Оглавление
1. Введение и область применения
* Классические проблемы PID-регулирования
* Оговорки и ограничения
* Термины и определения (P, I, D)
2. Автоподстройка (АТ) — Настоятельно рекомендуется!
* Принцип работы (релейный метод)
* Меры предосторожности
* Пошаговая процедура выполнения на TC4
* Возможные проблемы и их причины
3. Эмпирическая «подкрутка» на месте
* Таблица симптомов и корректирующих действий
* Основное правило настройки (последовательность)
4. Ручной расчет и настройка (Метод Циглера-Николса)
* Предупреждение о безопасности
* Шаг 1: Подготовка (обнуление I и D)
* Шаг 2: Поиск критического усиления (P_cr) и периода колебаний (T_cr)
* Шаг 3: Расчет коэффициентов для P, PI, PID-регуляторов
* Пример расчета
5. Заключение и рекомендации
1. Вступление.
Классическая ситуация, когда контроллер не может достичь заданного значения (уставки) и останавливается, не доходя до него, либо сильно выходит за параметры регулирования, медленно выходит на уставку, либо при регулировании заметны сильные колебания.
Разберём на примере самого распространённый из применяемых нами контроллеров компании Autonics – серии TC4.
Сразу несколько оговорок:
— Несмотря на то что в теории ПИД-регуляторы на всех приборах работают по одному алгоритму, в реальности и по опыту нашей работы прошивки сильно отличаются. И реакции на управляющее воздействие тоже. Контроллеры Autonics в этом плане — наименее проблемные в эксплуатации, так как имеют более продвинутый алгоритм, как правило, не требуют вмешательства и поэтому именно они применяются нами. Учитывайте это при манипуляциях с другими приборами.
— Несмотря на то что в качестве примера мы используем Autonics – серии TC4, данные алгоритмы точной настройки можно использовать при настройке других приборов.
— В данном случае, мы не рассматриваем ошибки проектирования оборудования, которые могут вызывать проблемы при настройке. При наличии сочетания серьёзных ошибок проектирования и слабых, не адаптивных алгоритмов работы ПИД-регулятора, точная настройка практически не возможна.
Расчет коэффициентов PID-регулятора — это не точная математика, а скорее инженерное искусство, основанное на понимании процесса и экспериментальной настройке. Есть два основных подхода: теоретический расчет (по параметрам объекта) и практическая настройка (по отклику системы).
Поскольку мы рассматриваем конкретную модель и печь, сосредоточимся на практических методах, которые вам реально применить.
Термины и определения:
- P (Пропорциональная полоса) — Определяет величину управляющего воздействия (мощности) на текущую ошибку.
- I (Интегральное время) — Устраняет статическую ошибку. Слишком малое значение -> медленные колебания, слишком большое -> медленный выход на уставку.
- D (Дифференциальное время) — Предсказывает будущее поведение ошибки, «тормозит» перерегулирование. Слишком большое значение -> усиление шумов и нестабильность.
Решение для контроллера Autonics TC4
2. Автоподстройка (АТ) — Настоятельно рекомендуется!
Это самый простой и эффективный способ. Контроллер сам определит параметры вашей системы (печи) и рассчитает оптимальные коэффициенты. Алгоритм АТ в TC4, является разновидностью релейного метода (подача полной мощности/отключение для анализа переходного процесса), что объясняет перегрев и длительность процесса.
Внимание! Процесс автонастройки подразумевает работу на полной мощности и может вызвать значительный перегрев выше уставки. Убедитесь, что технологический процесс и оборудование допускают такие режимы работы. Убедитесь в отсутствии садки в оборудовании.
Как выполнить на TC4 (типовая процедура):
- Подготовка: Убедитесь, что печь остыла до комнатной температуры. Это критически важно для точного расчета АТ.
- Уставка: Установите нужное значение уставки (SV) — в вашем случае 1030°C.
- Запуск АТ:
- Перейдите в меню параметров. Параметры сгруппированы (Группы 1, 2 и т.д.). Вам нужно найти параметр, отвечающий за запуск Автоподстройки. Он может называться AT, A-T, TUNE, AE или находиться в группе, связанной с настройкой PID. В нашем случае, меню включение автонастройки находится в «Группе параметров 1»
Рисунок 2.1. Блок-схема групп настроек Autonics TC4.
Активируйте функцию АТ (установите значение ON или START).
Рисунок 2.2. Активация режима автонастройки.
4. Процесс: Контроллер начнет разогрев. Он будет работать, перегревая и остывая, чтобы проанализировать реакцию системы. Индикаторы отклонения мигают с периодом 1 с.
5. Завершение: После завершения (индикатор перестанет мигать или появится сообщение об окончании) контроллер автоматически запишет рассчитанные коэффициенты P, I, D в соответствующие параметры. Вернитесь в режим отображения.
Внимание: Процесс АТ может занять значительное время (десятки минут) для высоких температур. В случае ошибок проектирования системы — может не завершиться вообще.
Это может быть вызвано, например, крайне малой мощностью нагревателей относительно массы печи (система не может выйти на режим) или наоборот, чрезмерной мощностью, ведущей к неуправляемым перегревам, неправильной установкой датчиков. В этом случае, единственное решение — ручная подстройка.
Это метод №1, который решает 95% проблем с настройкой.
3. Эмпирическая «подкрутка» на месте
После AT можно провести тонкую доводку под свою конкретную систему, руководствуясь простыми правилами:
| Симптом (что происходит) | Какой параметр виноват? | Что делать? |
| Температура не достигает уставки (статика) | Слабый Интегральный компонент (I) | Уменьшать значение I |
| Температура сильно перегревает уставку (большой перерегулирование) | Слабый Дифференциальный компонент (D),слишком сильный P (слишком узкая полоса) | Увеличивать значение D, увеличить P |
| Медленный выход на уставку | Слишком большой I или слишком широкая P | Уменьшать I, уменьшать P |
| Колебания вокруг уставки (система «раскачалась») | Слишком сильное усиление (узкая P) | Увеличивать P (делать полосу шире) |
Правило настройки:
- Сначала добейтесь стабильности, настроив P.
- Затем устраните статическую ошибку, настроив I.
- И только потом, если нужно бороться с перерегулированием, добавляйте D.
Рисунок 3.1 Меню настройки коэффициентов Autonics TC4.
4. Ручной расчет и настройка (Метод Циглера-Николса)
Если автоподстройка по каким-то причинам невозможна или дает неудовлетворительный результат, а подстройка (2) тоже не удалась — можно настроить вручную.
Классический метод — метод Циглера-Николса.
Метод требует крайней осторожности при использовании на реальном промышленном оборудовании. Вывод системы в режим незатухающих колебаний на высокой температуре (1030°C) может быть технологически недопустим или опасен (риск перегрева, повреждения футеровки, продукции). Данный метод рекомендуется использовать либо на этапе пусконаладки на пониженных температурах, либо если автонастройка невозможна, а эмпирический метод не дал результатов.
Шаг 1: Подготовка
- Обнулите интегральную и дифференциальную составляющие. Для этого в «Группе параметров 1» установите:
- I (Integral time) = 0 (отключаем интеграл)
- D (Derivative time) = 0 (отключаем дифференциал)
- Установите параметр P (пропорциональная полоса) на минимальное значение (например, 0.1). Это соответствует максимальному коэффициенту усиления (Kp). Ваша цель — сделать регулятор как можно более «жёстким» и склонным к колебаниям.
Рисунок 4.1 Меню настройки коэффициентов.
Шаг 2: Поиск критического усиления
- Медленно увеличивайте значение параметра P (делая регулятор «мягче»), пока система не начнет непрерывно колебаться вокруг уставки с постоянной амплитудой.
- Запомните два значения:
- P_cr — значение пропорциональной полосы P, при котором возникли незатухающие колебания.
- T_cr — период этих колебаний (в секундах). Измерьте время между двумя соседними пиками.
Шаг 3: Расчет коэффициентов
Используйте формулы из таблицы для классического PID-регулятора:
| Тип регулятора | Пропорциональная полоса (P) | Интегральное время (I) | Дифференциальное время (D) |
| P | 2 * P_cr | — | — |
| PI | 2.2 * P_cr | T_cr / 1.2 | — |
| PID | 1.7 * P_cr | T_cr / 2 | T_cr / 8 |
Пример:
- Вы нашли, что колебания начинаются при P_cr = 5.0, а период колебаний T_cr = 300 секунд.
- Для PID-регулятора:
- P = 1.7 * 5.0 = 8.5
- I = 300 / 2 = 150 (секунд)
- D = 300 / 8 = 37.5 (секунд)
Введите эти значения в соответствующие параметры.
5. Заключение и рекомендации
Совет: Начните с запуска Автоподстройки (AT). Это самый быстрый и правильный способ «рассчитать» коэффициенты для вашего контроллера. Ручные методы требуют больше времени и опыта.
Окончательным руководством является инструкция производителя (Manual) для конкретной модели, так как расположение меню и названия параметров могут незначительно отличаться в разных версиях прошивки.
Мануалы на контроллеры, применяемые нами доступны в нашем «Центре загрузок»
Валенцев А.А.