یادگیری تنظیم حلقه PID از یک متخصص

تجربه دستی به تسریع در منحنی یادگیری PID کمک می کند.

توسط جان A. Autero ، شرکت Yaskawa America 3 دسامبر 2014

به زودی پس از فارغ التحصیلی از دانشکده ، من به عنوان یک تکنسین برق و ابزار دقیق در یک کارخانه شیمیایی کار کردم. سرپرست من که یک پسر جوان با تجربه اندک بود ، من را با یک جانباز گریزر به نام تیم جفت کرد. از بسیاری از چیزهایی که من از تیم آموخته ام ، یکی از با ارزش ترین فرآیند ساده برای تنظیم حلقه کنترل متناسب ، یکپارچه و مشتق (PID) بود. من در مورد سیستم های کنترل اساسی و نحوه کار آنها به عنوان بخشی از آموزش من آموختم. متأسفانه ، تمام تجربه من با حلقه های PID در کتابهای درسی بوده است. من هرگز تجربه دست اول را برای تنظیم یک حلقه کنترل PID در این زمینه نداشتم.

اولین فرصت من برای تنظیم یک حلقه PID در طی سفر با تیم به منطقه تولید اتیلن در ضلع غربی گیاه شیمیایی آمد. یک اپراتور در اتاق کنترل اتیلن برای یک مخزن شیمیایی 500 گالری که سطح دقیقی را حفظ نمی کند ، در تماس با مشکل قرار داده است (شکل 1 را ببینید). تیم به من یادآوری کرد که حلقه های کنترل PID را می توان در انواع برنامه هایی یافت که نیاز به کنترل مداوم سطح مایع ، فشار ، جریان ، دما یا تنش دارند تا چند مورد را نامگذاری کنند. در این حالت ، اپراتور در تلاش بود تا سطح ثابت را در یک مخزن افزودنی شیمیایی 500 گالری که بخشی از یک فرآیند خط شیمیایی بود ، حفظ کند ، اما به درستی کار نمی کرد (شکل 2 را ببینید).

اول چیزهای مهم

اولین چیزی که تیم در مورد سیستم های کنترل PID به من آموخت ، مؤلفه های اصلی بود. وی گفت: "اولین چیزی که شما نیاز دارید یک سیگنال تنظیم است."در شرایط ما ، سیگنال Setpoint یک سیگنال 0-10 VDC از پتانسیلومتر در اتاق کنترل بود که اپراتور برای تعیین سطح مورد نظر برای حفظ در مخزن استفاده می کرد. تیم گفت: "دومین موردی که در سیستم خود نیاز دارید سیگنال بازخورد است."دستگاه بازخورد در این حالت یک مبدل سطح مایع بود که یک سیگنال 4-20 میلی آمپر را بر اساس سطح مایع موجود در مخزن فراهم می کرد. تیم توضیح داد که آخرین مورد مورد نیاز در سیستم ، کنترل کننده PID واقعی است.

اگرچه چند سالی از فارغ التحصیلی من از کالج می گذرد، اما در آن زمان، کنترلر یک ماژول مستقل بود که نقطه تنظیم و سیگنال های بازخورد را دریافت می کرد و کرانچ شماره PID را انجام می داد. این یک سیگنال خروجی 4-20 میلی آمپری ارائه می کرد که شیری را کنترل می کرد که مخزن را تغذیه می کرد. همچنین دارای یک ضبط کننده نمودار نواری کوچک داخلی بود که سطح مایع را در مدت زمان طولانی نشان می داد. امروزه هنوز هم می‌توانید ماژول‌های کنترل PID مستقل خریداری کنید، اما این نرم‌افزار را می‌توان در VFD‌ها و معمولاً در PLC‌ها و سیستم‌های کنترل ساختمان پیدا کرد (شکل 3 را ببینید). نرم افزار حلقه کنترل PID را می توان در داخل PLC یافت که کل اتاق کنترل را اجرا می کند و نمای گرافیکی پیچیده ای از کل سیستم کنترل را بر روی انواع مانیتورها و میزهای کنترل ارائه می دهد. اگرچه گرافیک PID امروزی بسیار بهتر از ضبط کننده نمودار نواری قدیمی به نظر می رسد، روش کنترل PID که امروزه استفاده می شود اساساً یکسان است.

اثبات در آزمایش است

هنگامی که به محل کار رسیدیم، اولین کاری که انجام دادیم این بود که سنسور سطح مایع را آزمایش کردیم که بازخوردی را به کنترلر ارائه داد. پس از چند دقیقه، ما تشخیص دادیم که سنسور در وضعیت خوبی کار می کند زیرا 4 میلی آمپر در سطح پایین و 20 میلی آمپر در سطح بالا ارائه می کند. مورد بعدی که بررسی کردیم سیگنال نقطه تنظیم بود. تیم در اتاق کنترل ایستاد و پتانسیومتر را از حداقل به حداکثر تنظیم کرد در حالی که من سیگنال را در جایی که به ماژول PID متصل می شد اندازه گرفتم. پتانسیومتر به درستی کار می کرد و 0 Vdc در حداقل و 10 Vdc در حداکثر اندازه گیری شد. آخرین چیزی که ما بررسی کردیم خود شیر بود. ما یک منبع میلی آمپر متغیر کوچک وصل کردیم که 4-20 میلی آمپر را به شیر می رساند و بدون مشکل باز و بسته شدن آن را مشاهده کردیم. بنابراین به نظر می رسد که مقصر سیستم کنترل PID ناکارآمد ما، خود ماژول PID باشد. یک سفر سریع به انبار قطعات یک ماژول جایگزین مشابه را برای ما فراهم کرد و ما به اتاق کنترل اتیلن برگشتیم. فکر کردم ماژول را عوض می کنیم. سوئیچ های انتخابگر متناسب، انتگرال و مشتق را به همان تنظیمات قبلی تنظیم کنید. یک تست سریع از سیستم انجام دهید؛و به موقع برای ناهار به مغازه برگردید.

ماژول PID که ما استفاده کردیم دارای سه سوئیچ انتخاب کننده در سمت است: یکی برای تنظیم افزایش متناسب ، یکی برای تنظیم زمان انتگرال و دیگری برای تنظیم زمان مشتق. در بیشتر موارد ، ما می توانستیم سوئیچ های انتخاب کننده را روی ماژول جدید به تنظیمات یکسان ماژول قدیمی تنظیم کنیم و آن را یک روز بنامیم. اما تیم فکر می کرد که ما می توانیم در عملکرد حلقه کنترل پیشرفت کنیم و فرصتی دیدیم که برخی از نقاط دقیق تنظیم حلقه PID را به من بیاموزد.

آزمایش های بهینه سازی PID

در آزمایش ما برای به دست آوردن تنظیمات بهینه برای حلقه کنترل PID ، زمان های انتگرال و مشتق را روی صفر قرار می دهیم. تنظیم کارخانه سوئیچ انتخاب کننده افزایش متناسب 1. 0 ، با حداکثر 2. 0 ، حداقل 0. 0 و نقاط تنظیم در 0. 25 افزایش بود. ما سوئیچ انتخاب کننده افزایش متناسب را به پایین ترین تنظیمات Nonzero آن از 0. 25 تنظیم کردیم. سود متناسب یک ضرب ساده با تنظیمات بالاتر است که پاسخ را افزایش می دهد و تنظیمات پایین تر آن را کاهش می دهد. با تنظیم زمان انتگرال و زمان مشتق به صفر ، ما اثرات انتگرال و مشتق را از حلقه کنترل خارج کردیم و فقط اثر تنظیم سود متناسب را مشاهده می کنیم. اولین درس تیم برای من این بود که فقط یک بار در یک تنظیم کار کنم. وی گفت: "اگر شروع به ایجاد تغییر در هر سه کنترل به طور همزمان کنید ، می توانید به راحتی از بین ببرید."

ما سیستم را با مخزن خالی و نقطه تعیین شده 50 ٪ پر کردیم. ما با پر شدن مخزن ، به آرامی حرکت می کنیم به آرامی به سمت نقطه تنظیم 50 ٪ در نمودار نوار حرکت می کنیم. کمی بیش از 10 دقیقه طول کشید تا سطح مایع به علامت 48 ٪ برسد و آن سطح را حفظ کند. احساس کردیم که نتیجه اولین آزمایش ما قابل قبول نیست. در حالی که سطح مایع هرگز از نقطه تنظیم ، که چیز خوبی بود ، بیش از حد قرار نگرفت ، سود آنقدر کم تنظیم شد که مدت زمان زیادی طول کشید تا مخزن را به نقطه تنظیم خود پر کند. همچنین ، سطح مایع به نقطه تنظیم نزدیک شد ، اما هرگز به آن نرسید. تیم توضیح داد که معمولی است که در این حالت برخی از خطا - 2 ٪ - هنگام اجرای یک حلقه کنترل با تنها کنترل متناسب. این خطا Offset نام دارد.

سپس، تنظیم بهره متناسب را روی 0. 50 تنظیم کردیم و آزمایش را دوباره اجرا کردیم. این بار، سطح مایع در کمی بیشتر از 2 دقیقه به نقطه تنظیم 50٪ رسید، اما سطح درست از نقطه تنظیم گذشت و به 55٪ رسید قبل از اینکه خودش را اصلاح کند و به سمت پایین به سمت 50٪ برود. همانطور که من نمودار نواری را تماشا می کردم، سیگنال سطح مایع بین 52٪ و 48٪ برای 2 دقیقه بعدی نوسان کرد، و در هر چرخه بیش از حد را کاهش داد، و سپس درست زیر نقطه تنظیم در حدود 48٪ قرار گرفت. ما خوشحال بودیم که فقط 2 دقیقه طول کشید تا سطح به نقطه تنظیم برسد، اما از بیش از حد و نوسانات ناامید شدیم.

برای آزمایش بعدی، بهره متناسب را روی 0. 75 تنظیم کردیم. این بار سطح مایع در کمتر از 1 دقیقه به نقطه تنظیم 50٪ رسید، اما اضافه شدن به 70٪ رسید و سپس بین 60٪ و 40٪ به مدت 4 دقیقه نوسان کرد، و در هر چرخه مقدار بیش از حد را کاهش داد، و سپس درست در زیر سطح قرار گرفت. نقطه تنظیم در حدود 48٪. به نظر می‌رسید که این تنظیم ما را به مسیر اشتباهی می‌برد، بنابراین تنظیم افزایش متناسب را به 0. 50 تغییر دادیم. دومین درس تیم برای من این بود: بهره نسبی کنترل می کند که سرعت فرآیند به سمت نقطه تنظیم می رود. او گفت: «اگر سود بسیار بالایی را تعیین می‌کنید، انتظار داشته باشید که به سرعت به نقطه تنظیم خود برسید، اما برای احتمال افزایش شدید و نوسانات آماده باشید."اگر یک بهره بسیار کم را تنظیم کنید، می توانید از افزایش بیش از حد جلوگیری کنید، اما ممکن است زمان زیادی طول بکشد تا به نقطه تنظیم خود برسید. با زمان انتگرال، زمان مشتق و بهره متناسب با صفر شروع کنید. سپس مقدار افزایش متناسب را با افزایش های کوچک افزایش دهید تا زمانی که نوسانات رخ دهد، سپس تنظیم را کاهش دهید.

مورد بعدی که ما انجام دادیم این بود که زمان یکپارچه را به حلقه کنترل اضافه کنیم. تیم برای من توضیح داد که زمان انتگرال مانند "خطا در Eater" است و برای از بین بردن برخی از نوسانات مورد نظر ما به کار می رود. وی همچنین گفت که اضافه کردن برخی از زمان های یکپارچه باعث می شود سیستم ما در واقع نقطه تنظیم را ردیابی کند و جبران خسارت را که قبلاً تجربه کرده بودیم از بین ببرد. تنظیم کارخانه سوئیچ انتخاب کننده زمان انتگرال 50 ثانیه ، حداکثر 100 ثانیه و حداقل 0 ثانیه بود و نقاط تعدیل به 10 ثانیه تقسیم می شوند. به امید بهبود عملکرد ، سوئیچ انتخاب کننده زمان انتگرال را به 10 ثانیه تنظیم کردیم و دوباره آزمایش را انجام دادیم. این بار سطح مایع در حدود 2 دقیقه به نقطه تنظیم رسید ، اما قبل از تصحیح خود به حدود 70 ٪ افزایش یافت. سپس به طور مداوم بین 60 تا 40 درصد نوسان می کند و هرگز متوقف نمی شود. Overshoot همان باقی مانده بود ، اما ما یک نوسان زنگ را انتخاب کرده بودیم ، این بدان معنی بود که زمان انتگرال کوتاه باعث ناپایدار بودن سیستم می شد.

ما سوئیچ انتخاب کننده زمان انتگرال را تنظیم کردیم تا 30 ثانیه زمان انتگرال را برای آزمایش بعدی خود فراهم کنیم. ما دوباره سیستم را اجرا کردیم و سطح مایع در حدود 2 دقیقه به نقطه تنظیم رسید ، اما قبل از تصحیح خود به 55 ٪ افزایش یافت. سیگنال سطح مایع بین 54 ٪ تا 46 ٪ نوسان می کند و با هر چرخه ، بیش از حد را کاهش می دهد و سپس در مدت زمان 1 دقیقه در نقطه تنظیم 50 ٪ قرار گرفت. در حالی که عملکرد حلقه بسیار بهتر از آخرین آزمایش ما بود ، بیشترین تفاوت در زمان تثبیت سیستم بود. پیش از این ، هنگامی که ما از کنترل متناسب متناسب استفاده می کردیم ، سیستم در 2 دقیقه با یک خطای افست تثبیت شده بود. در این آزمایش ، نوسان در حدود یک دقیقه بدون خطای افست از بین رفت.

ما دوباره آزمایش را با زمان انتگرال در 50 ثانیه انجام دادیم و تماشا کردیم که سطح مایع در حدود 2 دقیقه به نقطه تنظیم رسید و قبل از تصحیح خود تنها 52 ٪ بیش از حد بود. سیگنال سطح مایع بین 52 تا 48 درصد نوسان کرد و با هر چرخه برای حدود 10 ثانیه ، بیش از حد را کاهش داد و سپس در نقطه 50 ٪ مستقر شد. این تنظیم نتایج بسیار خوبی به دست آورده بود ، ما از پیشرفتی که انجام داده بودیم خوشحال شدیم و فهمیدم که قبل از ناهار قبل از ناهار دوباره به مغازه خواهیم رسید. درس سوم تیم برای من این بود که زمان انتگرال مانند یک خطا خطا عمل می کند. این می تواند به کاهش زمان نوسان کمک کرده و جبران را حذف کند ، اما تنظیم نادرست می تواند باعث افزایش بیش از حد و همچنین منجر به سیستم نوسانات شود. مقدار زمان انتگرال را در افزایش های کوچک افزایش دهید تا نوسانات و جبران آن از بین برود.

آخرین تنظیم برای زمان مشتق بود. تیم توضیح داد که زمان مشتق تا حدودی مانند یک سیستم ترمز عمل می کند تا به جلوگیری از بیش از حد کمک کند. با این حال ، اگر مشتق نادرست باشد ، می تواند پاسخگویی سیستم را به شدت کاهش دهد. ما برای یک ثانیه در مورد آزمایشاتی که آن روز صبح اجرا کرده بودیم فکر کردیم و اینکه چگونه به طور سیستماتیک عملکرد حلقه کنترل را بهبود بخشیده ایم. در بسیاری از حلقه های PID ، مانند سیستم های HVAC ، از کنترل مشتق استفاده نمی شود زیرا کمی بیش از حد به طور معمول اثرات مضر ایجاد نمی کند. اما در شرایطی که بیش از حد خطرناک باشد ، کنترل مشتق می تواند مفید باشد.

با توجه به اینکه آخرین آزمایش ما فقط 2% بیش از حد را نشان داد و فقط برای 10 ثانیه نوسان کرد، ما فکر کردیم که کار بسیار خوبی برای تنظیم حلقه PID انجام داده ایم. اما ما فکر کردیم که باید آخرین آزمایش را امتحان کنیم تا ببینیم آیا می‌توانیم حتی بهتر از این هم انجام دهیم. تنظیم کارخانه سوئیچ انتخابگر زمان مشتق در حداقل، 0 ثانیه (غیرفعال) با حداکثر 5 ثانیه و نقاط تنظیم به افزایش 0. 5 ثانیه تقسیم می شود. من زمان مشتق را روی تنظیم 0. 5 ثانیه روی کلید انتخاب تنظیم کردم و دوباره آزمایش را اجرا کردیم. ما مشاهده کردیم که سطح مایع در حدود 2 دقیقه به نقطه تنظیم می رسد، به آرامی به نقطه تنظیم 50٪ با تنها یک تار موی بیش از حد نورد می شود، یک فرورفتگی کوچک به زیر علامت 50٪ نشان می دهد، و سپس نقطه تنظیم را به طور کامل دنبال می کنیم. این تا حد زیادی بهترین عملکردی بود که از حلقه کنترل سطح مایع PID در آن صبح دیده بودیم. من نقطه تنظیم سطح مایع را روی 60٪ تنظیم کردم و سیستم را به درستی و ردیابی دقیق مشاهده کردم. سپس نقطه تنظیم را به 40% کاهش دادم و همان نتایج را دیدم. چهارمین درس تیم برای من این بود که زمان مشتق یک عمل ترمز را برای حلقه کنترل فراهم می کند و در بیشتر برنامه هایی که در آن کمی بیش از حد مجاز است، لازم نیست. در صورت نیاز، کنترل مشتق می‌تواند بیش از حد را کاهش دهد، اما همچنین می‌تواند منجر به عدم پاسخگویی شود. مقدار زمان مشتق را تا زمانی که پاسخ به تغییرات فرآیند بهینه شود افزایش دهید.

من و تیم از عملکرد حلقه کنترل PID خوشحالیم و وسایلمان را جمع کردیم و به سمت ناهار رفتیم. چندین سال از زمانی که با تیم کار کردم می گذرد، اما این تجربه ای است که همیشه به یاد دارم. استفاده از تکنیک های اساسی که او به من آموخت به من کمک کرد حلقه های کنترل PID را در تعدادی از برنامه ها تنظیم کنم.

قوانین کلی حلقه کنترل PID تیم

1. هر بار فقط روی یک تنظیم کار کنید. اگر شروع به ایجاد تغییرات در هر سه کنترل به طور همزمان کنید، به راحتی می توانید دچار سردرگمی شوید.
2. بهره متناسب کنترل می کند که سرعت فرآیند به سمت نقطه تنظیم سرعت می گیرد. اگر سود بسیار بالایی را تعیین می کنید، انتظار داشته باشید که به سرعت به نقطه تنظیم خود برسید، اما برای احتمال بیش از حد و نوسانات شدید آماده باشید. اگر بهره بسیار کم را تنظیم کنید، می توانید از افزایش بیش از حد جلوگیری کنید، اما ممکن است زمان زیادی طول بکشد تا به نقطه تنظیم خود برسید. با زمان انتگرال، زمان مشتق و بهره متناسب با صفر شروع کنید. مقدار بهره متناسب را با افزایش های کوچک افزایش دهید تا زمانی که نوسان رخ دهد و سپس تنظیم را کاهش دهید.
3. زمان انتگرال مانند یک خطای Eater عمل می کند. این می تواند به کاهش زمان نوسان کمک کرده و جبران را حذف کند ، اما تنظیم نادرست می تواند باعث افزایش بیش از حد و همچنین منجر به سیستم نوسانات شود. مقدار زمان انتگرال را در افزایش های کوچک افزایش دهید تا نوسانات و جبران آن از بین برود.
4. زمان مشتق یک عمل ترمز را به حلقه کنترل فراهم می کند و در اکثر برنامه های کاربردی که در آن کمی بیش از حد مجاز باشد ، لازم نیست. در صورت نیاز ، کنترل مشتق می تواند بیش از حد را کاهش دهد اما همچنین می تواند منجر به عدم پاسخگویی شود. مقدار زمان مشتق را افزایش دهید تا پاسخ به تغییرات فرآیند بهینه شود.

جان A. Autero مدیر خدمات آموزش فنی در شرکت Yaskawa America است. وی بیش از 28 سال با اتوماسیون صنعتی درگیر بوده است که 25 مورد از آنها با یاسکاوا بوده است. وی برنامه کارآموز و تعاونی تابستان مهندسی Yaskawa و خدمات آموزش فنی پیشرفته یاسکاوا را به یک ارائه دهنده مجاز IACET برای ارائه CEUS برای دانشجویان خود توسعه داد. وی دارای لیسانس در فناوری مهندسی صنایع از دانشگاه جنوبی ایلینویز است.

این مقاله در مکمل اتوماسیون کاربردی برای مهندسی کنترل و مهندسی گیاهان ظاهر می شود.

- مقالات دیگر از مکمل زیر را ببینید.

آیا با موضوعات ذکر شده در این محتوا تجربه و تخصص دارید؟شما باید در نظر بگیرید که در تیم تحریریه CFE Media ما مشارکت داشته باشید و به رسمیت شناختن شما و شرکت خود را شایسته کنید. برای شروع این روند اینجا را کلیک کنید.

مقالات مرتبط

• فناوری از گذشته آینده
• ساخت مورس در آمریکا با رباتیک
• انتخاب سوئیچ های نزدیکی القایی