postupak promjenjivo reagira na regulaciju rada, dodatne poremećaje, mjerenje buke, ili kombinaciju nekih [1-2,4]. Ako podešena funkcija pretpostavlja da su sve procesne varijable nejasne zbog regulacije rada, onda bi razumijevanje procesa ponašanja moglo završiti iskrivljeno, a podešavanje parametara bi se moglo pokazati da je još daleko od optimalnog. 298 RIM 2013

3 2.1. Operator nadzor tuning funkcija Nakon promatranja dodatnih poremećaja podešavanje je počelo, operator može prekinuti podešavajući rad i čekati još jednom usamljene smetnje koje dolaze zajedno. Međutim, on zahtijeva intervenciju i jedno je od glavnih svrha inače autonomne samopodesive regulacije. Način da se eliminiše potreba za operatorom presude je omogućiti podešenu funkciju tek kada regulacija rada i proces promjenjivo su dostigli "granični ciklus" ili ga "traže". Granica ciklusa nastaje kada naglo podešavanje uzrokuje kontrolnu funkciju više reagiranja na pogrešku između procesa varijabli i zadane vrijednosti [6-8]. Regulacija vodi problemu toliko velikom, jer uzima varijable prošlosti zadane vrijednosti, što je rezultiralo novom pogreškom jednako velikom kao original, ali u suprotnom smjeru. Funkcija nadzora tada obrće tok i ponavlja pogrešku, što uzrokuje niz dobivenih oscilacija. Granični ciklus (Slika 2) lako otkriva pretpostavke da je ponovo podešavanje potrebno, što daje veliki broj podešenih funkcija ulaznih / izlaznih podataka za rad prilikom izračunavanja poboljšanog skupa parametara. Slika 2: Ograničeni ciklus tuning Neki samopodešavajući regulatori čekaju granični ciklus da se dogodi prije nego što se pokuša ponovo podesiti petlja. Aktuelne podešavajuće parametre i interval od graničnih ciklusa (Tu) potrebno je ponovo podesiti pomoću petlje od Ziegler-Nichols konačno osjetljive metode Automatski, ali ne i jednostavno postignuti rezultati Nije iznenađujuće da većina istraživača samopodešavajuće tehnologije ustručava se objaviti tačno kako su postigli sve te vrijednosti i funkcije. I premda je osnovni PID algoritam nadaleko poznat, mehanizmi kojima posebno samopodešavajući regulator analizira dostupne ulaz / izlaz podatke i generira podešavajuće parametare je općenito previše složeno da se objasni pojednostavljeno [9-11]. To može biti problem za inženjera, koji je suočen s mogućnošću provjeravanja regulacije nad svojim procesom za nepoznatu "crnu kutiju". Slika 3: Online self-tuning PID controller RIM

4 Nije moguće sa sigurnošću tvrditi unaprijed da li će određena samopodešavajuća tehnologija (Slika 3) zapravo raditi za određenu primjenu. Slučaj povijesti može pomoći uspostaviti kredibilitet za datog proizvođača strategije, ali izvedba ne može biti zajamčena. Neizvjesnost u samopodešavajuće tehnologije postalo osobito vidljivo kada samopodešavajuća funkcija generira svaki novi set podešenih parametara. Ukoliko operator provjerava rezultate prije nego što su provedene ili samopodešavajuća funkcija nekako zna da li ili ne to generira pouzdanom rješenju, možda postoji vrijeme kada je za novo podešavanje parametara slijedeća petlja lošija, a ne bolja. 3. SAMOISPITIVANJA PID PETLJE Jedan od osnovnih strategija za procjenu petlje podešavanja uključuje mjerenje petlje i dobivanje faznog pomaka, a ovisno o frekvenciji (Slika 4). Nažalost, nije moguće mjeriti frekvencijski odziv ako nije prisutno stalno mjerenje poremećaja. Ako prirodni poremećaji nisu prisutni, umjetni poremećaji moraju biti uvedeni. Razmatranja prilikom vršenja test petlje traže odgovor: kako spojiti i isključiti instrumente test za generiranje odgovarajućeg poticaja, kako se provode testovi, kako se rezultati ispitivanja bilježe i prijavljuju, kako se rezultat / faza raščlanjuje, regulatorom postignuta podešenja se moraju prilagoditi i nastup novog podešavanja mora biti ovjeren. Slika 4: Samoispitivanje PID petlje Dok PID regulacija sama može biti jednostavna, količina napora kako bi se podržao odgovor na testiranje može biti vrlo velika.. Cilj samoispitivanja PID regulacije je integrirati važne dijelove ispitivanja i podatke prije obrade u samom regulatoru. 300 RIM 2013

5 3.1. Uzbude, signali za test Za mjerenje frekvencijskog odziva, potrebno je uporediti izlaz na određenoj frekvenciji na uzbude ulaza sa tom istom frekvencijom. Konvencionalna praksa je da se sve frekvencije nalaze u odgovarajućem pojasu. Kako objasniti ovu pojavu, potrebno je prvo uzeti u obzir ono "relevantna skupina" je, s obzirom na PID regulaciju petlje. Nyquistov kriterij kaže da signal ne može biti rekonstruiran, osim ako postoje najmanje dva uzorka po ciklusu za najviše frekvencije signala prisutnih u skupu. No, većina digitalnih implementacija PID regulatora ne koristi da razradi interpolacije filtara potrebnih za rekonstrukciju signala s rijetkim primjerima sekvenci. Izlazne vrijednosti (Slika 5) su poslane na čekanje prvog reda, što je rezultiralo u stepenice - pojava izlaznog niza. Ova slika pokazuje ažuriranja signala za frekvencije koje su u skladu s teorijskom granicom, i ona je više nego za faktor 2 manja nego što je potrebno. Slika 5: Signal za test sa teorijskom granicom Da li izlazni signal izgleda nešto poput željenog kontinuiranog signala? Vrlo je poželjno da ima 10 ili više uzoraka po svakom kvadrantu signala. 10 ili više uzoraka po četvrti signal znači 40 ili više uzoraka po signalima - kompletan ciklus, ili 5% od teoretske granice. Frekvencije iznad 10% od Nyquist granice mogu biti problem. Slika 6: Signal za test sa više uzoraka Mi također ne želimo nagle trzaje izlaza iz sistema. Očekujemo kontrolisano niskopropusno obilježje, tako da se mali korak - rubovi izglade (Slika 6). To znači, da frekvencije puno više od 10% od Nyquist granice i nisu poželjne u signalima sustema kao izlaz. Ako petlje kao odgovor pokazuju visoku razinu signala energije na višim frekvencijama, uzorkovanje je vjerojatno prenisko. Testni signal treba da ima neke vrlo poželjne osobine: energija signala je ograničena na ispod 20% od Nyquist frekvencije, nema impulsa, koji bi mogli dovesti velikim oscilacijama u sustemu i nepoželjne buke, ometanje signala je potpuno uravnoteženo, tako da se može kretati na vrhu postojeće statičke karakteristike signala u zatvorenoj petlji, RIM

6 pobuda ravnomjerno raspoređena kroz relevantne skupine, smetnje energija distribuira u toku vremena izvođenja, tako da amplituda može biti znatno manja nego kod impulsnih ispitivanja, čime je veća količina energije s manjim procesima prekida i faze frekvencija na mjerodavnom skupu su odabrani kako bi se smanjili vrhovi, za najbolji omjer signala i šuma u ograničenom rasponu. 4. ZAKLJUČAK Loša izvedba upravljačke funkcije često dovodi do više dramatičnih promjena upravljačkog napora i procesnih varijabli, što pak daje podešenu funkciju sa puno više korisnih informacija za rad. Ipak, to je korisno ako podešena funkcija može prepoznati probleme i označiti upitne rezultate. Honeywell Univerzalni digitalni kontroler opremljen algoritmom Accutune III zna kad ima kompjutorizirane P, I i D parametre koji nisu realni i tako obavještava operatera. Iako samopodešavajuću tehnologiju još treba usavršiti, njene prednosti mogu biti vrijedno rizika. Proces koji pokazuje vremenom promjenjiva ponašanja zbog dugoročnih učinaka, kao što su trošenje sredstava ili fluktuacije u vanjskim uvjetima, može biti teško kontrolisati s fiksnim skup podešavajućim parametrima. Samopodešavajući regulator može pratiti promjenjive veličine u procesu i vremenske konstante, i prilagoditi svoje podešavanje. Čak i stacionarni proces može pokazati varijabilne vrijednosti i vremenske konstante ako je dovoljno nelinearan. Samopodešavajući regulator, koji može otkriti povećane vrijednosti kod procesa kao serije je blizu da se može neutralizirati i vratiti unazad svoje podešavanje u skladu sa tim. Podešavajuće pravilo da se primijeniti za postavljene PID veličine, kao kompromis između stabilnosti, brzine i buke. 5. LITERATURA [ 1] Anderson, G., Sadikovic, R.: Self - Tunning Controller for Damping of Power System, http: / /global /, Conference, IEEE Power System Society, General Meetinng, Montreal, Canada, [ 2] Jegeš, Z., Maravić-Čisar, S., Biacs, G.: Nelinearni i adaptivni sistemi, http: / Subotica, [ 3] Petrović, I., Perić, N., Branica, I.: Self Tuning PID Controller Based on he Estimation of Process Ultimate Point, CD - ROM Proceedings of IEEE 9th Mediterranean Conference on Control and Automation, KoREMA, Paper no. 135, (5 pages), Zagreb, [ 4] Stanković, Lj.: Adaptivni sistemi, Modifikacija LMS algoritma, i njegova primjena na identif. sistema, Podgorica, [ 5] Zhang, J. Z. and Chen, J. C. and Kirby, E. D. (2007). Surface roughness optimization in an end-milling operation using the Taguchi design method. Journal of Materials Processing Technology, 184, 1-3, , (2007), ISSN [ 6] Zuperl, U. and Cus, F. and Milfelner, A. (2005). Fuzzy control strategy for an adaptive force control in end-milling. Journal of Materials Processing Technology, 164, , (2005), ISSN [7] Wen Yu: Noise estimation and self - tunning controller, http: / ~YuW/, Control Automatico, CINVESTAV-IPN, [ 8] Adaptivno upravljanje, [ 9] http: / ba /, Nonlinear and changing. When your problem is really tough, you really need onboard intelligence. An example from a batch fed bio-reactor application, [10] http: / ba /, Online Self-Tuning PI Controller.Try this with your ladder-logicplc a PI-controller that tests and tunes itself online, [11] http: / ba /, Self-testing control loops. When simplistic tuning rules are unreliable, consider a controll. that tests its own loop gain and phase response automati., RIM 2013