10 wskazówek dla inżynierów automatyków na temat optymalizacji nastaw regulatorów PID

Rys.1. Zakłady przemysłowe często poruszają problem konieczności optymalizacji nastaw regulatorów oraz przeznaczają środki finansowe i zasoby ludzkie na rozwiązywanie tego problemu. Niestety analizy wykonywane z perspektywy realizacji procesu technologicznego bywają często przeoczone. Źródło: firma APC Performance LLC.

Najlepsze praktyki optymalizacji nastaw regulatorów PID, które pozwalają na zwiększenie efektywności i niezawodności układów sterowania w zakładzie przemysłowym, obejmują zwiększoną skuteczność regulacji, ustawianie odpowiedniego współczynnika wzmocnienia regulatorów oraz świadomość wzajemnego oddziaływania kilku pętli regulacji.

W praktyce eksploatacyjnej inżynierowie automatycy napotykają liczne i zróżnicowane problemy związane z doborem i optymalizacją nastaw regulatorów PID. Często nie ma żadnych łatwo dostępnych rozwiązań dla tych problemów, chyba że inżynierowie dysponują czasem na wykonywanie testu odpowiedzi impulsowej lub przeanalizowanie zapisanych danych dotyczących zachowania się układu i pętli regulacji w przeszłości.

Wykorzystując opisane dalej wskazówki, inżynier automatyk może stwierdzić, czy parametry regulatora są ustawione poprawnie czy też mogą one być źródłem problemów z regulacją – a w takiej sytuacji wykonać lub zalecić odpowiednie zmiany.

Uwaga:

Parametry regulatora PID są podane w formacie “współczynnik wzmocnienia kp /czas różniczkowania Ti/ czas całkowania Td”, gdzie współczynnik wzmocnienia (regulacji proporcjonalnej; często stosuje się jego odwrotność wyrażoną w procentach, zwaną zakresem proporcjonalności, która określa procentowy zakres zmiany sygnału wejściowego, przy której sygnał wyjściowy zmienia się w pełnym zakresie), zaś czas różniczkowania (albo czas wyprzedzenia) oraz czas całkowania (albo czas zdwojenia) są podane w minutach. Termin „zawór” może odnosić się do każdego końcowego urządzenia sterującego.

1. Nie należy tracić czasu na dokładne dostrajanie parametrów regulatorów przepływu. Należy ustawić parametry regulatora na 0,25/0,25/0,00 i pozostawić. Przeznaczanie większej ilości czasu na wprowadzanie nastaw jest zwykle bezcelowe, ponieważ podczas regulacji zmiennej procesowej współczynnik wzmocnienia będzie normalnie zmieniał się wraz ze zmianami położenia samego zaworu. Stosunkowo małe wzmocnienie – ogólnie idealnym współczynnikiem wzmocnienia dla regulatora przepływu jest 1,0 – odzwierciedla jego działanie przy małym otwarciu zaworu, gdy aktualna odpowiedź układu w postaci przepływu jest zwykle największa. Przy większych otwarciach zaworu, krótszy czas całkowania spowoduje różnicę, zwykle sprowadzając przepływ do punktu nastawy w czasie rzędu minut, jeśli nie sekund, co zwykle jest znacznie szybsze niż czas realizacji reszty procesu. Jest to często najbardziej istotny czynnik do rozważenia przy doborze nastaw każdego regulatora – realizacja we właściwym momencie w kontekście procesu i jednocześnie minimalizacja możliwość niestabilności regulacji. Duże, powolne w działaniu zawory, mogą wymagać dłuższego czasu całkowania, zaś okazjonalne pętle regulacji mogą wymagać nawet mniejszego wzmocnienia, szczególnie gdy pracują w układzie z bardzo powolnym otwieraniem się zaworu.

2. Nie należy tracić czasu na dokładne dostrajanie parametrów regulatorów poziomu cieczy. Należy ustawić parametry regulatora na 1,0 / czas odpowiedzi / 0,0 i pozostawić. Czas odpowiedzi w kontekście regulatorów poziomu to czas, który jest potrzebny do całkowitego napełnienia (lub opróżnienia) zbiornika przy rozpoczęciu w punkcie nastawy (zwykle 50%), w odpowiedzi na przeciętne zakłócenie, przy braku jakiejkolwiek odpowiedzi regulatora. Typowe czasy odpowiedzi w procesach rafinacji wynoszą od 1 do 3 minut dla odstojników, od 5 do 15 minut dla kolumn i od 30 do 60 minut (lub więcej) dla zbiorników.

Gdy możliwe są duże zakłócenia lub gdy potencjalne konsekwencje przepełnienia albo niedopełnienia zbiornika są bardzo poważne, należy zastosować większy współczynnik wzmocnienia zamiast krótszego czasu całkowania (zbyt duże oddziaływanie członu całkującego na regulator jest najczęstszym źródłem oscylacji wielkości regulowanej w procesie). Współczynnik wzmocnienia regulatora poziomu rzadko powinien przekraczać wartość 2,0. Ta wskazówka optymalizacji nastaw regulatorów poziomu ma zastosowanie niezależnie od tego, czy regulator poziomu pracuje w układzie kaskadowym z regulatorem przepływu czy też nie. Zbiornik cieczy jest elementem całkującym i często nieliniowym, tak więc taka regulacja proporcjonalna daje najbardziej niezawodne działanie ogólne w długim okresie czasu. Istnieje kilka popularnych strategii alternatywnych, takich jak zmienny współczynnik wzmocnienia (ang. gap gain), optymalizacja parametrów regulatorów poziomu zbiorników wyrównawczych oraz dynamiczna optymalizacja zbiorników magazynujących, przy regulacji opartej o model obiektu. Jednak żadne z tych podejść nie jest ani bardziej wartościowe ani bardziej niezawodne.

3. Nie należy tracić czasu na dokładne dostrajanie parametrów regulatorów temperatury, ciśnienia, składu chemicznego etc. , chyba że regulatory pracują w układzie kaskadowym regulacji przepływu (lub ciśnienia). Jeśli nie pracują one w takim układzie, to jego wdrożenie jest następnym najlepszym działaniem, jakie można podjąć. Układ kaskadowy regulatorów powoduje linearyzację odpowiedzi procesu, a zatem umożliwia optymalny i niezawodny dobór nastaw w całym zakresie pracy. Gdy miernik przepływu nie jest dostępny, to może okazać się możliwym scharakteryzowanie wyjścia regulatora na podstawie charakterystyki zaworu, jednak ta technika niesie ze sobą kilka niewiadomych oraz słabych punktów i jest zalecana w drugiej olejności.

4. Należy poświęcić czas na dokładne dostrojenie parametrów regulatorów ciśnienia, temperatury i składu chemicznego, które pracują w układzie kaskadowym regulacji przepływu (lub ciśnienia). Struktura kaskadowa, poza linearyzacją odpowiedzi procesu, umożliwia dokładne wyznaczenie współczynnika wzmocnienia na podstawie danych z procesu technologicznego w dwóch lub więcej punktach pracy (ćwiczenie: należy wypróbować te obliczenia w popularnym układzie kaskadowym regulacji temperatury grzejnika / przepływu paliwa gazowego).

5. Należy ustawić współczynnik wzmocnienia zgrubnie na wartość od ½ do ¾ zaobserwowanego poziomu wzmocnienia, aby utrzymywać długotrwałą, stabilną i niezawodną regulację. Zalecenie to wynika z potencjalnie zmieniających się warunków procesowych, których z wielu powodów można oczekiwać w większości układów i pętli regulacji. Należy ustawić czas całkowania równy czasowi odpowiedzi procesu, wyznaczonemu z testu odpowiedzi impulsowej, na podstawie posiadanego doświadczenia w realizacji procesu lub danych historycznych – „dmuchając na zimne”. Można bowiem uzyskać znaczącą korzyść, w postaci długotrwałego poprawnego działania układu regulacji, z ustawienia nieco mniejszego wzmocnienia i dłuższego czasu całkowania, niż wynikająca z tradycyjnego minimalizowania uchybu regulacji lub kryterium zaniku do jednej czwartej wartości maksymalnej (metoda Zieglera-Nicholsa), aż do analizy punktu przekroczenia parametrów czasowych procesu.

6. Nie należy stosować akcji różniczkującej. Różniczkowanie jest sposobem zmniejszania całkowitego uchybu regulacji, poprzez ustawienie bardziej agresywnego wzmocnienia i całkowania, a następnie wykorzystania różniczkowania w celu “zahamowania” zmian w układzie regulacji. Jest to podobne do wciskania pedału gazu w samochodzie, a następnie ostrego hamowania podczas zbliżania się do znaku stop, tylko po to aby dojechać do niego nieco szybciej. Akcja różniczkująca jest nieodpowiednia w większości aplikacji sterowania procesami technologicznymi w przemyśle, gdzie przestrzeganie ograniczeń szybkości realizacji procesu, minimalizowanie przeregulowań i oscylacji oraz zabezpieczenie stabilności procesu, są kwestiami najważniejszymi. Wiele nowoczesnych pakietów oprogramowania do optymalizacji nastaw regulatorów PID, które rutynowo zalecają niezerowe nastawy czasu różniczkowania, nie uwzględnia doświadczeń praktycznych. Oparte na modelu obiektu algorytmy regulacji wielu zmiennych wykonują to samo w celu “minimalizacji uchybu” lub “maksymalizacji zysku”, ale wynikające z tego „agresywne” zachowanie się regulatorów, tak jak w przypadku pojedynczej pętli regulacji, zwykle powoduje konieczność wycofania się z tych algorytmów w celu uzyskania długiej niezawodnej regulacji. To zastrzeżenie dodaje się do tradycyjnej obawy o duże impulsy z członu różniczkującego, spowodowane zakłóceniami sygnału z czujnika lub niestabilnością.

7. Współczynnik wzmocnienia regulatora w bardzo dużym stopniu zależy od zakresu zmian wielkości regulowanej.  Na przykład regulator ciśnienia o zakresie 0 ÷ 1000 PSIG ( 0 ÷ 68,95 bar), wykorzystujący nowoczesny inteligentny czujnik ciśnienia, będzie wymagał ustawienia współczynnika wzmocnienia 10 razy większego, niż ten sam regulator pracujący w zakresie 900 ÷ 1000 PSIG (62,05 ÷ 68,95 bar, ponieważ takie pętle regulacji były często projektowane w przeszłości, aby posiadały większą dokładność w rzeczywistym zakresie pracy) w celu uzyskiwania tej samej odpowiedzi regulatora na dany uchyb. Bez zrozumienia tej różnicy, istnieje ogólna niechęć do zaakceptowania większych, ale funkcjonalnie równoważnych wartości wzmocnienia. Jako przybliżoną wskazówkę można podać, że wzmocnienie wynosi typowo 1,0 na każde 100 ÷ 200 jednostek zakresu regulacji dla regulatorów temperatury i ciśnienia o dużym zakresie zmian wielkości regulowanej.

8. Należy być świadomym wzajemnego oddziaływania pętli regulacji. Gdy działanie jednej pętli regulacji silnie wpływa na inną pętlę (inne pętle), to użytkownik będzie musiał zdecydować, która z tych pętli powinna być dostrojona normalnie, a która (które) ze zmniejszonym współczynnikiem wzmocnienia i zwiększonym czasem całkowania. Często nie ma praktycznej i niezawodnej opcji takiego dostrojenia wszystkich pętli w zestawie wzajemnie oddziałujących na siebie, aby uzyskać reakcję regulatora w wymaganym czasie. Jest to związane bezpośrednio z technicznymi wymaganiami tego dostrojenia, wykorzystania takich technik jak “odsprzęganie” oraz rzeczywistości zmieniania współczynników wzmocnienia regulatorów procesów technologicznych, co podważa każdy z takich schematów. Wskazówka dotycząca szybkości dla wzajemnie oddziałujących pętli posiada podobną podstawę, jak tradycyjna reguła kaskadowa, z wyjątkiem sytuacji odwrotnej.

Na przykład pętla wtórna (pętle wtórne) powinna (-y) być przestrojona (-e) tak, aby była (-y) co najmniej od trzech do pięciu razy wolniejsza (-e) od pętli pierwotnej (posiadającej wysoki priorytet). Ta fundamentalna reguła bywała w przeszłości niedostrzegana oraz ignorowana w układach regulacji wielu zmiennych. To często powodowało i powoduje niestabilność regulacji i ostatecznie przyczynia się do pogorszonego działania, chyba że wszystkie modele w regulacji pozostają bardzo dokładne, co rzadko ma miejsce w rzeczywistości.

9. Należy być śmiałym przy ustawianiu współczynnika wzmocnienia i ostrożnym przy ustawianiu czasu całkowania w sytuacjach, gdy konieczna jest dokładna regulacja. Istnieje pogląd, że zbyt duże wzmocnienie może spowodować oscylacje wielkości regulowanej oraz że, ponieważ parametr całkowania jest podawany w minutach, to jego mniejsza wartość może spowodować szybszą regulację. W rzeczywistości akcja regulacji proporcjonalnej jest błyskawiczna, a zbyt długi czas całkowania, szczególnie w połączeniu ze zbyt małym współczynnikiem wzmocnienia, jest najbardziej rozpowszechnioną przyczyną powstawania oscylacji w procesie. Tak więc w sytuacjach, gdy niezbędna jest dokładniejsza regulacja, należy stosować większe wzmocnienie (aż do granicy aktualnego średniego wzmocnienia dla procesu) oraz ustawiać czas całkowania bardziej dokładnie (uważając, aby nie ustawić go na poziomie mniejszym od aktualnego czasu odpowiedzi procesu).

10. Należy rozumieć, kiedy stosować sprzężenie do przodu, a kiedy nie. Sprzężenie do przodu (ang. feedforward) może przynieść korzyści, gdy główne zakłócenie jest dobrze zrozumiane, gdy jego model (wzmocnienie, czas odpowiedzi i czas martwy) nie zmieniają się znacznie w czasie z jakiegokolwiek powodu oraz w sytuacjach, gdy gwarantuje ono uniknięcie przekroczenia wartości granicznych w trudnym procesie technologicznym, osiągnięcie dużych zysków lub uniknięcie dużych strat. Gdy te kryteria nie są spełnione, szczególne w sytuacji, gdy dynamika modelu (czas odpowiedzi i czas martwy) nie są dokładnie znane, to sprzężenia do przodu należy unikać.

Skuteczne strojenie pętli regulacji – definiowane jako minimalizowanie ponownej pracy, ponownego wprowadzania nastaw i modelowania obiektu regulacji – polega zarówno na zrozumieniu kryteriów realizacji procesu technologicznego, jak i znajomości tradycyjnych narzędzi strojenia pojedynczych pętli regulacji oraz metod takich jak Zieglera-Nicholsa. Gdy perspektywa realizacji procesu zostanie zaniedbana, to strojenie pętli często utyka w cyklu ponownych prac (rys.1), zamiast uzyskania prawidłowego działania regulatora.

Innym istotnym faktem jest to, że regulacja oparta na modelu obiektu nadal podlega większości tych samych zastrzeżeń dotyczących strojenia pętli regulacji, co strojenie tradycyjne. Zastrzeżenia te obejmują skutki zmian wzmocnienia regulatorów zmiennych procesowych, skutki wzajemnego oddziaływania pętli regulacji, swobodę decyzji dotyczących sprzężenia w przód oraz pozostawianie regulatorów poziomu cieczy w podstawowych systemach sterowania z solidnym strojeniem, w celu maksymalizacji niezawodności procesu.

Na początku myślano, że regulacja oparta na modelu obiektu wykracza poza większość z powyższych obaw, jednak doświadczenia praktyczne, takie jak pogorszone działanie regulatorów, konieczność utrzymywania modelu obiektu regulacji i krótki czas eksploatacji ujawniły, w jaki sposób zasady te nadal mają zastosowanie. Wykorzystanie opisanych w artykule wskazówek może pomóc w uniknięciu wykonywania ponownych prac związanych z doborem nastaw regulatorów, w uzyskaniu większych sukcesów oraz doprowadzeniu do wieloletniego, niezawodnego i bezobsługowego działania większości pętli regulacji w procesach technologicznych.


Allan Kern jest konsultantem d/s zaawansowanego sterowania procesem w firmie APC Performance LLC. Redakcja tekstu: Control Engineering