Kuidas diagnoosida tuletise müra võimendust OLLA Labi ostsilloskoobiga

PID-regulaatori tuletise võimendus (derivative gain) võimendab kõrgsageduslikku mõõtmismüra, kuna see reageerib vea muutumise kiirusele. Mürarikastes ahelates võib liigne tuletuskomponent põhjustada tugevat regulaatori väljundi võnkumist, destabiliseerida ahelat ja kiirendada täiturmehhanismi kulumist. Filtreerimine, piiratud häälestamine või tuletuskomponendi (D) väljalülitamine on standardsed insenertehnilised vastumeetmed.

Tuletuskomponent ei ole automaatselt "täiustatud juhtimine". Paljudes tööstuslikes ahelates võib see kiiresti viia mürarikka väljundi ja tarbetu riistvaralise koormuseni.

Tuletuskomponent reageerib vea kaldele, mitte ainult selle suurusele. See on oluline, sest väikesed ja kiired mõõtmispiigid võivad tekitada suuri tuletise "lööke" isegi siis, kui protsess ise vaevalt liigub. Regulaator näeb liikumist; seade võib näha müra.

OLLA Labi PID-juhtpaneeli sisemise võrdlusuuringu käigus suurendas 0,5-se tuletise võimenduse rakendamine simuleeritud vooluhulga ahelale, millel oli 2% dispersiooniga müraprofiil, juhtmuutuja võnkumist umbes 400% võrreldes ainult PI-regulaatorit kasutava baastasemega. [Metoodika: n=20 korduvat häälestuskatset ühel mürarikkal vooluhulga ahela eelseadistusel; baastaseme võrdlus = sama ahel identsete P- ja I-väärtustega ning D seatud 0-le; ajaaken = 10-minutiline simuleeritud tööaeg katse kohta.] See toetab kitsast järeldust: tuletuskomponent võib mürarikkas ahelas oluliselt võimendada väljundi võnkumist. See ei kehtesta universaalset protsenti kõigile protsessidele, regulaatoritele või klapikoostudele.

Siin muutub simulatsioonikeskkond operatiivselt kasulikuks. "Simulatsioonivalmis" insener ei ole keegi, kes suudab lihtsalt PID-ploki ekraanile asetada; see on keegi, kes suudab tõestada, jälgida, diagnoosida ja tugevdada ahela käitumist realistliku protsessimüra vastu enne, kui loogika jõuab reaalajas protsessini.

Viga on lihtne: tuletuskomponent käsitleb kõrgsageduslikku müra kui sisulist muutust, kuna see põhineb vea muutumise kiirusel.

Standardses ISA-kujulises PID-struktuuris on tuletuskomponent võrdeline vea ajatuletisega:

ISA standardse PID-võrrandi tekstkuju:

m(t) = Kp [ e(t) + (1/Ti) ∫ e(t)dt + Td * de(t)/dt ]

Kus:

• `m(t)` = regulaatori väljund
• `Kp` = proportsionaalvõimendus
• `e(t)` = viga = seadeväärtus - protsessi muutuja
• `Ti` = integraalaeg
• `Td` = tuletusaeg

Tuletuskomponendile ei lähe korda, kas kiire signaalimuutus tuli tegelikust protsessi dünaamikast või anduri mürast, elektromagnetilistest häiretest (EMI), kvantimisest, turbulentsist, halvast maandusest või anduri rikkest. See näeb ainult kallet.

Miks väike müra võib tekitada suure tuletise väljundi

Väikese amplituudiga häirel võib siiski olla suur tuletise väärtus, kui see toimub lühikese skaneerimisintervalli jooksul.

Näiteks:

• Eeldame, et PV (protsessi muutuja) piik on vaid 0,1%
• Eeldame, et see toimub 10 ms jooksul
• Näiv muutumiskiirus on siis protsessi skaala suhtes kõrge
• Tuletuskomponent korrutab selle kalde ja surub regulaatori väljundit järsult

Seetõttu üllatab tuletisega seotud probleem sageli nooremaid insenere. PV-trend võib tunduda vaid kergelt ebaühtlane, samas kui CV (juhtmuutuja) trend muutub palju ebakindlamaks.

Miks on probleem reaalsetes tehastes hullem kui puhastes näidetes

Reaalsed protsessisignaalid on harva õpikupuhas-puhtad.

Levinud müraallikad on:

• turbulentne vooluhulga mõõtmine
• rõhu pulsatsioon
• elektrilised häired
• maandus- ja varjestusdefektid
• A/D-muunduri värin (jitter)
• halb impulssliini paigaldus
• klapi põhjustatud protsessi tsüklilisus
• mehaaniline vibratsioon instrumentide läheduses

Simulaatoris või klassiruumi võrrandis võib tuletis tunduda elegantne. Tehases, kus on marginaalne vooluhulga signaal ja kiire skaneerimine, muutub see elegants sageli võnkumiseks.

Tuletise võimendus kahjustab riistvara kaudselt, sundides ebakindlaid kõrgsageduslikke regulaatori väljundi muutusi füüsilistesse täiturmehhanismidesse, mida ei ole projekteeritud pidevaks "jahipidamiseks".

Juhtsüsteemi tagajärg on CV võnkumine. Mehaaniline tagajärg on kulumine.

Mida tähendab "klapi võnkumine" operatiivselt

Klapi võnkumine on jälgitav muster, kus regulaatori väljund võngub piisavalt kiiresti, et põhjustada korduvaid ja tarbetuid täiturmehhanismi liigutusi ilma vastava protsessikasuta.

Trendil või ostsilloskoobil ilmneb võnkumine tavaliselt järgmiselt:

• kiire CV võnkumine
• sagedased suunamuutused väljundis
• vähene kasulik paranemine PV stabiilsuses
• suurenenud väljundi aktiivsus suhteliselt stabiilse tööpunkti ümber

Riistvaral võib see muster põhjustada:

• tihendite kiirenenud kulumist
• varre ja pesa kulumist
• suurenenud suruõhu tarbimist
• positsioneeri "jahipidamist"
• elektriliste täiturmehhanismide liigset koormust
• lühenenud hooldusvälbasid

Ahel võib matemaatilises mõttes endiselt "juhtida", samas kui hooldusosakond näeb teistsugust tulemust.

Miks tuletuskomponent on protsessiahelates sageli välja lülitatud

Laialt õpetatav valdkondlik heuristika on see, et tuletuskomponent on paljudes protsessiahelates, eriti vooluhulga ja vedeliku rõhu rakendustes, mittevajalik või ebasoovitav. See heuristika on suunaliselt kasulik, kuid seda tuleks väljendada ettevaatlikult.

Tööstuses on tavapärane, et paljud vooluhulga- ja rõhuahelad töötavad pigem PI- kui PID-regulaatorina, kuna tuletise tundlikkus müra suhtes kaalub sageli üles selle ennustava kasu. Täpne osakaal varieerub sõltuvalt tehasest, regulaatori platvormist, protsessi tüübist ja häälestuskultuurist, seega tuleks üldisi protsente käsitleda kui ligikaudset praktilist juhist, mitte universaalset loendust.

Praktiline eristus on järgmine:

• Kiired ja mürarikkad ahelad karistavad sageli tuletise kasutamist.
• Aeglased, viitega domineeritud termilised ahelad võivad tuletisest kasu saada, kui mõõtmiskvaliteet on hea ja filtreerimine on distsiplineeritud.

Seetõttu ei ole "kasuta alati PID-i" tõsiseltvõetav häälestusfilosoofia.

Tuletise müra võimendust tuvastate, võrreldes PV ebaühtlust CV agressiivsusega.

Kui PV on vaid kergelt mürarikas, kuid CV võngub vägivaldselt, on tuletise võimendus peamine kahtlusalune. Regulaator reageerib mõõtmise tekstuurile tugevamini kui protsessi käitumisele.

Mida jälgida PV ja CV suhtes

Kõige kasulikum visuaalne muster on signaali tõsiduse ja väljundi tõsiduse lahknevus:

- PV: väikesed, kiired kõikumised - CV: suured, kiired võnkumised või küllastuspiirideni jõudmine - Protsessi vastus: piiratud paranemine või paranemise puudumine - Klapi käitumine: sagedane liikumine stabiilse koormuse lähedal

See muster on oluline, sest mitte kõik võnkumised ei ole seotud tuletisega. Ahel võib võnkuda ka järgmistel põhjustel:

• liigne proportsionaalvõimendus
• integraali "windup"
• surnud tsoon või stiktsioon (hõõrdeefekt)
• halb klapi suurus
• protsesside vastastikune mõju
• proovivõtuaja ebakõla
• halvad filtreerimisvalikud

Tuletise müra võimendusel on eriline signatuur: väljund muutub palju erutatumaks, kui protsess seda õigustab.

Kompaktne diagnostiline kontrast

Kasutage trendide ülevaatamisel seda kontrasti:

- Mürast tingitud võnkumine: PV näeb välja sassis; CV näeb välja palju hullem. - Mehaaniline stiktsioon või surnud tsoon: CV liigub, kuid PV reageerib hilinemisega, jääb kinni või hüppab tükkidena.

See eristus võib tõrkeotsingu ajal aega säästa.

Stabiilsuspiiri leiate, suurendades kontrollitud simulatsioonis tuletise mõju, jälgides, millal CV käitumine muutub mehaaniliselt ebapraktiliseks, ja seejärel vähendades tuletist või filtreerides, kuni väljund on piisavalt sujuv, et olla kaitstav.

See on OLLA Labi piiratud kasutusjuht. See ei ole väide, et simulatsioon asendab kohapealset kasutuselevõttu. See on väide, et mõned rikkerežiimid on liiga kallid või liiga riskantsed, et neid elavatel seadmetel esile kutsuda, ja tuletise võnkumine on üks neist.

Samm-sammuline protseduur OLLA Labis

Pärast iga muudatust jälgige:

• CV võnkumise sagedust
• väljundi suunamuutuste määra
• küllastuskäitumist
• kas PV juhtimine tegelikult paraneb

Kasulik kirje peaks sisaldama:

• süsteemi kirjeldust
• "õige" operatiivset määratlust
• redelloogikat ja simuleeritud seadmete olekut
• süstitud rikkejuhtumit
• tehtud muudatusi
• õpitud õppetunde

1. Laadige mürarikas protsessistsenaarium. Kasutage eelseadistust realistliku mõõtmishäirega, näiteks mürarikas vooluhulga ahel või rõhuahel signaali dispersiooniga.
2. Looge esmalt PI-baastase. Häälestage P ja I stabiilse ja vastuvõetava vastuseni, kui tuletis on välja lülitatud.
3. Avage reaalajas ostsilloskoop ja trendige PV, SP ja CV koos. Teil on vaja samaaegset nähtavust protsessi käitumise ja regulaatori väljundi üle.
4. Tutvustage või suurendage mõõtmismüra kontrollitud viisil. Kui stsenaarium toetab signaali süstimist või reguleeritavat häiret, suurendage müra järk-järgult, mitte korraga.
5. Rakendage väike tuletise väärtus. Alustage konservatiivselt. Jälgige, kas CV muutub visuaalselt aktiivsemaks kui PV.
6. Suurendage tuletist väikeste sammudega.
7. Tuvastage praktiline stabiilsuspiir. Piir ei ole lihtsalt koht, kus ahel jääb matemaatiliselt suletuks. See on koht, kus CV jääb piisavalt sujuvaks, et reaalne täiturmehhanism suudaks töötsüklit taluda.
8. Rakendage madalpääsfilter või vähendage tuletist. Kui tuletise kasu on olemas, kuid ilmneb võnkumine, filtreerige mõõtmist või vähendage tuletist, kuni CV stabiliseerub füüsiliselt usutavasse käitumisse.
9. Võrrelge PI-baastasemega. Kui tuletis lisab müratundlikkust ilma sisulise PV paranemiseta, eemaldage see.
10. Dokumenteerige tulemus insenertehnilise tõendusmaterjalina.

Ekraanipildid üksi ei ole tõendusmaterjal; need on vaid osa kirjest.

Mida peaks selles testis tähendama "õige"

"Õige" operatiivne määratlus peaks olema jälgitav, mitte esteetiline.

Tuletise-müra testi puhul võib "õige" tähendada:

• PV jääb määratletud veapiiridesse
• CV väldib püsivat kõrgsageduslikku võnkumist
• väljundi küllastus on piiratud või puudub
• ahela taastumine pärast häiret jääb vastuvõetavaks
• täiturmehhanismi nõudlus on kavandatud riistvara jaoks usutav

See on digitaalse kaksiku valideerimiskeskkonna praktiline väärtus. Saate võrrelda redelloogikat, regulaatori sätteid ja simuleeritud seadmete olekut ebanormaalsetes tingimustes enne, kui reaalne klapp, pump või positsioneer peab testi vastu võtma.

Tuletusjuhtimist tuleks kasutada valikuliselt, peamiselt seal, kus protsess on aeglane, suure viitega ja piisavalt puhtalt mõõdetud, et tuletuskomponent näeks protsessi käitumist, mitte instrumentide müra.

Klassikaline kandidaat on märkimisväärse termilise inertsiga temperatuuri reguleerimine. Mantelsoojendusega mahutid, soojusvahetid ja mõned ahju- või reaktori temperatuuriahelad võivad kasu saada, sest tuletis aitab ette näha aeglaselt liikuvaid veatrende. Isegi siis on filtreerimine ja rakendamise üksikasjad olulised.

Millal on tuletis tavaliselt halb valik

Tuletis on sageli halb valik, kui signaal on mürarikas, protsess on kiire või täiturmehhanism töötab juba niigi raskelt.

Tüüpilised ettevaatust nõudvad juhtumid on:

• turbulentsed vooluhulga ahelad
• vedeliku rõhu ahelad
• pulseeriv kompressori väljundrõhk
• halvasti filtreeritud tasememõõtmised
• marginaalse instrumentide kvaliteediga ahelad
• teadaoleva stiktsiooni või lõtkuga klapid

Soovitatav heuristika protsessi tüübi järgi

| Protsessi tüüp | Soovitatav PID-struktuur | |---|---| | Vooluhulk | Tavaliselt PI — vooluhulga signaalid on sageli mürarikkad ja kiired; tuletis võimendab mõõtmishäireid tavaliselt rohkem, kui see juhtimist parandab. | | Tase | Tavaliselt PI — paljud tasemeprotsessid on integreerivad ja suhteliselt aeglased, kuid tuletis lisab sageli vähe väärtust, kui mõõtmine pole erakordselt puhas ja dünaamika seda ei õigusta. | | Rõhk | Tavaliselt PI — rõhuahelad võivad olla kiired ja müratundlikud; tuletis tekitab sageli väljundi võnkumist ja täiturmehhanismi koormust. | | Temperatuur | PI või PID sõltuvalt protsessist — tuletis võib aidata aeglastel termilistel süsteemidel, millel on märkimisväärne viide ja puhas mõõtmine, eriti kui ennustav summutus parandab ülereguleerimise kontrolli. |

See tabel on heuristika, mitte standard. Lõplik häälestus sõltub protsessi dünaamikast, anduri kvaliteedist, skaneerimisajast, regulaatori vormist ja täiturmehhanismi piirangutest.

Insener peaks enne tuletise teenindusse lubamist kontrollima signaali kvaliteeti, täiturmehhanismi seisukorda, regulaatori vormi ja testitõendeid.

Vähemalt kontrollige järgmist:

• Kas PV-signaal on piisavalt puhas, et tuletis oleks sisukas?
• Kas skaneerimisaeg on protsessi ja müraprofiili jaoks sobiv?
• Kas esineb klapi stiktsiooni, surnud tsooni või positsioneeri ebastabiilsust?
• Kas tuletist rakendatakse veale või mõõtmisele ja kuidas regulaator rakendab tuletise "löögi" käsitlust?
• Kas madalpääsfilter on saadaval ja õigesti piiratud?
• Kas ahelat on võrreldud PI-baastasemega?
• Kas käitumist on simuleeritud realistliku müra ja häirete tingimustes?

See on "Simulatsioonivalmis" olemise mõte operatiivses mõttes. See tähendab, et insener saab testida põhjust ja tagajärge, süstida rikke, muuta loogikat või häälestust ning selgitada, miks muudetud käitumine on ohutum ja paremini juurutatav.

OLLA Lab sobitub veebipõhise valideerimis- ja harjutuskeskkonnana juhtimisloogika, simuleeritud seadmete vastuse ja ebanormaalsete tingimuste testimiseks.

Selles kontekstis on selle väärtus piiratud ja konkreetne:

• saate luua ja kohandada redelloogikat brauseripõhises keskkonnas
• saate käivitada ahela simulatsioonis enne füüsilise riistvara puudutamist
• saate kontrollida muutujaid, I/O-d, analoogväärtusi ja PID-käitumist
• saate võrrelda regulaatori väljundit simuleeritud seadmete olekuga
• saate harjutada rikkekäsitlust ja häälestusmuudatusi realistlikes stsenaariumides

See muudab selle kasulikuks kõrgema riskiga kasutuselevõtu ülesannete jaoks, mida on raske elavatel varadel ohutult harjutada. See ei asenda kohapealset vastuvõtutestimist, protsessiohu analüüsi, funktsionaalse ohutuse elutsükli tööd ega tehasepõhist kasutuselevõtu otsustust. Digitaalne kaksik on harjutuskeskkond, mitte asendus tehase valideerimisele.

Tuletusjuhtimine on mürarikastes ahelates riskantne lihtsal põhjusel: see võimendab kallet ja müral on kallet küllaga.

Insenertehniline vastus on sama lihtne:

• kontrollige signaali
• looge PI-baastase
• jälgige PV-d ja CV-d koos
• filtreerige seal, kus see on asjakohane
• vähendage või eemaldage tuletis, kui see lisab täiturmehhanismi koormust ilma protsessikasuta

Kui te ei suuda selgitada, miks D aitab, ei pruugi see aidata piisavalt, et õigustada lisatud tundlikkust.

- Åström & Hägglund, *Advanced PID Control* (ISA) - Bialkowski, process control performance gap (IEEE Xplore) - IEC 61508 Functional Safety overview - Rivera, Morari, Skogestad (1986), IMC PID design - Skogestad (2003), PID tuning rules00062-8)