Czy można polegać na funkcjach autotuningu regulatora PID?

Zaskakujące jest, że prawie 70% wszystkich przemysłowych pętli regulacji PID pracuje w trybie automatycznym. Aż 65% z pętli pracujących w trybie automatycznym generuje mniejsze odchylenia od wartości zadanej w trybie manual niż w trybie auto. Częste korzystanie z trybu automatycznego jest prawdopodobnie spowodowane niedoborem personelu, który posiada odpowiednie know-how strojenia i optymalizowania parametrów regulatora PID, dlatego też coraz więcej producentów wyposaża swoje urządzenia w funkcje automatyczne. Niestety, każdy producent implementuje własne rozwiązania, co sprawia, że należy się spodziewać różnych rezultatów samostrojenia. Funkcje autotuningu zostaną opisane w kontekście regulatorów temperatury. Porównane zostaną wyniki jakości regulacji pomiędzy produktami różnych, anonimowych producentów.

Istnieją dwie metody autotuningu różniące się poziomem skomplikowania: samostrojenie oraz strojenie adaptacyjne (ciągłe). Samostrojenie jest zwykle oferowane jako standardowa funkcja i polega na charakteryzowaniu systemu za pomocą sztucznej manipulacji sygnału wyjściowego z regulatora. Taki typ doboru nastaw jest niepraktyczny i trudny do przeprowadzenia w czasie normalnej pracy układu. Algorytm pobiera dane z procesu i analizuje odpowiedź układu na wymuszenia o charakterze skoku jednostkowego lub sygnału sinusoidalnie zmiennego. Badanie odpowiedzi układu na skok jednostkowy daje najlepsze rezultaty, kiedy przed jego rozpoczęciem układ znajduje się w stanie spoczynku. Nastawy uzyskane podczas strojenia z użyciem sygnału sinusoidalnego nie są zależne od warunków początkowych, w jakich znajdował się układ, ale proces musi mieć możliwość pracy z dużymi amplitudami sygnałów generowanych w czasie oscylacji.
Strojenie adaptacyjne zwykle wiąże się z większymi kosztami i wymaga większej mocy obliczeniowej sterownika. Musi on być w stanie obserwować proces w czasie pracy i decydować, czy i w jaki sposób zmienić parametry regulatora PID tak, aby układ pozostawał stabilny. Proces dokonuje się bez sztucznej manipulacji sygnałem wyjściowym, tak jak ma to miejsce w przypadku obu metod samostrojenia.
Opisane metody eliminują ślepe poszukiwanie parametrów PID. Użytkownik może po prostu uruchomić procedurę, a sterownik nastroi się samoczynnie. W dalszych badaniach sprawdzane jest, czy parametry dobrane przez urządzenia wiodących producentów zapewniają odpowiednią regulację. Wyniki mogą potwierdzić często kwestionowaną w zastosowaniach przemysłowych, nieakceptowaną jakość regulacji.
Metodologia testu
Identyfikacja różnic w jakości regulacji wymaga platformy zdolnej do symulowania i zbierania danych. Wykorzystany został komputer PC z kartą wejść/wyjść o wysokiej rozdzielczości połączoną z regulatorem w celu wymiany danych, symulacji różnych warunków występujących w przemyśle oraz zapewnienia łatwej powtarzalności testów. Komputer odczytuje wyjście z regulatora, symuluje odpowiedź procesu na ten sygnał i przesyła odpowiedź na wejście urządzenia. Wyniki badań przedstawiane są na ekranie na bieżąco, różnice między produktami różnych producentów można łatwo dostrzec na wykresach.

Odpowiedni zakres dynamiki w testach ma umożliwić dostrzeżenie różnic między produktami w zakresie kontroli procesów szybko- i wolnozmiennych, ale jednocześnie pozostawać w zgodności z czasem próbkowania regulatorów. Model procesu stanowi inercja pierwszego rzędu. Charakterystykę obiektu pierwszego rzędu określa jego stała czasowa. W czasie testów badano oddzielnie proces chłodzenia i grzania, każdy o innej stałej czasowej. Model, który był grzany, ma stałe czasowe 10, 60 i 300 sek. Im mniejsza stała czasowa, tym bardziej szybkozmienny obiekt, dlatego stała 10 sek. charakteryzuje obiekt szybkozmienny, a 300 sek. – obiekt wolnozmienny. Stałe czasowe dla chłodzenia wynoszą 15, 60 i 90 sekund.
Inny parametr będący nierozłącznym elementem obiektu przemysłowego, to opóźnienie/czas martwy, czyli czas, jaki mija od momentu podania sygnału na wejście obiektu do momentu wykrycia odpowiedzi na to pobudzenie przez czujniki. Stosunek opóźnienia do stałej czasowej to współczynnik trudności obiektu. Jest on bardzo istotny, bo wraz z jego wzrostem maleje efektywność algorytmu PID. W czasie testów symulowano układy o współczynniku sterowalności równym 0,1 i 0,2, co jest typowe dla procesów przemysłowych.
Czas ustalania określa zdolność regulatora do stabilizacji procesu. Technicznie jest to czas, jaki mija od pojawienia się zakłócenia lub ustalenia nowej wartości zadanej do momentu, w którym wyjście procesu zostaje ustalone i nie różni się o więcej niż 1% od wartości zadanej. Największe znaczenie dla wolnozmiennych procesów ma ich amplituda, bo określa ona czas, jaki musi odczekać personel przed rozpoczęciem produkcji.

W celu syntezy możliwości samostrojenia i strojenia adaptacyjnego wszystkie regulatory zostały nastrojone zgodnie z ich dokumentacją. Warunki początkowe zostały ustalone na jednakowym poziomie, a temperatura otoczenia miała stałą wartość.
Uruchomienie samostrojenia
Po wykonaniu procedury samostrojenia i określeniu parametrów obiektu regulator powinien szybko stabilizować proces w przypadku zmian wartości zadanej lub pojawienia się zakłóceń. Niektóre z urządzeń oferują więcej niż samostrojenie, pozwalając użytkownikowi dostosowywać przebieg regulacji. Niektóre mają możliwość standardowej lubodpornej regulacji, inne umożliwiają ustalenie wartości tłumienia. Te ostatnie okazały się być jedynymi, które potrafią stabilizować wszystkie testowane obiekty. Zdolność ta była niezależna od ustawienia wartości tłumienia.
Testy ujawniły znaczne różnice między urządzeniami (zobacz wykres):

  • Produkt 1 wykazuje stały błąd ustalania przy obiektach szybkozmiennych. Błąd ten powinien maleć do zera przy zbliżaniu się obiektu do wartości zadanej, niestety tak nie jest.
  • Dwie procedury autotuningu producenta 2, oznaczone jako 2a i 2b, dają bardzo odmienne wyniki: jedna stabilizuje proces po bardzo krótkim czasie, natomiast druga powoduje oscylacje na nieakceptowanym poziomie.
  • Produkt 3 ostatecznie stabilizuje wszystkie
    3 obiekty po zmianie wartości zadanej, ale oscyluje.
  • Regulator producenta 4 po autotuningu wykazuje jeszcze większe oscylacje niż produkt 3.

Odpowiedź układów (pierwszy wykres) z trzema różnymi nastawami współczynnika tłumienia jest akceptowalny, ponieważ powoduje bardziej łagodną, stabilną pracę układów dla wszystkich obiektów. Wartość współczynnika tłumienia regulowana jest za pomocą pokrętła w takim zakresie, aby można było uzyskać wartości tłumienia niższe oraz wyższe od wartości krytycznej. Poniżej wartości krytycznej uzyskuje się szybsze czasy narastania, ale i przeregulowanie. Dla wartości tłumienia krytycznego narastanie jest wolniejsze, ale przeregulowanie nie występuje lub występuje jedynie w bardzo niewielkim zakresie. Większa wartość tłumienia daje wolniejszy przyrost sygnału, ale gwarantuje brak przeregulowania, co jest bardzo istotnym czynnikiem w wielu procesach przemysłowych.
Strojenie adaptacyjne
Innym typem automatycznej konfiguracji jest strojenie adaptacyjne. Różnica w stosunku do samostrojenia polega na tym, że regulator musi badać obiekt i dostrajać nastawy, jednocześnie sterując obiektem w sposób stabilny. Taka zdolność wymaga zaawansowanych algorytmów, które zwykle są tajemnicą firmy. Tylko dwa z testowanych produktów miały taką funkcję. Określenie jej efektywności wymaga obserwacji odpowiedzi regulatora na nagłą zmianę dynamiki układu w czasie, gdy znajduje się on w stanie ustalonym. W tym teście zmiana dynamiki układu wywoływana była nagłą redukcją masy o 65%. Żaden regulator bez mechanizmu strojenia adaptacyjnego nie był w stanie stabilnie sterować obiektem tak znacznie zmienionym. Oba regulatory ze strojeniem adaptacyjnym potrafiły za to ustabilizować proces bez ingerencji użytkownika.
Wnioski
Przeprowadzenie rankingu regulatorów ze wskazaniem ich producentów nie jest zamierzeniem tego artykułu, jednak jest jasne, że jedne są lepsze, a drugie gorsze i zapewniają lepszą lub gorszą jakość regulacji zaraz po wyciągnięciu z pudełka i uruchomieniu przez początkującego użytkownika. Testy wykazały różną prawidłowość określenia optymalnych parametrów przez procedury autotuningu różnych producentów.
Jeśli procedury autotuningu nie zapewniają stabilnej regulacji, to w warunkach przemysłowych dobór nastaw regulatora powierza się ekspertowi, który bazując na swoim know-how znajduje nastawy zapewniające stabilność. Nie zawsze jednak użytkownicy mogą pozwolić sobie na taki luksus. Funkcje autotuningu muszą być efektywne, ponieważ mało jest ekspertów od regulatorów PID, a jakość produktu jest bezpośrednio powiązana z odchyleniami występującymi w procesie przemysłowym.
Powyższe badania są zgodne z relacjami dotyczącymi dużej liczby pętli regulacji pracujących poniżej oczekiwań i mogą je wyjaśniać. Nowoczesny sterownik tworzy duża ilość elementów: interfejsy komunikacyjne, elementy HMI, zaawansowana elektronika, standardy i certyfikaty. Najbardziej istotna funkcja regulacji nie powinna być zaniedbywana, ponieważ kontrolowanie procesu jest najważniejszym zadaniem sterownika.
Greg Baker jest w trakcie studiów MSE (MaterialsScience and Engineering) na kierunku teorii sterowania na San José State University.
Artykuł pod redakcją mgr. inż. Łukasza Urbańskiego, doktoranta na Wydziale Elektrycznym Zachodniopomorskiego Uniwersytetu Technologicznego w Szczecinie (dawna Politechnika Szczecińska)