Статья журнала "Промышленные АСУ и контроллеры" №11 2005 г:
Вопрос: Чем руководствоваться при принятии решения по выбору закона регулирования (ПИ или ПИД) в процессе наладки САР на предприятии?
Илья Геннадьевич Варламов
руководитель департамента САР "НПО ТЕХНОКОНТ".
Телефон: (495) 652-91-60.
E-mail:
http://technocont.ru
 Чем руководствоваться при принятии решения по выбору закона регулирования (ПИ или ПИД) в процессе наладки САР на предприятии? (pdf, 310 Кб) - версия статьи для сохранения на компьютер.
Для просмотра PDF-файла не нужно ничего, кроме самого файла и бесплатной программы Acrobat Reader
Приведены рекомендации для принятия быстрого решения по выбору закона регулирования в САР: ПИ или ПИД.
The recommendations are made for fast decision-making in control law selection (PI or PID).
Ответ. Решение о том, по какому закону (ПИ или ПИД) должна работать САР, принимает, конечно, инженер-наладчик САР. Он руководствуется знанием особенностей объекта регулирования, знанием технологии и знанием требований и ограничений, предъявляемых к функционированию САР со стороны технологического и эксплуатационного персонала.
При написании данного материала мы исходили из того, что инженер-наладчик умеет хорошо настроить ПИ регулятор. И он отдает себе отчет, что настроить хорошо ПИД регулятор на практике значительно сложнее, чем хорошо настроить ПИ регулятор. И он не хотел бы терять время на настройку ПИД регулятора в тех очевидных ситуациях, когда смысла в Д-составляющей нет вообще, или выигрыш в сегодняшней ситуации может с лихвой быть перечеркнут потерями при изменении ситуации завтра. Поиск хороших ПИД настроек – процесс по времени длительный. Хорошо, если инженер-наладчик вооружен специальными компьютерными инструментами, позволяющими ему искать правильные решения эффективно и с минимальными временными затратами. Но, к сожалению, сегодня подавляющее большинство этих специалистов абсолютно не вооружено, и полагаться они могут только на себя. Попробуем помочь им сэкономить время и поделимся некоторыми правилами, которые мы для себя вывели и которыми с успехом пользуемся на практике.
Ключевая терминология
Качество переходного процесса - это время переходного процесса (время регулирования) [1], которое нужно минимизировать.
Вырабатываемый ресурс исполнительного механизма - это суммарный ход и количество реверсов исполнительного механизма за время переходного процесса.
Объект регулирования - в данном материале подразумеваются объекты, которые можно аппроксимировать апериодическим звеном первого порядка с запаздыванием (объект с самовыравниванием), передаточная функция которого имеет вид:
или интегральным звеном с запаздыванием (объект без самовыравнивания), передаточная функция которого имеет вид:
Свод правил
Правило 1. Для начала попробуйте максимально хорошо настроить ПИ регулятор.
Комментарий. "Крутить" две настройки гораздо проще, чем три настройки. Помните, что хорошо настроенный ПИД регулятор не получается простым "кручением" Д-составляющей в хорошо настроенном ПИ регуляторе. Хорошо настроенный ПИД регулятор получается только в результате работ по настройке ПИД регулятора.
Правило 2. Если в ходе функционирования регулятора вырабатываемый ресурс исполнительного механизма важен и его минимизация так же важна, как и улучшение качества переходного процесса, то нужно остановиться на ПИ регуляторе.
Комментарий. Хорошо настроенный ПИД регулятор в одинаковых условиях функционирования с хорошо настроенным ПИ регулятором будет иметь преимущество в качестве переходного процесса, но при этом будет однозначно проигрывать по вырабатываемому ресурсу исполнительного механизма (рис. 1).
Рис. 1. Хорошо настроенные ПИ и ПИД в сравнении
Правило 3. Если наладчик не знает параметров объекта регулирования и тенденцию их изменения, то остановиться нужно на ПИ регуляторе.
Комментарий. Отдаем предпочтение более простому в настройке и более устойчивому (см. Правило 7) ПИ регулятору.
Правило 4. Если цикл регулирования больше, чем 0,25 (τ), то нужно остановиться на ПИ регуляторе.
Комментарий. Для объектов с очень маленьким запаздыванием, настолько малым, что не удается установить достаточный для них цикл регулирования, применение ПИД регулятора не даст ощутимого выигрыша в качестве переходного процесса, но приведет к очевидному увеличению вырабатываемого ресурса исполнительного механизма.
Правило 5 (применимо для объектов с самовыравниванием). Если отношение τ к Тоб больше, чем 1,8, то нужно остановиться на ПИ регуляторе.
Комментарий. В этой ситуации применение ПИД регулятора не дает ощутимого выигрыша в качестве переходного процесса в сравнении с ПИ регулятором, и вырабатываемый ресурс исполнительного механизма такой же. Отдаем предпочтение более простому в настройке и более устойчивому (см. Правило 7) ПИ регулятору.
Правило 6 (применимо для объектов с самовыравниванием). Если отношение τ к Tоб меньше, чем 0,1, то нужно остановиться на ПИ регуляторе.
Комментарий. В этой ситуации ПИД регулятор имеет выигрыш в качестве переходного процесса у ПИ регулятора, но отклонение регулируемой переменной от задания в обоих случаях будет очень мало, и это на фоне значительного увеличения у ПИД регулятора вырабатываемого ресурса исполнительного механизма.
Правило 7. Если свойства объекта регулирования могут измениться от исходного значения в ходе эксплуатации системы более чем на 20 % при суммарном изменении Kоб и τ или более чем на 30 % при изменении одного из них, то рекомендуем остановиться на ПИ регуляторе.
Комментарий. Обращаем внимание на то, что в формулировке этого Правила нами употреблен некатегоричный термин "рекомендуем". Дело в том, что последствия неизбежного ухудшения качества переходного процесса при наступлении изменений свойств объекта регулирования на обозначенную величину у хорошо настроенного ПИД регулятора по сравнению с хорошо настроенным ПИ регулятором будут значительно существеннее. Но как часто и насколько длительно по времени такая ситуация может возникать? Допустимо ли этим пренебречь? Автор данного материала этого знать не может. Поэтому только "рекомендуем".
Для примера увеличим в два раза Kоб в системе регулирования, переходный процесс которой приведен на рис. 1. В результате изменения объекта переходный процесс с ПИ регулятором приобрел некоторую колебательность, но система сохранила запас устойчивости. Система с ПИД регулятором устойчивость потеряла (рис. 2).
Правило 8. Если наладчик при настройке ПИ регулятора попал под необходимость произвести оправданное "ослабление" настроек ПИ регулятора, то нужно остановиться на ПИ регуляторе.
Комментарий. Если наладчик, найдя хорошие ПИ настройки, обеспечивающие высокое качество переходного процесса, был вынужден произвести оправданное "ослабление" настроек САР, то про ПИД регулятор для такой САР можно забыть.
Причин оправданного "ослабления" может быть три1.
Причина 1. "Ограничение на выбег регулирующего органа".
Технология или эксплуатация категорически не допускают достижения качества в регулировании ценой работы привода регулирующего органа в режиме значительных перемещений со скоростью, близкой к максимальной [2].
Причина 2. "Выход на ограничение по скорости перемещения исполнительного механизма"
Если объект малоинерционный (относительно скорости перемещения исполнительного механизма), то при больших возмущениях, близких по форме к ступенчатым, регулируемая переменная изменяется достаточно быстро, и возникает ситуация, когда интегральная часть регулятора копится быстрее, чем исполнительный механизм успевает отработать. Вследствие чего в системе возникают колебания, а то и вовсе потеря устойчивости. Это ограничение относится к исполнительным механизмам с аналоговым управлением.
Рис. 2. ПИ и ПИД при изменении свойств объекта
Причина 3. "Изменение свойств объекта регулирования в широком диапазоне".
Необходимо удержать регулятор в зоне вероятной устойчивости при изменении свойств объекта регулирования. Справедливо только при условии, что пределы изменения свойств объекта вам известны [2].
Заключение
Все приведенные в данном своде Правил контрольные цифры являются ориентировочными. Если цифры, описывающие ваш объект регулирования, достаточно близки к ним, то примите решение в пользу ПИ регулятора.
Если в пользу ПИ регулятора сработало одно из Правил 2, 3, 8, то нужно работать с ПИ регулятором и не тратить время на эксперименты с ПИД регулятором. Если в пользу ПИ регулятора сработало любое из остальных Правил, то это не значит, что применение ПИД регулятора отрицается категорически. Но если у наладчика нет современных компьютерных технологий сопровождения САР, то стоит все же остановиться на ПИ регуляторе, т.к. ПИД регулятор - это обострение борьбы противоположностей: (+) уменьшение суммарного отклонения регулируемого параметра от задания за некоторый временной интервал и (-) увеличение эксплуатационных издержек по регулирующему органу за этот же период и сужение области устойчивости. Найти эффективно работающий компромисс в этих условиях "врукопашную" практически невозможно - слишком много влияющих факторов. Например, в компьютерном АРМ «P.I.D. – expert. Станция инженерного сопровождения САР» в принятии решения по ПИ или ПИД участвуют: все характеристики и ограничения регулирующего органа, значение зоны нечувствительности, величина возможных возмущений, уровень шума на входе в регулятор, расчет экономической эффективности функционирования (технологические и эксплуатационные штрафы).
Если, выполнив все Правила, наладчик не остановился на ПИ регуляторе, то смело можно применять ПИД регулятор, если, конечно, наладчик умеет ХОРОШО настраивать ПИД регулятор. Если не уверен, что умеет, то см. Правило 1.
А что такое ХОРОШО настроенный регулятор - тема отдельная.
PS. Расчет настроек, оптимизация по минимальному времени регулирования, моделирование переходных процессов были выполнены с помощью «P.I.D. – expert. Станция инженерного сопровождения САР».
Список литературы:
- Варламов И. Г.,
Каким критерием оптимизации переходных процессов в САР эффективнее пользоваться на практике?
// Промышленные АСУ и контроллеры. 2005. №5.
- Варламов И. Г.,
В каких случаях "ослабление" регулятора оправдано?
// Промышленные АСУ и контроллеры. 2005. №9.
1 В материале [2] обозначены только две причины оправданного ослабления - 1-я и 3-я. С добавлением причины ослабления "Выход на ограничение по скорости перемещения регулирующего органа" этот список становится более полным.
|
