Производна съставка в PID управлението без проблеми с шума

Диференциалното действие често е най-малко разбираемата част от PID контролера. Пропорционалното действие реагира на текущата грешка, докато интегралното действие натрупва миналата грешка. Диференциалното действие реагира на това колко бързо се променя избран сигнал. При внимателна употреба то добавя демпфиране и помага на контура да устои на бързо движение към надхвърляне. При небрежна употреба превръща шума от сензора и стъпковите промени на зададената стойност в резки движения на изхода.

Практическият въпрос не е дали диференциалното действие е добро или лошо. Въпросът е дали процесът, измерването, реализацията на контролера и целта на настройването предоставят полезна информация за диференциалното действие. Ос с измерима инерция може да се възползва от демпфирането. Шумният сигнал за дебит може да се влоши, когато високочестотните изменения се диференцират. Добрата настройка започва с идентифициране на тази разлика.

Какво измерва диференциалният член

При грешка на контролера, дефинирана като зададена стойност минус технологична променлива, диференциалното действие е пропорционално на скоростта на изменение на тази грешка. Ако грешката се променя бързо, приносът на диференциалния член е по-голям. Ако грешката е постоянна, приносът на диференциалния член се доближава до нула, дори когато самата грешка не е нулева.

Именно това поведение позволява на диференциалното действие да предвижда надхвърлянето. Да предположим, че контурът за позициониране се приближава бързо до целта си. Остатъчната грешка може да е малка, но скоростта на нейното изменение показва, че механизмът все още има инерция. Диференциалното действие може да намали командата, преди оста да премине целта. То не предсказва бъдещето в буквалния смисъл; реагира на текущия наклон.

Диференциалният член реагира на наклона, а не на големината на постоянната грешка.

Диференциално действие върху грешката спрямо измерването

Реализациите на контролерите не поставят диференциалното действие в един и същ път. Диференциалното действие върху грешката реагира както на движението на технологичната променлива, така и на движението на зададената стойност. Следователно внезапна стъпкова промяна на зададената стойност може да предизвика голяма временна промяна на изхода, известна като диференциален удар. Диференциалното действие върху измерването използва отрицателната скорост на изменение на технологичната променлива и така избягва директния удар от стъпкова промяна на зададената стойност.

Инженерите трябва да проверят ръководството на контролера, вместо да приемат, че структурата е една и съща. Настройката може да е описана като диференциално действие върху грешката, диференциално действие върху технологичната променлива, управление с две степени на свобода или претегляне на зададената стойност. Разликата има значение при пускането в експлоатация, защото един и същ коефициент може да се държи много различно, след като операторът промени зададената стойност.

Защо шумът от измерването се превръща в шум на изхода

Диференциалното действие усилва бързите промени. Реалните сензори съдържат електрически шум, квантуване, вибрации, турбулентност и вариации при дискретизацията. Дори малък високочестотен компонент може да създаде забележим диференциален изход. Резултатът може да бъде вибриращ клапан, команда за въртящ момент на задвижването, която се променя непрекъснато, или задвижващ механизъм, който се износва, без да подобрява управлението на процеса.

Затова практическите контролери използват филтрирано диференциално действие, а не идеален математически диференциатор. Ръководството на MathWorks за PID обяснява защо идеалното диференциално действие усилва високочестотния шум и защо във реалните системи се използва филтриране. Филтърът намалява чувствителността над избрана честота, но също така намалява фазовата полза, която диференциалното действие е предназначено да осигури. Филтрирането е част от компромиса при настройването, а не средство, което позволява неограничено усилване.

Дискретизацията и качеството на сигнала поставят границата

Качеството на диференциалното действие зависи от интервала между пробите. Ако контролерът дискретизира твърде бавно, може да пропусне съществени динамични процеси. Ако дискретизира бързо, но разделителната способност на сигнала е лоша, малки промени в брояча могат да изглеждат като стръмни наклони. Неравномерното времетраене на задачата добавя друга грешка, защото контролерът дели промяната на сигнала на променящ се времеви интервал.

Преди да добавите диференциално усилване, записвайте тренд на необработената технологична променлива с действителната честота на управляващата задача. Потвърдете, че мащабирането, времевите отпечатъци и инженерните единици са правилни. Проверете сигнала при установен процес и по време на контролирана промяна. Ако трендът е доминиран от шум или налягане, първо подобрете измерването, дискретизацията, екранирането, заземяването или филтрирането.

Безопасна последователност за настройване

Започнете в известна безопасна работна област и документирайте ограниченията на изхода. Изключете или сведете до минимум диференциалното действие. Настройте пропорционалното и интегралното действие, за да получите стабилна реакция, която разкрива динамиката на процеса. След това въведете малка стойност на диференциалното действие, като наблюдавате надхвърлянето, времето за установяване, активността на изхода и шума в измерването.

Правете само по една промяна наведнъж. Изпитвайте както реакцията при промяна на зададената стойност, така и потискането на смущенията, защото промяна в настройката може да подобри едното и да влоши другото. При системи за движение изпитвайте при различни товари, скорости и посоки. При контури за температура или дебит изпитвайте в повече от една работна точка, защото коефициентът на усилване на процеса и времевите константи могат да се променят с производителността.

Използвайте функциите на контролера, като ограничители на изхода, ограничения на скоростта на изменение, безударно превключване и проследяване при смяна на режима, когато са налични. Каталогът за PLC и PAC системи показва разнообразието от контролери, използвани за дискретни, динамични и технологични приложения, но точната структура на PID винаги трябва да се потвърждава в документацията за конкретния модел.

Симптоми на прекалено силно диференциално действие

Прекомерното диференциално усилване често се проявява като високочестотно движение на изхода, чувствителност към пикове в сензорния сигнал, чуваема активност на задвижващия механизъм или редуващи се корекции близо до зададената стойност. Контурът може да изглежда добре демпфиран при гладка симулация, но да се държи зле на машината, защото реалното измерване съдържа шум и механичен резонанс.

Не приемайте, че всяко колебание изисква повече демпфиране. Проверете механичната хлабина, разхлабените съединители, заяждането на клапана, лошото закрепване на сензора, мрежовото закъснение и трептенето на задачата. Диференциалното действие може да прикрие или да усили тези проблеми, но не може да ги отстрани.

Граници на риска при пускане в експлоатация

Промените в диференциалното действие могат да създадат бързи преходи на изхода. Определете граници на хода, ограничения на въртящия момент или налягането, безопасни амплитуди на изпитванията и достъпен авариен стоп, преди да започнете експерименти. Записвайте трендове на командата, технологичната променлива, грешката, приноса на диференциалното действие и всички флагове за насищане. Ако контролерът не показва отделните PID членове, използвайте изпитвателна среда или условие с намалена енергия, за да разберете реакцията.

При контури, които задвижват тежки механизми, започнете с изпитвания без товар или с намалена скорост, когато конструкцията на машината го позволява. При клапани и нагреватели вземете предвид износването на оборудването и топлинното закъснение. Никога не настройвайте около активна функция за безопасност и не използвайте базовия PID контур като заместител на независима защитна логика.

Кога PI е по-добрият избор

Много промишлени контури работят добре само с пропорционално и интегрално действие. Бавни топлинни системи, шумни измервания на дебита и процеси със значително мъртво време може да спечелят малко от диференциалното действие. Премахването на D намалява сложността и улеснява бъдещата поддръжка. Правилната конструкция е най-простият контролер, който изпълнява целта на процеса при очакваните работни условия.

Диференциалното действие заслужава мястото си, когато осигурява измеримо демпфиране без прекомерна активност на изхода. Това решение трябва да се основава на трендове, повторяеми изпитвания и познаване на структурата на контролера. Инженерната стойност на D не е драматичната реакция при една демонстрация. Тя е стабилното подобрение, което остава разбираемо за следващия човек, обслужващ контура.