Статья журнала "Промышленные АСУ и контроллеры" №6 2005 г:
"Не мешайте регуляторам работать!"
Илья Геннадьевич Варламов
руководитель департамента САР "НПО ТЕХНОКОНТ".
Телефон: (495) 652-91-60.
E-mail:
http://technocont.ru
Михаил Михайлович Кузнецов
начальник лаборатории АСУТП цеха КИПиА ОАО "Воскресенские минеральные удобрения".
Телефон: (244) 4-07-35.
 Не мешайте регуляторам работать! (pdf, 473 Кб) - версия статьи для сохранения на компьютер.
Для просмотра PDF-файла не нужно ничего, кроме самого файла и бесплатной программы Acrobat Reader
Статья посвящена одной из главных бед прикладного регулирования — необоснованному ослаблению настроек ПИД регуляторов.
The paper discusses one of the main troubles of regulatory controls — unjustified PID controller detuning.
В рамках информационной компании "Регулирование - дело тонкое", проводимой специалистами "НПО ТЕХНОКОНТ" и посвященной практическим аспектам методологии наладки САР, появилось и было разослано на некоторые предприятия электронное эссе "Не мешайте регуляторам работать!", автором которого является И.Г. Варламов. Как специалист-практик с огромным опытом, М.М. Кузнецов этот материал, совершенно ожидаемо, не оставил без внимания. После совместного обсуждения проблематики авторы сочли чрезвычайно полезным для многих инженеров-наладчиков ознакомиться с этой перепиской, которую приводят с сохранением хронологии, без исправлений и купюр, но с совместным разделом выводов по предмету обсуждения.
Варламов И.Г.: Перед началом работ по настройке регуляторов на одном предприятии мы задали вопрос руководителю, какое качество регулирования он хочет получить, и какой критерий для него будет свидетельствовать о качественной настройке регуляторов. "Главное, - сказал он, - чтобы регуляторы работали всегда, и операторы не снимали их с "автомата"!" Вот, именно так! Ни минимальная динамическая ошибка, ни скорейшая ликвидация последствий возмущения, а именно - "чтоб не снимали с автомата"!
Почему нормальное состояние регулятора возведено в ранг критерия качества регулирования? По какой причине регуляторы должны снимать с автомата? Нам это показалось немного странным, но мы тогда не придали должного внимания этой реплике. Забегая вперед, скажем, что все регуляторы, о которых шла речь, были нами настроены должным образом и, насколько нам известно, работают постоянно, по сей день. Было это несколько лет назад. С тех пор, посетив десятки предприятий и организаций, мы убедились, что эта проблема принимает в некоторых случаях размер стихийного бедствия. А именно: плохо настроенные, слабо настроенные регуляторы неспособны за короткое время и с минимальным отклонением регулируемой переменной ликвидировать последствия сильного возмущения. Как следствие, в случае возникновения такого возмущения оперативный персонал снимает регулятор с автоматического режима работы, вручную выводит процесс на нужный режим, а затем снова переводит регулятор в автомат.
Причины сложившегося положения, на наш взгляд, следующие. На некоторых предприятиях вообще не уделяется внимание проблеме качественной настройки регуляторов. Нет специально выделенного человека, занимающегося регулированием, а настройкой регуляторов занимается первый, "кто под руку попадется". "Иди посмотри - там что-то технологи жалуются". В результате регуляторы настраиваются "абы как", лишь бы хоть как-то работали. Говорить о качестве регулирования в такой ситуации не приходится.
Другая причина заключается в заблуждении многих наладчиков относительно критерия оценки качества настройки и цели работы регулятора. Ведь подавляющее большинство регуляторов на производстве работает в системах стабилизации. Это означает, что при возникновении возмущения регулятор должен выработать такое управляющее воздействие, чтобы регулируемая переменная как можно быстрее вернулась к заданному значению. Наладчики, о которых идет речь, оценивают переходный процесс при смене задания регулятору, - а это совсем другая задача, не имеющая отношения к работе регулятора в режиме стабилизации!
Приведем пример из недавнего опыта. На одном из предприятий (из этических соображений не будем приводить его название) мы проводили работы по настройке регуляторов. езультаты рассмотрим на примере регулятора температуры перегретого пара. Исходные настройки регулятора: Кр = 1,3 Ти = 180. В "штатном" режиме работы технологической установки при отсутствии сильных возмущений отклонение температуры от задания наблюдалось в пределах 3 °С в обе стороны.
Рис. 1.
Рис. 2.
Верхняя пара графиков показывает процессы при смене задания регулятору. Нижняя пара - с тем же объектом и тем же регулятором, но при возмущении по нагрузке. В каждой паре графиков верхний отображает поведение регулируемой переменной, нижний - исполнительного механизма. Чего же мы добились, ослабив регулятор? Еще раз отметим: основная задача регулятора - отрабатывать возмущения по нагрузке, т.е. работать в режиме стабилизации. Обратите внимание на второй график снизу (рис. 1). При возмущении по нагрузке с ослабленным регулятором выбег (максимальное отклонение) регулируемой переменной увеличился вдвое, время регулирования - в 8 (!) раз (по сравнению с оптимальными настройками).
Оказывается, основное требование местного наладчика заключалось в том, чтобы при смене задания регулятору не было бы резких и существенных перемещений ИМ, а "задание операторы изменяют достаточно часто". Нас заинтересовал этот факт, и мы попробовали разобраться в сложившейся ситуации. Выяснилось, что по требованию технологии температура всегда должна быть равна определенному значению. Это значение неизменно, других технологических режимов не предусматривается. Зачем же операторы часто меняют задание, если технологический регламент не подразумевает подобных действий? Ответ был просто потрясающим: "Операторы помогают работать регулятору!".
Что же происходит? Чтобы это понять, напомним, что исходные настройки были еще слабее: Кр = 1,3, Ти = 180. Обратите внимание на переходные процессы с такими настройками (рис. 2).
Процесс при возмущении по нагрузке (рис. 2, второй график снизу) имеет втрое больший выбег (максимальное отклонение) регулируемой переменной по сравнению с процессом при оптимальных настройках, а время регулирования - больше в 65 (!) раз. Эти переходные процессы трудно даже сравнить в одном масштабе, т.к. процесс с оптимальными настройками на графике практически не виден! Чего же ожидать от такого регулятора? Вот и получается, что в отсутствии сколько-нибудь существенных возмущений регулируемая переменная как-то дрейфует в районе задания. Но при возникновении сильного возмущения регулируемая переменная значительно отклоняется от задания, а слабо настроенный регулятор очень медленно, еле-еле тянет ее назад к прежнему значению. И операторы начинают ему "помогать", меняя задание на заведомо большее значение, чтоб хоть как-то ускорить процесс. А значительные перемещения ИМ (по словам обслуживающего персонала) нежелательны, т.к. он управляет расходом конденсата, подаваемого на впрыск. Этот конденсат, в свою очередь, проходит несколько стадий предварительной подготовки. На каждой стадии имеются свои устройства (подогреватели и т.д.), на которых также работают регуляторы. Эти регуляторы не справляются со значительным изменением расхода конденсата. Конечно, не справляются! Они ведь настроены точно так же!
Кроме того, резкий скачок положения ИМ при оптимальных настройках наблюдается только при смене задания регулятору (рис. 1, второй график сверху). При возмущении по нагрузке (рис. 1, нижний график) движение ИМ имеет более плавный характер. И это при том, что моделируется самый тяжелый для регулятора случай - ступенчатое возмущение по нагрузке. В реальной жизни такие, строго ступенчатые, возмущения - большая редкость. Как правило, возмущения сами по себе имеют некоторую динамику, да к тому же еще и проходят через ряд объектов, прежде чем оказать влияние на регулируемую переменную. Например, в нашем случае основным возмущением является изменение паропроизводительности котла, что никак не может произойти ступенчато. В итоге, при возмущении по нагрузке с оптимальными настройками такой "картинки", как при моделировании, не будет. езкого перемещения ИМ при возмущениях по нагрузке не будет. Зато регулируемая переменная удержится на заданном уровне несоизмеримо лучше, нежели при слабых настройках регулятора, т.е. регулятор будет оптимальным образом выполнять свое прямое предназначение - обеспечивать режим стабилизации.
А вывод регулируемой переменной на новое задание - совсем другая задача, не имеющая ничего общего с задачей стабилизации. Делать выводы о качестве регулирования по переходному процессу, который является следствием изменения задания, - поставить с ног на голову саму задачу регулирования. Это вовсе не означает, что при настройке регулятора задание нельзя трогать вообще. Современные средства настройки позволяют обрабатывать процессы, возникшие в связи с возмущением по нагрузке, так и процессы, являющиеся следствием изменения задания регулятору. Но при этом конечной целью являются настройки для режима стабилизации, независимо от того, что послужило причиной исходного переходного процесса.
Если в результате изменения задания наблюдается значительное перемещение ИМ, и это недопустимо по технологии, то нужно не ослаблять настройки регулятора, а ставить на задатчик фильтр, звено ограничения скорости или принимать другие меры (например, применять регуляторы с вычислением пропорциональной части не от рассогласования, а от регулируемой переменной). А регулятор следует все равно настраивать на режим стабилизации - отработку возмущений по нагрузке.
Возможно, некоторые возразят, что регуляторы иногда работают и в режиме слежения. Бывает, но к подавляющему большинству систем регулирования общепромышленного назначения это не относится. Оппоненты приводят примеры систем, в которых задание формируется внешними, по отношению к регулятору, средствами, ошибочно считая такие системы системами слежения. Например, требуется поддерживать температуру системы отопления в зависимости от температуры наружного воздуха. Действительно, задание регулятору формируется в зависимости от температуры наружного воздуха. Но динамика процесса от управляющего воздействия к температуре отопления на выходе бойлера во много раз быстрее динамики изменения температуры воздуха на улице. Поэтому на коротком промежутке времени, соизмеримым с динамикой процесса регулирования, задание можно считать константой. Следовательно, система работает в режиме стабилизации. Аналогично обстоят дела с внутренним контуром каскадной САР. Выход регулятора внешнего контура является заданием для внутреннего. Но динамика внутреннего контура в несколько раз быстрее динамики внешнего (иначе применение каскадной схемы теряет смысл). Поэтому регулятор внутреннего контура так же, как и в случае с регулятором температуры отопления, работает в режиме стабилизации.
Хочется извиниться перед тем читателем, для которого все это является очевидным. Но эти строки не увидели бы свет, если бы приведенный в настоящей статье случай, был бы единичным. К сожалению, такие ситуации имеют массовый характер. А как говорил один известный персонаж: "...за державу обидно!".
В приводимых примерах идентификация объекта регулирования, расчет настроек регулятора и имитационное моделирование были выполнены с помощью «P.I.D. – expert». Станция инженерного сопровождения систем автоматического регулирования.
Кузнецов М.М.: Уважаемый, Илья Геннадьевич! Несколько слов по вашей информационной компании "Регулирование - дело тонкое" и по статье "Не мешайте регуляторам работать". Любая информационная компания - вещь полезная, т.к. несет какую-либо новую информацию или призывает переосмыслить некоторые, давно знакомые моменты наладки, взглянуть на них под другим углом. Что касается статьи "Не мешайте регуляторам работать", то это, скорее, технологическая проблема, нежели техническая.
Зачастую приходится "бороться" с операторами, чтобы они не "помогали" регуляторам, особенно на вновь вводимых объектах регулирования. Операторы в этом случае, долгое время работавшие вручную, считают, что они в этом деле по сравнению с регулятором "собаку съели". Такая же инициатива в большинстве случаев исходит от операторов, нетерпеливых и не умеющих аналитически мыслить. И лишь иногда причиной их вмешательства является неудовлетворительная работа регулятора из-за смены характеристик всего объекта регулирования. Вероятно, если до этого регулятор работал удовлетворительно смену или сутки, а потом качество регулирования резко ухудшилось, то это не значит, что наладчик не правильно выбрал настройки. Изменился объект регулирования, а это требует автоподстройки коэффициентов или выбора коэффициентов, удовлетворяющих всем возможным ситуациям, заведомо ухудшая качество регулирования. Вмешательство оператора в любом случае скорее помешает, чем поможет процессу. Согласен, что «P.I.D. – expert» рассчитывает оптимальные коэффициенты, но для идеального объекта. Поэтому на практике иногда приходится от них отступать, особенно, когда эти коэффициенты сильные, как в вашем случае.
Что же заставляет отступать от оптимальных коэффициентов? Возмущений по заданию я не боюсь, т.к. на каждом ответственном объекте регулирования в линию задания ставлю звено ограничения скорости изменения. Есть другие причины.
- На практике приходится иметь дело с далеко не идеальными объектами, характеристики которых изменяются не только от нагрузки, свойств регулируемых потоков и т.п., но и от температуры окружающей среды.
- Свойства объекта зависят от включения и качества работы возмущающих контуров и, наоборот, работа настраиваемого контура влияет на работу "соседних".
- Характеристика регулирующего органа и рабочая область на ней.
- В случае электрических ИМ приходится учитывать надежность срабатывания контактов реле, пускателя и ограничивать частоту их срабатывания.
Эти факторы, постоянно присутствующие на реальном объекте в том или ином сочетании, заставляют ослаблять рабочие коэффициенты до разумных пределов, чтобы обеспечить устойчивую работу всех контуров.
P.S. Кстати, вы утверждаете, что держите температуру перегретого пара в пределах 0,2 °С. Интересно, как вам удается такая точность измерения?
Варламов И.Г.: Благодарим Вас, Михаил Михайлович, за живую реакцию на наш материал, которая была ожидаемой. Забегая вперед, хотим заметить, что материал "Не мешайте регуляторам работать" предназначался скорее не Вам, а тем наладчикам (или, кто таковыми себя считает), которые своими действиями (необоснованным ослаблением регуляторов) провоцируют операторов "помогать" регуляторам. Действительно, и тут Вы совершенно правы, на практике настройки регуляторов приходится ослаблять как раз по тем причинам, которые Вы четко изложили в своем письме. Мы сами так и делаем. Но вот уже на нескольких предприятиях мы столкнулись с тем, что настройки ослабляют не по указанным Вами причинам, а по другим - надуманным. А то и вовсе, без каких-либо причин. Причем регуляторы ослаблены не то, чтобы в 2-3 раза, а на порядок! До такой степени, что свои функции регуляторы практически не выполняют. Собственно, вот об этом и была статья.
Не совсем согласны, что «P.I.D. – expert» рассчитывает настройки для идеального объекта. Скорее, для объекта, имеющего определенные характеристики на время переходного процесса, по которому производится расчет. Понятно, что характеристики объекта изменяются от многих факторов. Поэтому мы, обычно, стараемся провести несколько экспериментов при различных режимах работы. Настройки выбираем для наихудших параметров объекта. К тому же, рассчитанные оптимальные настройки являются скорее ориентиром, отправной точкой. А дальше, исходя из специфики объекта и прочее... В общем, дальше начинается творчество. Но заниматься творчеством куда эффективнее, зная тот самый идеальный ориентир. Кстати, в «P.I.D. – expert» (версия 2) мы предусмотрели механизмы автоматизированного разумного ослабления настроек регулятора.
Что касается точности измерений, то упомянутое значение 0,2 °С - это по показаниям табло операторской станции. Так сказать, что можно было наблюдать невооруженным глазом при отсутствии существенных возмущений. Информационную систему делали не мы, поэтому работали с теми данными, которые к нам поступали, воспринимая их за истину. Какова при этом была фактическая температура - неизвестно. На том же объекте удалось добиться стабилизации уровня в пределах ±1 мм (до ослабления регулятора). При этом были установлены 2 датчика уровня, и их показания отличались друг от друга на 10 мм, но отличались на эту разницу синхронно во всей наблюдаемой части диапазона.
Желаю успехов! С уважением, Варламов И.Г.
Заключение
Регуляторы работают в режиме стабилизации и должны настраиваться оптимально на отработку возмущений по нагрузке.
Если регулятор, оптимально настроенный на режим стабилизации, приводит к значительному перемещению ИМ при смене задания, а для технологии это недопустимо, то требуется применять звенья ограничения скорости изменения задания, а не ослаблять настройки регулятора.
Настроенный должным образом регулятор не нуждается в том, чтобы ему помогали работать посредством изменения задания или иным способом. Для процесса, при нормально настроенном регуляторе, от этого пользы нет никакой - только вред. Не мешайте регуляторам работать!
Вынужденное отступление от оптимальных настроек - ослабление регулятора - должно быть мотивированным, осознанным и производиться в разумных пределах.
|
