Derivatív tag a PID-szabályozásban zajproblémák nélkül

A deriváló hatás gyakran a PID-szabályozó legkevésbé értett része. A proporcionális hatás a jelenlegi hibára reagál, míg az integráló hatás a múltbeli hibát halmozza. A deriváló hatás azt figyeli, milyen gyorsan változik egy kiválasztott jel. Körültekintően alkalmazva csillapítást ad, és segít abban, hogy a szabályozási kör ellenálljon a túllövés felé irányuló gyors elmozdulásnak. Gondatlan használat esetén azonban az érzékelőzajt és az alapjelugrásokat éles kimeneti változásokká alakítja.

A gyakorlati kérdés nem az, hogy a deriválás jó vagy rossz-e. Hanem az, hogy a folyamat, a mérés, a szabályozó megvalósítása és a hangolási cél biztosít-e hasznos információt a deriváló hatás számára. A mérhető tehetetlenséggel rendelkező mozgástengelyek profitálhatnak a csillapításból. Egy zajos áramlási jel viszont romolhat, ha a nagyfrekvenciás változásokat deriváljuk. A jó hangolás annak felismerésével kezdődik, hogy e két eset különbözik.

Mit mér a deriváló tag?

Ha a szabályozási hibát alapjel mínusz folyamatváltozó formában definiáljuk, akkor a deriváló hatás e hiba változási sebességével arányos. Ha a hiba gyorsan változik, a deriváló hozzájárulás nagyobb. Ha a hiba állandó, a deriváló hozzájárulás nullához közelít, még akkor is, ha maga a hiba nem nulla.

Ez a viselkedés magyarázza, miért képes a deriválás előre jelezni a túllövést. Tegyük fel, hogy egy pozíciószabályozási kör gyorsan közeledik a célértékhez. A fennmaradó hiba kicsi lehet, de a változási sebessége azt mutatja, hogy a mechanizmusnak még van lendülete. A deriváló hatás csökkentheti a vezérlőjelet, mielőtt a tengely áthaladna a célértéken. Nem szó szerinti értelemben jósolja meg a jövőt; az aktuális meredekségre reagál.

A deriváló tag a meredekségre reagál, nem egy állandó hiba nagyságára.

Deriválás a hibán vagy a mérésen

A szabályozók megvalósítása nem minden esetben ugyanabba az útvonalba helyezi a deriváló tagot. A hibán végzett deriválás a folyamatváltozó és az alapjel változására egyaránt reagál. Egy hirtelen alapjelugrás ezért nagy, átmeneti kimeneti változást okozhat, amelyet deriválási rúgásnak nevezünk. A mérésen végzett deriválás a folyamatváltozó változási sebességének negatívját használja, így elkerüli az alapjelugrásból származó közvetlen rúgást.

A mérnököknek a szabályozó kézikönyvét kell ellenőrizniük, nem pedig feltételezniük az alkalmazott struktúrát. A beállítás szerepelhet „deriválás a hibán”, „deriválás a folyamatváltozón”, „két szabadságfokú szabályozás” vagy „alapjel-súlyozás” néven. A különbség az üzembe helyezés során fontos, mert ugyanaz az erősítés teljesen eltérően viselkedhet, miután a kezelő megváltoztatja az alapjelet.

Miért válik a mérési zaj kimeneti zajjá?

A deriválás kiemeli a gyors változásokat. A valós érzékelők elektromos zajt, kvantálási hibát, rezgést, turbulenciát és mintavételi változásokat tartalmaznak. Már egy kis nagyfrekvenciás összetevő is észrevehető deriváló kimenetet hozhat létre. Ennek eredménye lehet egy remegő szelep, egy folyamatosan változó hajtási nyomatékparancs vagy egy olyan működtető, amely a folyamat szabályozásának javulása nélkül kopik.

A gyakorlati szabályozók ezért ideális matematikai differenciáló helyett szűrt deriválást használnak. A MathWorks PID-útmutatója bemutatja, miért erősíti fel az ideális deriváló hatás a nagyfrekvenciás zajt, és miért alkalmaznak szűrést a valós rendszerekben. A szűrő egy kiválasztott frekvencia felett csökkenti az érzékenységet, ugyanakkor mérsékli azt a fázisjavító hatást is, amelyet a deriválás biztosítani hivatott. A szűrés a hangolási kompromisszum része, nem olyan megoldás, amely korlátlan erősítést tesz lehetővé.

A mintavételezés és a jelminőség korlátot szab

A deriválás minősége a minták közötti időintervallumtól függ. Ha a szabályozó túl lassan mintavételez, elmulaszthatja a lényeges dinamikákat. Ha gyorsan mintavételez, de a jel felbontása gyenge, a kis számlálóváltozások meredek meredekségnek tűnhetnek. Az egyenetlen feladatidőzítés további hibát okoz, mert a szabályozó a jelváltozást változó időintervallummal osztja el.

A D-erősítés hozzáadása előtt rögzítse a nyers folyamatváltozó trendjét a tényleges szabályozási feladat ütemében. Ellenőrizze, hogy a skálázás, az időbélyegek és a mérnöki mértékegységek helyesek-e. Vizsgálja meg a jelet állandósult folyamat mellett és szabályozott változás közben is. Ha a trendet a zaj vagy az aliasing uralja, először javítsa a mérést, a mintavételezést, az árnyékolást, a földelést vagy a szűrést.

Biztonságos hangolási sorrend

Kezdje egy ismerten biztonságos üzemi tartománnyal és dokumentált kimeneti határértékekkel. Kapcsolja ki vagy csökkentse minimálisra a deriválást. Hangolja be a proporcionális és integráló hatást úgy, hogy stabil választ kapjon, amely feltárja a folyamat dinamikáját. Ezután kis deriváló értéket vezessen be, miközben figyeli a túllövést, a beállási időt, a kimeneti aktivitást és a mérési zajt.

Egyszerre csak egy változtatást hajtson végre. Vizsgálja az alapjelválaszt és a zavarelhárítást is, mert egy hangolási módosítás javíthatja az egyiket, miközben ronthatja a másikat. Mozgásrendszereknél teszteljen különböző terhelés, sebesség és irány mellett. Hőmérséklet- vagy áramlásszabályozási köröknél egynél több üzemi ponton végezzen tesztet, mert a folyamat erősítése és időállandói a termelési sebességgel változhatnak.

Használja az elérhető szabályozói funkciókat, például a kimeneti korlátozókat, a változási sebesség korlátozását, a lökésmentes átkapcsolást és az üzemmódváltás követését. A PLC- és PAC-rendszerek katalógusa bemutatja a diszkrét, mozgás- és folyamatszabályozási alkalmazásokban használt szabályozók választékát, de a pontos PID-struktúrát mindig az adott modellhez tartozó dokumentációban kell ellenőrizni.

A túl nagy deriválás tünetei

A túl nagy D-erősítés gyakran nagyfrekvenciás kimeneti mozgásként, az érzékelőtüskékre való érzékenységként, hallható működtető-aktivitásként vagy az alapjel közelében váltakozó korrekciókként jelentkezik. Egy szabályozási kör sima szimulációban jól csillapítottnak tűnhet, a gépen mégis rosszul viselkedhet, mert a valós mérés zajt és mechanikai rezonanciát tartalmaz.

Ne tekintsen minden rezgést több csillapítás iránti igénynek. Ellenőrizze a mechanikai holtjátékot, a laza csatlakozásokat, a szelep tapadását, az érzékelő nem megfelelő rögzítését, a hálózati késleltetést és a feladat időzítésének ingadozását. A deriválás elfedheti vagy felerősítheti ezeket a problémákat, de nem képes kijavítani őket.

Kockázati határok az üzembe helyezés során

A deriválás módosításai gyors kimeneti átmeneteket hozhatnak létre. A kísérletezés előtt állítson be elmozdulási határértékeket, nyomaték- vagy nyomáshatárokat, biztonságos tesztamplitúdókat, és biztosítson könnyen elérhető leállítási lehetőséget. Rögzítse a parancsjelet, a folyamatváltozót, a hibát, a deriváló hozzájárulást és az esetleges telítési jelzőket. Ha a szabályozó nem teszi láthatóvá az egyes PID-tagokat, használjon tesztkörnyezetet vagy csökkentett energiájú üzemállapotot a válasz megértéséhez.

Nehéz mechanikát hajtó szabályozási köröknél kezdje terhelés nélküli vagy csökkentett sebességű tesztekkel, ha a gép kialakítása ezt lehetővé teszi. Szelepeknél és fűtőberendezéseknél vegye figyelembe a berendezés kopását és a hőtehetetlenséget. Soha ne hangoljon aktív biztonsági funkció megkerülésével, és ne használja az alapvető PID-kört a független védelmi logika helyettesítésére.

Mikor jobb választás a PI-szabályozás?

Sok ipari szabályozási kör jól működik pusztán proporcionális és integráló hatással. A lassú hőmérséklet-szabályozási rendszerek, a zajos áramlási mérések és a jelentős holtidővel rendelkező folyamatok gyakran keveset profitálnak a deriválásból. A D-tag elhagyása csökkenti az összetettséget, és megkönnyíti a későbbi karbantartást. A megfelelő kialakítás az a legegyszerűbb szabályozó, amely a várható üzemi körülmények között teljesíti a folyamat célját.

A deriváló hatás akkor érdemel helyet, ha túlzott kimeneti aktivitás nélkül mérhető csillapítást eredményez. Ezt a döntést trendekre, megismételhető tesztekre és a szabályozó struktúrájának ismeretére kell alapozni. A D-tag mérnöki értéke nem egyetlen bemutatón látványos válasz. Hanem olyan stabil javulás, amely a szabályozási kör következő karbantartója számára is érthető marad.