การดำเนินการอนุพันธ์ในการควบคุมแบบ PID โดยไม่มีปัญหาสัญญาณรบกวน

การควบคุมแบบอนุพันธ์มักเป็นส่วนที่เข้าใจได้ยากที่สุดของตัวควบคุม PID การควบคุมแบบสัดส่วนตอบสนองต่อข้อผิดพลาดในปัจจุบัน ขณะที่การควบคุมแบบอินทิกรัลสะสมข้อผิดพลาดในอดีต การควบคุมแบบอนุพันธ์ตอบสนองต่ออัตราการเปลี่ยนแปลงของสัญญาณที่เลือก เมื่อใช้อย่างระมัดระวัง จะช่วยเพิ่มการหน่วงและช่วยให้ลูปต้านทานการเคลื่อนที่อย่างรวดเร็วไปสู่การโอเวอร์ชูตได้ เมื่อใช้อย่างไม่ระมัดระวัง จะเปลี่ยนสัญญาณรบกวนจากเซนเซอร์และสเต็ปของค่ากำหนดให้กลายเป็นการเคลื่อนที่ของเอาต์พุตอย่างฉับพลัน

คำถามในทางปฏิบัติไม่ใช่ว่าอนุพันธ์ดีหรือไม่ดี แต่คือกระบวนการ สัญญาณวัด การติดตั้งตัวควบคุม และเป้าหมายการจูน ให้ข้อมูลที่เป็นประโยชน์ต่ออนุพันธ์หรือไม่ แกนการเคลื่อนที่ที่มีความเฉื่อยและวัดได้อาจได้รับประโยชน์จากการหน่วง ส่วนสัญญาณการไหลที่มีสัญญาณรบกวนอาจแย่ลงเมื่อความแปรผันความถี่สูงถูกหาอนุพันธ์ การจูนที่ดีเริ่มจากการระบุความแตกต่างนี้

เทอมอนุพันธ์วัดอะไร

สำหรับข้อผิดพลาดของตัวควบคุมที่กำหนดเป็นค่ากำหนดลบด้วยตัวแปรกระบวนการ การควบคุมแบบอนุพันธ์จะแปรผันตามอัตราการเปลี่ยนแปลงของข้อผิดพลาด หากข้อผิดพลาดเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็ว ส่วนของอนุพันธ์จะมีค่ามากขึ้น หากข้อผิดพลาดคงที่ ส่วนของอนุพันธ์จะเข้าใกล้ศูนย์ แม้ว่าตัวข้อผิดพลาดเองจะไม่เป็นศูนย์ก็ตาม

พฤติกรรมนี้เป็นเหตุผลที่อนุพันธ์สามารถคาดการณ์การโอเวอร์ชูตได้ สมมติว่าลูปตำแหน่งกำลังเข้าใกล้เป้าหมายอย่างรวดเร็ว ข้อผิดพลาดที่เหลืออาจมีค่าน้อย แต่อัตราการเปลี่ยนแปลงของข้อผิดพลาดแสดงให้เห็นว่ากลไกยังมีโมเมนตัม การควบคุมแบบอนุพันธ์สามารถลดคำสั่งได้ก่อนที่แกนจะข้ามเป้าหมาย อนุพันธ์ไม่ได้ทำนายอนาคตอย่างแท้จริง แต่ตอบสนองต่อความชันในปัจจุบัน

เทอมอนุพันธ์ตอบสนองต่อความชัน ไม่ใช่ขนาดของข้อผิดพลาดที่คงที่

อนุพันธ์จากข้อผิดพลาดเทียบกับจากการวัด

การติดตั้งตัวควบคุมไม่ได้วางอนุพันธ์ไว้ในเส้นทางเดียวกันทั้งหมด อนุพันธ์จากข้อผิดพลาดจะตอบสนองทั้งต่อการเคลื่อนที่ของตัวแปรกระบวนการและการเปลี่ยนแปลงของค่ากำหนด ดังนั้นการเปลี่ยนค่ากำหนดแบบสเต็ปอย่างฉับพลันจึงอาจทำให้เอาต์พุตเปลี่ยนแปลงชั่วคราวอย่างมาก ซึ่งเรียกว่าอนุพันธ์คิก อนุพันธ์จากการวัดใช้ค่าลบของอัตราการเปลี่ยนแปลงของตัวแปรกระบวนการ จึงหลีกเลี่ยงคิกโดยตรงจากการเปลี่ยนค่ากำหนดแบบสเต็ปได้

วิศวกรต้องตรวจสอบคู่มือตัวควบคุมแทนการสันนิษฐานว่าใช้โครงสร้างแบบใด การตั้งค่าอาจระบุว่าเป็นอนุพันธ์จากข้อผิดพลาด อนุพันธ์จากตัวแปรกระบวนการ การควบคุมแบบสององศาอิสระ หรือการถ่วงน้ำหนักค่ากำหนด ความแตกต่างนี้สำคัญระหว่างการเริ่มเดินระบบ เพราะเกนเดียวกันอาจให้พฤติกรรมแตกต่างกันมากหลังจากผู้ปฏิบัติงานเปลี่ยนค่ากำหนด

เหตุใดสัญญาณรบกวนจากการวัดจึงกลายเป็นสัญญาณรบกวนของเอาต์พุต

อนุพันธ์จะขยายการเปลี่ยนแปลงที่รวดเร็ว เซนเซอร์จริงมีสัญญาณรบกวนทางไฟฟ้า ควอนไทเซชัน การสั่นสะเทือน ความปั่นป่วน และความแปรผันจากการสุ่มตัวอย่าง แม้ส่วนประกอบความถี่สูงเพียงเล็กน้อยก็สามารถสร้างเอาต์พุตอนุพันธ์ที่สังเกตเห็นได้ ผลลัพธ์อาจเป็นวาล์วที่สั่นกระตุก คำสั่งแรงบิดของไดรฟ์ที่เคลื่อนที่อย่างต่อเนื่อง หรือแอกชูเอเตอร์ที่สึกหรอโดยไม่ได้ช่วยปรับปรุงการควบคุมกระบวนการ

ดังนั้นตัวควบคุมในทางปฏิบัติจึงใช้อนุพันธ์แบบมีตัวกรองแทนตัวทำอนุพันธ์ทางคณิตศาสตร์ในอุดมคติ คำแนะนำเกี่ยวกับ PID ของ MathWorks อธิบายว่าเหตุใดการควบคุมแบบอนุพันธ์ในอุดมคติจึงขยายสัญญาณรบกวนความถี่สูง และเหตุใดระบบจริงจึงใช้ตัวกรอง ตัวกรองจะลดความไวเหนือความถี่ที่เลือก แต่ก็ลดประโยชน์ด้านเฟสที่อนุพันธ์ควรให้ด้วย การกรองเป็นส่วนหนึ่งของการแลกเปลี่ยนในการจูน ไม่ใช่ทางแก้ที่ทำให้สามารถเพิ่มเกนได้โดยไม่จำกัด

การสุ่มตัวอย่างและคุณภาพสัญญาณเป็นตัวกำหนดขีดจำกัด

คุณภาพของอนุพันธ์ขึ้นอยู่กับช่วงเวลาระหว่างตัวอย่าง หากตัวควบคุมสุ่มตัวอย่างช้าเกินไป อาจพลาดพลวัตที่สำคัญ หากสุ่มตัวอย่างเร็วแต่ความละเอียดของสัญญาณต่ำ การเปลี่ยนแปลงของจำนวนครั้งเพียงเล็กน้อยอาจดูเหมือนความชันสูง การจับเวลางานที่ไม่สม่ำเสมอยังเพิ่มข้อผิดพลาดอีกด้วย เพราะตัวควบคุมต้องหารการเปลี่ยนแปลงของสัญญาณด้วยช่วงเวลาที่เปลี่ยนแปลงอยู่เสมอ

ก่อนเพิ่มเกน D ให้บันทึกแนวโน้มของตัวแปรกระบวนการดิบด้วยอัตราของงานควบคุมจริง ตรวจสอบให้แน่ใจว่าการสเกล การประทับเวลา และหน่วยทางวิศวกรรมถูกต้อง ตรวจสอบสัญญาณทั้งขณะกระบวนการคงที่และระหว่างการเปลี่ยนแปลงที่ควบคุมไว้ หากแนวโน้มถูกครอบงำด้วยสัญญาณรบกวนหรือแอลิเอซิง ให้ปรับปรุงการวัด การสุ่มตัวอย่าง การป้องกันสัญญาณรบกวน การต่อลงดิน หรือการกรองก่อน

ลำดับการจูนอย่างปลอดภัย

เริ่มจากช่วงการทำงานที่ทราบว่าปลอดภัยและมีการบันทึกขีดจำกัดเอาต์พุตไว้ ปิดใช้งานหรือลดอนุพันธ์ให้น้อยที่สุด จูนการควบคุมแบบสัดส่วนและอินทิกรัลเพื่อให้ได้การตอบสนองที่เสถียรและเผยให้เห็นพลวัตของกระบวนการ จากนั้นเพิ่มค่าอนุพันธ์เล็กน้อย พร้อมเฝ้าดูการโอเวอร์ชูต เวลาเข้าสู่ค่าสมดุล กิจกรรมของเอาต์พุต และสัญญาณรบกวนจากการวัด

เปลี่ยนแปลงทีละรายการ ทดสอบทั้งการตอบสนองต่อค่ากำหนดและการขจัดการรบกวน เพราะการเปลี่ยนแปลงการจูนอาจปรับปรุงด้านหนึ่งแต่ทำให้อีกด้านแย่ลง สำหรับระบบการเคลื่อนที่ ให้ทดสอบกับโหลด ความเร็ว และทิศทางที่แตกต่างกัน สำหรับลูปอุณหภูมิหรือการไหล ให้ทดสอบที่จุดการทำงานมากกว่าหนึ่งจุด เพราะเกนของกระบวนการและค่าคงตัวเวลาของกระบวนการอาจเปลี่ยนไปตามอัตราการผลิต

ใช้คุณสมบัติของตัวควบคุม เช่น ตัวจำกัดเอาต์พุต ขีดจำกัดอัตราการเปลี่ยนแปลง การถ่ายโอนแบบไร้การกระชาก และการติดตามขณะเปลี่ยนโหมด หากมีให้ใช้ แคตตาล็อก ระบบ PLC และ PAC แสดงช่วงของตัวควบคุมที่ใช้กับงานดิสครีต การเคลื่อนที่ และกระบวนการ แต่ต้องยืนยันโครงสร้าง PID ที่แน่นอนจากเอกสารเฉพาะรุ่นเสมอ

อาการของอนุพันธ์ที่มากเกินไป

เกน D ที่สูงเกินไปมักแสดงออกเป็นการเคลื่อนที่ของเอาต์พุตความถี่สูง ความไวต่อสัญญาณกระชากจากเซนเซอร์ กิจกรรมของแอกชูเอเตอร์ที่ได้ยินเป็นเสียง หรือการแก้ไขสลับไปมาบริเวณค่ากำหนด ลูปอาจดูมีการหน่วงที่ดีในการจำลองที่ราบรื่น แต่ทำงานได้ไม่ดีบนเครื่องจักร เพราะการวัดจริงมีสัญญาณรบกวนและเรโซแนนซ์ทางกล

อย่าถือว่าการสั่นทุกชนิดเป็นคำขอให้เพิ่มการหน่วง ตรวจสอบระยะคลอนทางกล ข้อต่อหลวม การติดขัดของวาล์ว การติดตั้งเซนเซอร์ที่ไม่ดี ความหน่วงของเครือข่าย และความคลาดเคลื่อนของการจับเวลางาน อนุพันธ์อาจบดบังหรือขยายปัญหาเหล่านี้ แต่ไม่สามารถแก้ไขปัญหาเหล่านี้ได้

ขอบเขตความเสี่ยงระหว่างการเริ่มเดินระบบ

การเปลี่ยนแปลงอนุพันธ์อาจทำให้เอาต์พุตเปลี่ยนอย่างรวดเร็ว กำหนดขีดจำกัดระยะการเคลื่อนที่ ขีดจำกัดแรงบิดหรือความดัน แอมพลิจูดการทดสอบที่ปลอดภัย และปุ่มหยุดที่เข้าถึงได้ก่อนเริ่มทดลอง บันทึกแนวโน้มของคำสั่ง ตัวแปรกระบวนการ ข้อผิดพลาด ส่วนของอนุพันธ์ และแฟล็กการอิ่มตัว หากตัวควบคุมไม่แสดงส่วนประกอบ PID แต่ละส่วน ให้ใช้สภาพแวดล้อมทดสอบหรือเงื่อนไขพลังงานที่ลดลงเพื่อทำความเข้าใจการตอบสนอง

สำหรับลูปที่ขับเคลื่อนกลไกหนัก ให้เริ่มจากการทดสอบโดยไม่มีโหลดหรือลดความเร็ว หากการออกแบบเครื่องจักรเอื้ออำนวย สำหรับวาล์วและฮีตเตอร์ ให้คำนึงถึงการสึกหรอของอุปกรณ์และความหน่วงทางความร้อน อย่าจูนโดยอาศัยฟังก์ชันความปลอดภัยที่กำลังทำงานอยู่ และอย่าใช้ลูป PID พื้นฐานแทนตรรกะป้องกันอิสระ

เมื่อ PI เป็นตัวเลือกที่ดีกว่า

ลูปอุตสาหกรรมจำนวนมากทำงานได้ดีด้วยการควบคุมแบบสัดส่วนและอินทิกรัลเพียงอย่างเดียว ระบบความร้อนที่ช้า การวัดการไหลที่มีสัญญาณรบกวน และกระบวนการที่มีเวลาตายมาก อาจได้รับประโยชน์จากอนุพันธ์เพียงเล็กน้อย การนำ D ออกช่วยลดความซับซ้อนและทำให้การบำรุงรักษาในอนาคตง่ายขึ้น การออกแบบที่เหมาะสมคือตัวควบคุมที่เรียบง่ายที่สุดซึ่งบรรลุเป้าหมายของกระบวนการได้ภายใต้สภาวะการทำงานที่คาดไว้

การควบคุมแบบอนุพันธ์สมควรมีอยู่เมื่อสามารถสร้างการหน่วงที่วัดได้โดยไม่ทำให้เอาต์พุตมีกิจกรรมมากเกินไป การตัดสินใจควรอาศัยแนวโน้ม การทดสอบที่ทำซ้ำได้ และความเข้าใจในโครงสร้างของตัวควบคุม คุณค่าทางวิศวกรรมของ D ไม่ใช่การตอบสนองที่หวือหวาในการสาธิตเพียงครั้งเดียว แต่คือการปรับปรุงที่เสถียรและยังคงเข้าใจได้สำหรับบุคคลถัดไปที่เข้ามาบำรุงรักษาลูป