За пределами ПИД: стратегии улучшения качества управления

Пропорционально-интегрально-дифференциальная (ПИД) схема управления — это популярный подход, используемый в программируемых логических контроллерах (ПЛК) и распределенных системах управления (РСУ) для контроля сложных процессов и управления динамическими промышленными системами. Многие доступные в Интернете ресурсы посвящены основам настройки и методам настройки контура управления, используемым для контроля ошибок и минимизации колебаний процесса, включая выбор начального коэффициента усиления, использование деривативного регулирования, настройку ПИД-контроллера по времени отклика, уменьшение перерегулирования и многое другое.

Хотя ПИД-регулирование является хорошим вариантом для большинства промышленных систем управления, иногда его недостаточно для работы со сложными системами, которые невозможно свести к простой заданной уставке (SP), переменной процесса (PV) и управляющей переменной (CV) (рисунок). У некоторых систем бывают продолжительные периоды «мертвого времени», то есть времени, необходимого для того, чтобы изменение CV привело к заметному изменению PV. ПИД-регулятор наиболее эффективен для процессов, линейных в своем диапазоне регулирования, поэтому процессы с нелинейной реакцией, такие как pH, могут оказаться трудно управляемыми с помощью ПИД-контура.

Рисунок. Базового пропорционально-интегрально-дифференциального (ПИД) управления часто достаточно для решения задач управления технологическими процессами, однако существуют и другие инструменты, расширяющие его возможности.
Изображение предоставлено Maverick Technologies

Настройка приборов

Хорошо настроенные приборы улучшают работу ПИД: ввод PV в ПИД-регулятор позволяет управлять всем, что происходит в остальной части контура регулирования. Зашумленное измерение сделает расчет ошибки (разницы между SP и PV) нестабильным. Если дифференциальное управление получает значительное изменение или колебание ошибки в течение одного цикла сканирования входов и выходов (I/O), то производная окажется гигантской и CV будет немедленно переведена в минимальное или максимальное значение. Регулировка или замена прибора, создающего шумную PV, может превратить нестабильный контур управления в хорошо работающую систему.

Фильтрация сигнала

Следует убедиться, что ПИД использует чистые данные: некоторые свойства процесса являются шумными, и приборы точно регистрируют этот шум. Одним из способов борьбы с шумом становится фильтрация сигнала. При этом к PV применяется временной фильтр, заменяющий мгновенное значение сигнала значением, усредненным за определенный промежуток времени.

При выборе схемы фильтрации необходимо стремиться к тому, чтобы сохранить как можно больше значимого сигнала, устранив при этом шумы. Важно помнить, что интегральный член ПИД-регулятора представляет собой отфильтрованную по времени оценку ошибки, поэтому фильтрация, по сути, применяется дважды. Некоторые контуры управления настроены слишком агрессивно для шумной PV, которой они пытаются управлять. В таком случае уменьшение коэффициента усиления для отмены настройки ПИД-регулятора будет работать лучше, чем фильтрация сигнала.

Фильтрация сигналов может скрыть важную информацию о процессе от операторов и контуров управления, поэтому применять ее следует осторожно и целенаправленно.

Каскадное управление

Другой способ управления сложной PV заключается в использовании одной ПИД для управления другой ПИД, что известно как каскадное ПИД-регулирование. Приоритетная PV подается на медленно действующую первичную ПИД, которая посылает динамическую SP на быстродействующую вторичную ПИД, управляющую другой, вторичной PV, которая затем воздействует на первичную PV через взаимодействие процессов. Например, давление в паровом теплообменнике — это быстро изменяющееся свойство, и его можно регулировать для управления медленно изменяющейся температурой жидкости, выходящей из теплообменника. Управление вторичной PV — давлением — быстрее приводит первичную PV-температуру к ее значению SP и удерживает ее на этом уровне с минимальными или нулевыми колебаниями, которые могли бы возникнуть при использовании одного ПИД-регулятора для непосредственного управления температурой.

Управление с опережением

Иногда разработчики систем управления точно знают, как будет реагировать PV на изменение CV, и могут закодировать это знание в стратегии управления. В широком смысле это называется обратной связью. ПИД-система по своей сути является схемой с обратной связью, в которой CV изменяется, а результирующее изменение PV измеряется для расчета нового значения ошибки. В схеме с обратной связью изменение CV используется в логике управления для расчета ожидаемого изменения значения ошибки, которое применяется в логике ПИД-регулятора. Многие современные логические объекты ПИД-регулирования содержат вход для данной опережающей составляющей, которая обычно имеет собственную константу настройки коэффициента усиления. Часто, если пропорционально-интегральный (ПИ) контроллер испытывает трудности, предпочтительным способом его улучшения является добавление некоторого опережающего сигнала вместо добавления дифференциального управления, если можно определить подходящую главную переменную опережающего сигнала.

Планирование усиления

Для процессов, нелинейных в предполагаемом рабочем диапазоне, ПИД-регулирование все же можно использовать, если каждый сегмент рабочего диапазона имеет, по сути, линейный отклик. Коэффициенты пропорциональности, интегральное и дифференциальное усиление могут быть определены для каждого сегмента и затем запрограммированы на изменение в ПИД-объекте по мере движения процесса по различным линейным областям. Такой способ часто называют планированием усиления. При планировании коэффициентов усиления следует соблюдать осторожность и обращать особое внимание на границы между режимами усиления. Если процесс часто работает вблизи границы, следует изменить график усиления, чтобы избежать постоянного переключения между режимами усиления.

Модельно-предсказательное управление

Модельно-предиктивное управление использует современные контроллеры для помощи процессам: в современные ПЛК и РСУ устанавливаются более быстрые центральные процессоры (ЦП). Возможно, кто-то помнит те далекие времена, когда приходилось тщательно управлять использованием памяти контроллера и тактовыми циклами, чтобы избежать сбоев в работе контроллера или пропуска процедур. Современные контроллеры оснащены процессорами с впечатляющими вычислительными возможностями, что позволило открыть инновационную схему управления, получившую название модельно-прогнозируемого управления (МПУ). В МПУ инженеры системы управления совместно с экспертами по физическому процессу разрабатывают его математическую модель, которая закладывается в контроллер. Такая модель процесса в реальном времени позволяет логике управления предсказывать все изменения PV для различных настроек CV на протяжении всего процесса. Эти прогнозы используются для определения оптимальных изменений CV, необходимых для достижения желаемого общего состояния процесса.

Заключение

Для управления сложным процессом или динамической промышленной системой часто достаточно базового ПИД-регулирования, но это далеко не единственный доступный инструмент. Существует множество различных способов управления этими процессами и системами. Комбинируя эти варианты, можно добиться результатов, необходимых оперативному персоналу и соответствующих требованиям производства. Когда кажется, что процесс обречен на колебания и требует постоянного активного контроля со стороны производственного персонала, следует рассмотреть описанные в статье передовые стратегии управления. Они способны превратить самый сложный процесс в надежную, высокопроизводительную, практически незаметную часть бесперебойно работающего предприятия.