Mở một đường tín hiệu analog trên DCS hoặc PLC, bạn thường sẽ bắt gặp một khối chức năng chẳng có gì đặc biệt hơn ngoài việc tính trung bình. Nó giữ lại năm mẫu gần nhất, cộng chúng, chia cho năm rồi ghi kết quả đó làm PV mà bộ PID thực sự nhận được. Khối này là một bộ lọc trung bình trượt—bộ làm mượt theo cửa sổ trượt mà các kỹ sư thiết bị thường dùng đầu tiên, vì phép tính dễ hiểu và độ trễ có thể dự đoán.

Đây không phải là cài đặt giảm chấn của transmitter, cũng không phải bộ lọc đệ quy bậc một (PT1). Mục đích giống nhau—loại nhiễu, giữ biến quá trình ở trạng thái sử dụng được—nhưng thuật toán khác nhau, và chi phí về độ trễ cũng khác.

Honeywell Experion PKS C300 trong tủ Series C: dòng bộ điều khiển DCS thường làm mượt các PV analog bằng các khối chức năng trong Control Execution Environment trước khi chúng đến bộ PID.

Cửa sổ trượt, không phải bộ nhớ đệ quy

Giữ lại N mẫu mới nhất. Sau mỗi lần quét mới, bỏ giá trị cũ nhất, thêm giá trị mới nhất rồi xuất ra giá trị trung bình số học của các mẫu còn lại:

Y(n) = [X(n) + X(n−1) + … + X(n−N+1)] / N

Nếu đầu vào analog được quét mỗi giây một lần và N = 10, mỗi đầu ra là giá trị trung bình của mười giây gần nhất. Độ rộng cửa sổ giữ nguyên; một mẫu đi vào thì một mẫu đi ra. Toàn bộ cơ chế chỉ có vậy.

Bộ lọc bậc một có tính đệ quy: đầu ra của lần quét này phụ thuộc vào đầu ra trước đó cộng với một phần của mẫu mới. Bộ trung bình trượt thì không. Nó chỉ xem lịch sử tín hiệu thô trong cửa sổ. Vì vậy, nó dễ giải thích hơn cho nhân viên vận hành phòng điều khiển, đồng thời phù hợp tự nhiên với DCS hoặc PLC vốn đã có bộ nhớ để lưu N giá trị analog.

ABB AC500 (bao gồm I/O an toàn AC500-S): bộ trung bình theo cửa sổ trượt thường là một khối chức năng hoặc đoạn mã ST trong Automation Builder, chứ không phải một mục menu ẩn trong transmitter.

Hai núm điều chỉnh: độ dài cửa sổ và thời gian lấy mẫu

Mức độ lọc không chỉ phụ thuộc vào N. Thời gian đáp ứng là N × chu kỳ lấy mẫu. N = 10 ở mức 1 s tạo ra cửa sổ mười giây. Cũng với N đó nhưng ở mức 100 ms, cửa sổ chỉ dài một giây. Hãy xem chúng là một cặp; nếu không, bạn sẽ sao chép một cài đặt “tốt” từ vòng điều khiển này sang vòng khác rồi thắc mắc vì sao van bỗng phản ứng chậm chạp.

N càng lớn thì càng loại được nhiều nhiễu nhưng độ trễ càng tăng. Sau một bước nhảy thực sự trong phép đo, PV đã lọc cần N mẫu mới hoàn toàn bắt kịp giá trị mới. Với một đầu đo nhiệt độ phản ứng chậm, điều này thường chấp nhận được. Nhưng với vòng áp suất hoặc lưu lượng cần loại nhiễu tải, cửa sổ quá dài sẽ khiến bộ PID trông như phản ứng lười biếng, trong khi nguyên nhân thực sự là độ trễ của bộ lọc.

Nhiễu tuần hoàn là trường hợp duy nhất bạn có thể chủ động chọn kích thước cửa sổ. Nếu nhiễu lặp lại khoảng một lần mỗi giây và bạn quét ở mức 100 ms, N = 10 bao phủ trọn một chu kỳ và lấy trung bình để gợn nhiễu tiến gần về 0. Đó là lúc bộ trung bình trượt phát huy tốt nhất: khớp cửa sổ với chu kỳ nhiễu, thay vì chọn một con số tròn “trông có vẻ mượt” trên biểu đồ xu hướng.

So sánh bộ trung bình trượt với bộ lọc bậc một (PT1)

Cả hai đều là công cụ lọc thông thấp. Bộ trung bình trượt trực quan hơn: bạn có thể chỉ rõ N mẫu gần nhất. Nó cũng cần nhiều bộ nhớ hơn và thực hiện nhiều phép cộng hơn trong mỗi lần quét. Bộ lọc bậc một chỉ cần một số phép nhân—đủ nhẹ để dùng trong transmitter hoặc một mô-đun I/O nhúng nhỏ không thể lưu cả cửa sổ dữ liệu.

Trên một DCS hoặc PLC đầy đủ, lập luận về bộ nhớ hiếm khi mang tính quyết định. Các bộ xử lý Honeywell Experion PKS C300 trong phần cứng Series C C300 và CPU ABB AC500 trong dòng PLC ABB có đủ không gian để lưu một lịch sử analog ngắn. Hãy lập trình bộ làm mượt ở nơi bạn có thể quan sát, ghi rõ N và tốc độ quét bên cạnh bộ PID, đồng thời đặt mức giảm chấn của transmitter ở một giá trị đã biết, thường là nhỏ, để không vô tình lọc hai lần nối tiếp.

Những gì nó không thể làm

Độ trễ là cái giá phải trả cho mọi bộ làm mượt. Nhiệt độ thường có thể hấp thụ độ trễ này. Các vòng áp suất và lưu lượng nhìn chung thì không—lọc quá mức các PV này sẽ khiến bộ điều khiển phải chống chọi với một quá trình bị trễ.

Các đỉnh nhiễu được loại khỏi cửa sổ trung bình tương đối tốt. Nhưng trôi chậm thì không: bộ lọc thông thấp sẽ bám theo một tín hiệu dốc, chỉ là muộn hơn. Nếu vấn đề nằm ở điểm 0 bị trôi hoặc đường ống lấy áp bị tắc, hãy sửa phép đo; đừng che giấu nó bằng một cửa sổ dài hơn.

Một bộ trung bình trượt đơn giản cũng không tạo ra cú giật bổ sung ở biên cửa sổ—mọi mẫu trong bộ đệm đều có trọng số như nhau. Bộ trung bình có trọng số (mẫu mới hơn được tính nhiều hơn) bám theo bước thay đổi nhanh hơn một chút và cần nhiều phép tính hơn. Hãy dùng dạng có trọng số khi vấn đề của vòng nhanh là độ trễ nhưng bạn vẫn cần lấy trung bình; hãy giữ dạng trọng số bằng nhau khi muốn hành vi của bộ lọc rõ ràng đối với ca trực đêm tiếp theo.