A PID szabályozó működésének elvi alapjaival már megismerkedhettek az olvasók. Most egy olyan szabályozóhangolási módszert kívánok bemutatni, melyet egyszerűnek tartok, és magam is hosszú időn át, sikeresen alkalmaztam. Figyelem! A módszer alkalmazását (belengetés) nem mindenütt engedi meg a technológia! Hangolás előtt konzultáljunk a technológussal!
A Ziegler-Nichols módszer:
Ismert az a jelenség, mikor a P tipusú szabályozó erősítését túl nagyra választjuk és a szabályzókör lengeni kezd. A lengés paramétereiből a szabályozott berendezés (szakasz) paramétereit számolhatjuk, illetve a szabályozó paramétereit beállíthatjuk. A gyakorlati módszer a következő lehet: (A hangoláshoz kell egy regisztráló, de minimum stopper és multiméter.) 1. A kört kézibe tesszük. 2. A szabályozót állásos szabályozóvá (on/off) alakítjuk úgy, hogy az erősítést maximumra állítjuk. 3. Beállítjuk azt az alapjelet, amelynek környezetében üzemelni fogunk. 4. A szabályozót automatába kapcsoljuk. 5. Az alapjel értékét elérve jól mérhető állandó lengéseket kapunk. Várjunk meg néhány lengést és mérjük meg a lengés (a szabályozott jellemző) periódusidejét (két maximum, vagy minimum, vagy alapjel közti idő) és maximális valamint minimális értékét. 6. Az erősítés értékét lépésekben csökkentve mindig mérjük a lengéseket. Célszerű az erősítést mindig felezni pl.: 80 40 20 10. A mérések folyamán lesz egy olyan érték, melynél a lengés már nem állandó, hanem csillapodó, vagyis a maximumok és a minimumok csökkennek. 7. Ennek a környezetében keressük meg pontosan a kritikus állapotot (a csillapodás határát), amelynek mért értékéből a kezdeti PID paraméterek az alábbiak szerint számolhatók ki (a kritikus P tag értéke = Gk és a kritikus lengésidő = Tk): Gain = 0,6 * Gk Ti = 0,5*Tk Td = Ti / 4 8
Finomítás:
A hangolás pontossága a szabályozott rendszertől függ. Előfordul, hogy a kapott érték azonnal használható, de gyakran kell a hangolást pontosítani. A képletek szerint kapott értékeket és a hangoláskor használt alapjelet állítsuk be és kapcsoljuk be a szabályozót!
A szabályozott jellemzőt megfigyelve a szabályozó beállásakor az alábbiak szerint módosítsuk a PID paramétereket: 1. Ha az alapjelet a szabályozó csillapodó lengésekkel közelíti meg, az első lengés nagy túllendüléssel kezdődik: Növeljük a Ti és Td értékét addig ameddig a lengések nem szűnnek meg. Minden állítás után zavarójelet kell mesterségesen előidézni, hogy a szabályozott jellemző pillanatnyi értéke a szabályozási (arányossági) tartományon kívülre kerüljön. Ezt tartsuk be minden új érték kipróbálásánál, mert csak azok a beállások jellemzők, amelyeknél Xs a szabályozási tartományon kívülről indul! 2. Ha az alapjelet a szabályozó alulról, nagyon lassan közelíti meg lengések nélkül: Csökkentsük a Ti és Td értékét addig, amíg a megközelítés megfelelő nem lesz. A két paraméter hányadosa általában 4-8 között van, de szélsőséges estekben ettől eltérhet (4-10). A D tag növelése a megközelítés sebességét növeli, nagyobb értéknél gyorsabb a megközelítés. Az I tag a lengések visszaállási idejét módosítja, nagyobb I tag esetén a lengések maximuma és minimuma lassabban közelíti az alapjelet. A két érték együtt hat a szabályozóra, ezért sok kísérlet szükséges az optimális hányados megkereséséhez. 3. Ha az alapjelet a szabályozó egy túllövés után nagyon lassan közelíti meg, esetleg néhány lengést is észlelünk: Növeljük Xp értékét (erősítést csökkentjük) addig, ameddig a túllövés a megengedett értékre nem csökken és a lengések megszűnnek. 4. Ha az alapjelet a szabályozó alulról szabálytalan lengésekkel közelíti meg: Csökkentsük Xp értékét addig, ameddig a lengések megszűnnek és a beállás a megfelelő lesz. Xp értékét célszerű igen pontosan meghatározni, mert szabályozó beállásának jellegét alapvetően ez befolyásolja. Ezért feltétlenül ellenőrizni kell a megfelelőnek ítélt értéket egy nagyobb és egy kisebb érték kipróbálásával. Általános szabály, hogy a gyors visszaállás érdekében a szabályozási tartomány a lehető legszűkebb legyen, de a lengések a technológia által megszabott határok között maradjanak. Robosztusság: Azt a tulajdonságot, amely lehetővé teszi a szabályozó stabil, ámde fürge és pontos működését, robosztusságnak nevezzük. A robosztusság a szabályozó szoftverének függvénye. A korszerű szabályozók szoftverei ugyanis már nem csupán az "alap" PID algoritmust tartalmazzák, hanem felsőfokú szabályozástechnikai "tuning" ismereteket is tartalmaznak alapáron! Ezáltal a szabályozó gyorsabban, kevesebb lengéssel áll be. Meglepően nagy különbségeket találhatunk különböző gyártmányú kompakt szabályozók összehasonlító tesztelésekor. A HAGA szabályozói pl. minden, általunk tesztelt versenytársunknál robosztusabbak. PID.hu megjegyzés: Mivel a kompakt szabályozó nem túl drága, de a gyors beállás sokszor energia megtakarítást és/vagy selejt csökkenést, plusz gyorsabb indulást jelent, érdemes lehet egy komoly alkalmazásnál összehasonlítani néhány konkurrens terméket... Önhangolás (Autotune) A hangolási eljárásokat is lehet automatizálni. A szabályozó szoftverje alkalmas lehet a PID paraméterek meghatározására. A hangolási módszerek sokfélesége miatt nincsen egyedül üdvözítő módszer, mert nincsen varázsképlet. A jó önhangoló szoftver robusztus szabályozáshoz határozza meg a paramétereket. Természetesen az egyszerő önhangoló módszerekből adódóan a nagyon gyors és nagyon lomha szabályozásoknál nem támaszthatunk szigorú követelményeket. Szükséges a kézi finomítás.
Az alapjel tartomány szakaszolása:
Azt már tudjuk, hogy azok a rendszerek (szakaszok), amelyek tulajdonságaikat az alapjel nagyságától függőn változtatják (azaz nemlineárisak), nem szabályozhatók jól egyetlen PID paraméterkészlettel. Vizsgáljunk meg egy kemencében lejátszódó melegedési folyamatot! A kemence falvesztesége a növekvő hőmérsékletre exponenciálisan növekszik, mert hőszigetelése szálasanyagból van és ennek ez fizikai tulajdonsága. A változó tulajdonság eredményeként a lappangási idő és a melegedési sebesség (azaz a szakasz időállandója) jelentősen változik a felfűtés folyamán. A kemence hőérzékelőjének holtideje is hozzászámítódik a rendszer holtidejéhez, márpedig ennek hőfokfüggése a lineáristól a 4. hatványig terjed. Ez a kemence tehát igényli a komplex szabályozást!
Ilyen esetben vásároljunk olyan PID szabályozót, amely több paraméterkészletet tárol, és az egyes készleteket Xs tartományokhoz lehet rendelni! (A KDCH típusú szabályozó pl. 10 PID paraméter készletet képes tárolni, és mind a 10 készletet önhangoló algoritmusával meg is tudja határozni..). Így a teljes alapjel tartományt 10 részre bonthatjuk. A non-lineáris szakaszok finomabb szabályozásának egyik lehetséges módja ez: A teljes munkapont tartományt szakaszokra osztjuk, melyekben a szakaszt már lineárisnak tekinthetjük.
Programszabályozás:
Fejlett szabályozók képesek önmagukban egy kis szekvenciális programot futtatni, mint egy mini PLC. E szabályozók "program" üzemmódban meg tudják választani az egyes programlépéshez tartozó PID paraméterkészletet. A program léptetése pl. egy külső jellel lehetséges. Ez a lehetőség a működés bármelyik pillanatában, a rendszer tetszés szerinti állapotában optimális PID paramétereket biztosíthat. A ilyen működést szakértői (expert) szabályozásnak nevezhetjük, mert szigorúan követi a technológiai követelményeket úgy, mintha egy szakértő irányítaná azt. Ahol finoman és lassan kell szabályozni ott lassan és finoman szabályoz, ahol durván kell szabályozni ott durván avatkozik be.
Legyen erre is példa egy kemence. A kovácsoláshoz használt kemence bélése nagyon kemény anyagokból épül, hogy a durva mechanikai igénybevételnek ellenálljon. Az ilyen kemence viszont nagyon érzékeny a gyors hőmérsékletváltozásokra, ezért felfűtéskor a kemence gázégőinek teljesítményét nagyon vissza kell fogni. A programszabályozó felfűtési szegmensébe olyan PID paraméterkészletet programozunk be, amely csak nagyon lassan nyitja a gázszelepet és egyáltalán nem gerjeszt lengéseket. A kovácsolás közben a behelyezett hideg anyag viszont gyorsan lehűti a kemencét. Ennek az állapotnak a lehető legrövidebb idő alatt meg kell szűnnie, ezért gyors beavatkozásra van szükség. Tehát a program kovácsolási időre vonatkozó szegmensébe az előzőhez képest sokkal durvábban beavatkozó PID készletet hívunk be, amely a gázszelepet gyorsan a szükséges mértékben nyitja és a hőmérséklet helyreállásakor zárja.
A működés időtartományban való szakaszolása:
A PID szabályozás minőségét (integrálkritériumok) is javítani lehet a program szerinti szabályozással, mivel a szabályozó dinamikus viselkedését egyértelműen az érvényes PID paraméter-készlet határozza meg. Az egyes programlépések közötti váltást ez esetben nem külső trigger jel, hanem belső időzítő vezérli. Ezt is egy kemencés példán szeretném bemutatni: Legyen a szabályozott jellemző pillanatnyi értéke 100 fokC, az alapjel 600 fokC, az arányossági tartomány 50. A szabályozás elindítása után a rendszer 100%-os kimenettel kezd és ezt 600-25=575 fokig így fut. Innen a PID tulajdonságok szerint eléri az alapjelet és tételezzük fel, hogy túllövéssel áll be. Ha ez a túllövés káros, megváltoztatjuk a PID paramétereket és így megszüntetjük a túllövést. Ez a paraméterkészlet viszont a beállást lelassítja, amely nem megengedett. A problémát csak programszabályozással (vagy más, drága, advanced control módszerrel) lehet megoldani. Írjunk programot a beállás gyorsítása érdekében!
Első programlépésünk legyen, hogy a szabályozó 100%-os kimenetet adjon ki 550 fokig.
Második programlépés lehet egy alapjel növelés (ramp) egy gyors PID készlettel 575 fokig.
A hátralévő részt finoman működő PID készlettel hajtsa végre a szabályozó. Helyesen paraméterezve a programot, így szinte tetszés szerinti minőségű szabályozást tudunk létrehozni. Tehát a folyamatot tetszés szerinti időtartamokra bontjuk és ezeket külön paraméterezve szabályozunk. Végezetül néhány szempont a megfelelő eszköz kiválasztásához: 1: Minden szabályozáshoz PID szabályozót célszerű választani.
2: Többnyire összetett, sok feladat ellátására alkalmas szabályozót gazdaságos választani, mert ha a technológia esetleg egy új feladat megoldását kívánja, egyszerűbb azt néhány gombnyomással elintézni, mint egy új eszközt vásárolni, beépíteni és működését megtanulni.
3: A HAGA Automatika a legjobb garanciális feltételekkel, a legolcsóbban, a legjobb szabályozókat kínálja Önnek.