PIDMA – PID regulátor s momentovým autotunerem

Symbol blokuPotřebná licence: AUTOTUNING
PIC

Popis funkce
V automatickém režimu (MAN = off) realizuje blok PIDMA řídicí zákon PID regulátoru se dvěma stupni volnosti ve tvaru

U(s) = ±K bW(s) Y (s) + 1 Tis W(s) Y (s) + Tds Td N s + 1 cW(s) Y (s) + Z(s)

kde U(s) je Laplaceova transformace řídicí veličiny mv, W(s) je Laplaceova transformace požadované hodnoty sp, Y (s) je Laplaceova transformace regulované veličiny pv, Z(s) je Laplaceova transformace dopředné vazby dv a K, Ti , Td, N, b, c jsou parametry regulátoru. Znaménko pravé strany závisí na parametru RACT. Rozsah řídicí veličiny mv (polohového výstupu regulátoru) je omezen parametry hilim, lolim. Parametr dz udává pásmo necitlivosti v integrační složce regulátoru. Navíc integrační složka může být vypnuta a zafixována na své aktuální hodnotě vstupem IH = on. Pro správnou funkci regulátoru je nutné propojit výstup regulátoru mv se vstupem tv a správně nastavit časovou konstantu vysledovávání tt (doporučená hodnota je tt Ti Td, pro PI regulátor tt 2 Ti). Tím bude zaručen bezrázový přechod při přepínání režimu regulátoru (manuální, automatický) a správná funkce regulátoru při saturaci výstupu mv (tzv. antiwindup). Přídavné výstupy dmv, de a SAT poskytují po řadě rychlostní výstup regulátoru (diference mv), regulační odchylku a příznak saturace výstupu regulátoru mv.

Jestliže je blok PIDMA propojen s blokem SCUV (za účelem realizace krokového regulátoru bez polohové zpětné vazby), potom parametr icotype musí být nastaven na hodnotu 4 a význam výstupů mv, dmv a SAT je v tomto případě pozměněn: výstup mv je roven součtu P a D složky regulátoru, zatímco výstup dmv poskytuje diferenci jeho I složky a výstup SAT nese informaci pro blok SCUV, zda je regulační odchylka de v automatickém režimu menší než pásmo necitlivosti dz. Pro případ propojení bloků PIDMA a SCUV se navíc doporučuje volit váhový koeficient požadované hodnoty pro derivační složku c rovný nule.

V manuálním režimu (MAN = on) je vstup hv kopírován na výstup mv. Celková regulační funkce bloku PIDMA je zřejmá z následujícího obrázku.

PIC

Blok PIDMA rozšiřuje řídicí funkci standardního PID regulátoru o vestavěné automatické nastavování parametrů (PID autotuner). Před spuštěním autotuneru musí operátor ve vhodném pracovním bodě dosáhnout ustáleného stavu a zvolit požadovaný typ regulátoru ittype (PI nebo PID) a nastavit další parametry autotuneru (iainf, DGC, tdg, tn, amp, dy a ispeed). Identifikační experiment se startuje vstupem TUNE (vstupem TBRK jej lze předčasně ukončit). V tomto módu (TBSY = on) je nejprve odhadnut drift a šum regulované veličiny (ve specifikovaném čase tdg+tn) a poté je na vstup procesu aplikován pravoúhlý puls. Z odezvy procesu jsou odhadnuty první tři momenty jeho impulsní odezvy. Amplituda pulsu se nastavuje parametrem amp. Puls je ukončen poté, co se hodnota regulované veličiny pv změní o více, než určuje tolerance (práh) dy (zadává se vždy jako kladné číslo). Pokud je nastaven příznak DGC, používá se při zpracování signálu speciální kompenzace trendu signálu. Odhad času zbývajícího do konce procesu ladění je přiveden na výstup trem.

Pokud experiment skončí úspěšně (TE = off) a vstup ips = 0, objeví se optimální parametry na výstupech pk, pti, ptd, pnd, pb, pc. V opačném případě (TE = on) určuje výstup ite kód chyby experimentu. Další hodnoty vstupu ips jsou rezervovány pro speciální účely.

Funkce autotuneru je demonstrována na následujícím obrázku.

PIC

Během identifikačního experimentu výstup ite indikuje jednotlivé fáze činnosti autotuneru. Ve fázi odhadu strmosti odeznívání odezvy (ite = -4) může být proces ladění předčasně manuálně ukončen. V tomto případě jsou parametry regulátoru řádně navrženy, avšak jejich možná nepřesnost je indikována varovným kódem ite = 100.

Po ukončení experimentu (TBSY on off) je funkce regulátoru závislá na nastaveném režimu (manuální, automatický). Jestliže TAFF = on, potom jsou navržené parametry okamžitě použity.

Vstupy

dv

Proměnná dopředné vazby

double

sp

Požadovaná hodnota (setpoint)

double

pv

Řízená veličina

double

tv

Veličina pro vysledování

double

hv

Hodnota výstupu v manuálním režimu

double

MAN

Manuální nebo automatický režim

bool

off ..

automatický režim

on ...

manuální režim

IH

Zastavení integrace

bool

off ..

integrování povoleno

on ...

integrování pozastaveno

TUNE

Zahájení ladicího experimentu nebo vynucení přechodu do další fáze experimentu

bool

TBRK

Ukončení ladicího experimentu

bool

TAFF

Přijetí výsledků ladicího experimentu

bool

off ..

parametry jsou pouze vypočítány

on ...

parametry jsou dosazeny do řídicího algoritmu

ips

Význam výstupních signálů pk, pti, ptd, pnd, pb a pc

long

0 ....

navržené parametry k, ti, td, nd, b a c PID regulátoru

1 ....

momenty procesu: zesílení (pk), míra zpoždění soustavy (pti), míra délky odezvy soustavy (ptd)

2 ....

tříparametrový model procesu prvního řádu s dopravním zpožděním: zesílení (pk), dopravní zpoždění (pti), časová konstanta (ptd)

3 ....

tříparametrový model procesu druhého řádu s násobnou časovou konstantou a dopravním zpožděním: zesílení (pk), dopravní zpoždění (pti), časová konstanta (ptd)

4 ....

odhad mezí intervalu pro manuální doladění zesílení k PID regulátoru (irtype = 7): horní mez khi (pk), dolní mez klo (pti)

>99 ..

slouží pro diagnostické účely

Výstupy

mv

Akční zásah regulátoru (manipulated variable)

double

dmv

Rychlostní výstup regulátoru (diference)

double

de

Regulační odchylka

double

SAT

Saturace

bool

off ..

lineární zákon řízení

on ...

výstup regulátoru je saturován

TBSY

Příznak probíhajícího ladicího experimentu

bool

TE

Příznak chyby během ladění

bool

off ..

Ladění proběhlo bez chyby

on ...

Během ladění se vyskytla chyba

ite

Kód chyby

long

Kódy chyb ladění (po experimentu):

0 ....

bez chyby

1 ....

příliš malá hodnota prahu pro ukončení pulzu

2 ....

příliš velká amplituda pulzu

3 ....

nebylo dosaženo ustáleného stavu

4 ....

příliš malá amplituda pulzu

5 ....

nebylo dosaženo ustáleného stavu

6 ....

při experimentu došlo k saturaci výstupu regulátoru

7 ....

pro vybraný typ regulátoru není podporováno automatické nastavování

8 ....

nedodržena podmínka monotónnosti procesu

9 ....

selhání extrapolace

10 ...

neočekávané hodnoty momentů (fatální)

11 ...

ruční přerušení experimentu uživatelem

12 ...

nesprávný směr řídicí veličiny (změňte parametr RACT)

100 ..

ruční ukončení ladění (varování)

Kódy fází ladění (během experimentu):

0 ....

čekání na ustálený stav před začátkem experimentu

-1 ...

odhad driftu a šumu (parametry tdg a tn)

-2 ...

generování obdélníkového pulzu (pulz končí při změně pv o hodnotu větší než dy)

-3 ...

hledání vrcholu odezvy

-4 ...

odhad rychlosti ustalování odezvy

Poznámka k ukončování fází ladění:

TUNE .

Náběžná hrana vstupu TUNE během fází -2, -3 and -4 způsobuje předčasné ukončení dané fáze a přechod do fáze následující (nebo ukončení experimentu ve fázi -4).

trem

Odhad času do ukončení experimentu [s]

double

pk

Navržené zesílení regulátoru K (ips = 0)

double

pti

Navržená integrační časová konstanta regulátoru Ti (ips = 0)

double

ptd

Navržená derivační časová konstanta regulátoru Td (ips = 0)

double

pnd

Navržený parametr filtru derivační složky N (ips = 0)

double

pb

Navržený váhový faktor pro proporcionální složku (ips = 0)

double

pc

Navržený váhový faktor pro derivační složku (ips = 0)

double

Parametry

irtype

Typ regulátoru  6

long

1 ....

D

2 ....

I

3 ....

ID

4 ....

P

5 ....

PD

6 ....

PI

7 ....

PID

RACT

Převrácené působení výstupu regulátoru

bool

off ..

vyšší mv vyšší pv

on ...

vyšší mv nižší pv

k

Zesílení regulátoru K  1.0

double

ti

Integrační časová konstanta Ti  4.0

double

td

Derivační časová konstanta Td  1.0

double

nd

Parametr filtru derivační složky N  10.0

double

b

Váhový faktor pro proporcionální složku  1.0

double

c

Váhový faktor pro derivační složku

double

tt

Časová konstanta vysledování. Pro regulátory bez integrační složky nemá žádný význam.  1.0

double

hilim

Horní mez akčního zásahu regulátoru  1.0

double

lolim

Dolní mez akčního zásahu regulátoru  -1.0

double

dz

Pásmo necitlivosti

double

icotype

Typ výstupu regulátoru  1

long

1 ....

analogový výstup

2 ....

šířkově modulovaný výstup (PWM)

3 ....

krokový regulátor s polohovou zpětnou vazbou (SCU)

4 ....

krokový regulátor bez polohové zpětné vazby (SCUV)

ittype

Požadovaný typ regulátoru pro návrh  6

long

6 ....

PI regulátor

7 ....

PID regulátor

iainf

Druh apriorní informace  1

long

1 ....

proces bez integrátoru

2 ....

proces s integračním chováním

DGC

Kompenzace gradientu trendu  on

bool

off ..

zakázáno

on ...

povoleno

tdg

Doba odhadu gradientu trendu [s]  60.0

double

tn

Doba odhadování šumu [s]  5.0

double

amp

Amplituda pulzu  0.5

double

dy

Práh pro ukončení pulsu (absolutní změna od ustálené hodnoty pv)   0.0 0.1

double

ispeed

Požadovaná rychlost uzavřené smyčky  2

long

1 ....

požadována pomalá uzavřená smyčka

2 ....

požadována středně rychlá uzavřená smyčka

3 ....

požadována rychlá uzavřená smyčka

ipid

Forma PID regulátoru  1

long

1 ....

paralelní realizace

2 ....

sériová realizace

2019 © REX Controls s.r.o., www.rexygen.com