Deze pagina bevat informatie met betrekking tot het PID regelalgoritme wat veelvuldig wordt toegepast in de meet- en regeltechniek om een bepaalde procesparameter automatisch te regelen.
De parameters P (proportionele band), I (integratietijd) en D (differentiatietijd) worden uitgelegd.
Ook zal er advies worden gegeven omtrent het juist instellen van de P, I en D parameters zodat U een nauwkeurige en stabiele regeling krijgt.
Een PID regelalgoritme kan worden gezien als de intelligentie of de “hersenen” van een regeling. U kunt het vergelijken met het besturen van een auto, terwijl U op de autosnelweg rijdt probeert U de snelheid op 100 km/u te houden.
Vanwege variërende wegcondities (verschillende soorten asfalt, een heuvel op- of afrijden) is het nodig om het gaspedaal met Uw voet verder in- of uit te drukken. U zal merken dat Uw voet dit automatisch doet.
Concentreer U maar eens meer op wat U nu eigenlijk aan het doen bent en U zal merken dat het eigenlijk best indrukwekkend is hoe de hersenen deze ogenschijnlijk makkelijke taak uitvoeren. Uw hersenen fungeren nu eigenlijk als een soort van geavanceerde adaptieve PID regelaar.
Snelle pagina-links naar:
- historie van automatische regelingen
- uitleg van de P, I en D parameters: wat betekenen ze?
- handmatige en automatische instelling van P, I en D parameters
Een stukje historie
In de vorige eeuwen, toen automatisering meer en meer belangrijk werden in de industrie, probeerden wiskundigen en ingenieurs manieren te vinden om de kennis van een ervaren menselijke operator, die een proces met de hand regelde, in een geautomatiseerd systeem te integreren.
Centrifugaal regelaars werden in de 17e eeuw uitgevonden door de Nederlandse wetenschapper Christiaan Huygens. Deze werden gebruikt om afstanden en druk tussen molenstenen in windmolens te reguleren.
James Watt paste dezelfde technologie toe bij stoommachines. Hij ontwierp zijn eerste centrifugaalregelaar (oftewel “centrifugale snelheid regelaar”) in 1788, na een suggestie van zijn zakenpartner Matthew Boulton. Het was een conische slinger regelaar, een van de laatste innovaties die Watt had toegepast voor stoommachines.
Toen stoommachine snelheden steeds toenamen, werd de standaard Watt-type regelaar minder betrouwbaar omdat deze de neiging had om te overcompenseren. Door dit oscilleren tussen openen en sluiten van de stoomklep liepen de machines niet mooi meer. Dit leidde tot vele aanpassingen en variaties, inclusief de toevoeging van extra gewichten rond de spindel, en de toevoeging van veren in het ontwerp.
Een aantal verschillende engineeringbedrijven patenteerde hun eigen ontwerp, dat ze vervolgens toepasten in hun eigen stoommachines. Soms werden ook modernere types regelaars geretrofit in bestaande stoommachines.
PID regelaars dateren uit de 90’er jaren van de 19e eeuw, toen deze centrifugaal regelaars werden ontworpen voor het regelen van de druk in stoommachines.
Automatische koersregeling voor een schip
PID regelaars werden vervolgens ontwikkeld voor het automatisch op koers houden van een schip.
- Eén van de eerste voorbeelden van een PID-type regelaar werd ontwikkeld door Elmer Sperry in 1911
- De eerste theoretische analyse van een PID regelaar werd in 1922 gepubliceerd door de Russisch/Amerikaanse ingenieur Nicolas Minorsky, toen hij automatische scheepsbesturing ontwikkelde voor de Amerikaanse marine. Dit onderzoek was gebaseerd op observaties van een stuurman.
- Minorsky bemerkte dat een stuurman het schip niet alleen bestuurde n.a.v. de actuele koersafwijking, maar ook afwijkingen uit het verleden en snelle kortstondige variaties betrok in het besturen van het schip. Uit deze observaties leidde Minorsky een wiskundig model af. Zijn doel was stabiliteit en niet algemene besturing. Dit vereenvoudigde het probleem aanzienlijk.
- Terwijl proportionele regeling (=alleen naar de actuele afwijking kijken) stabiliteit verschafte tegen kleine afwijkingen, was het onvoldoende om een continue vaste afwijking (bijvoorbeeld stevige zijwind, die verloop veroorzaakte) te corrigeren. Hiervoor was de integratie factor (=afwijking van het verleden meenemen) noodzakelijk. Uiteindelijk werd ook de differentiatie factor toegevoegd om de regeling de verbeteren, dit was een fijnregeling om kleine kortstondige afwijkingen te corrigeren.
- Er werden proeven uitgevoerd op de USS New Mexico, waarbij de regelaar de hoeksnelheid (dus niet de hoek) van het roer regelde. PI regelaar leverde een aanhoudende gierhoek (hoekfout) van ±2° op, terwijl toevoeging van D een gierhoek van ±1/6° opleverde, beter dan wat de meeste stuurlui konden bereiken.
Door weerstand van de bemanning voerde de Amerikaanse marine uiteindelijk het systeem niet in. In de 30’er jaren van de vorige week zijn vergelijkbare onderzoeken gedaan en gepubliceerd over hetzelfde onderwerp.
Vroege automatische PID regelaar: pneumatisch
- In 1930 vond Clesson E Mason van de firma Foxboro een pneumatische breedbandige regelaar uit door de “nozzle en flapper” pneumatische regelaar, die in 1914 was uitgevonden, te combineren met een negatieve terugkoppeling vanuit de regelaar uitgang.
- Dit vergrootte het lineaire werkingsbereik van de nozzle en flapper regelaar aanzienlijk. De integratie functie van de regelaar kon worden toegevoegd door gebruik te maken van een precisie ontluchtingsventiel en een balg. Het resultaat was de “Stabilog” regelaar die met behulp van de terugkoppeling balgen zowel proportionele als integratie functionaliteit bood. De integratie functionalteit werd destijds “Reset” genoemd.
- Later werd de differentiatie factor toegevoegd door middel van een extra balg met een verstelbare opening.
Eerste electronische PID regelaar met vacuüm buizen technologie
Daarna onstonden de eerste electronische analoge PID regelaars. Deze waren voorzien van vacuüm buis technologie.
Eén van de eerste firma’s met dit type regelaars waren:
- Swartwout in 1951 met hun Autronic
- RKC Instrument met hun PV-1 temperatuur regelaar in 1952
Eerste electronische PID regelaars met halfgeleider (transistor) technologie
Na de uitvinding van de halfgeleider transistor in 1947 werden de eerste PID regelaars met analoge transistor technologie ontwikkeld.
Ook hier was RKC Instrument weer een van de eerste firma’s die dit type regelaars ontwikkelde.
Eerste electronische PID regelaars met digitale geïntegreerde circuit technologie
Later werden, met gebruikmaking van geïntegreerde schakelingen technologie (ICs) de eerste echte digitale PID regelaars ontwikkeld. Dit maakte geavanceerde adaptieve PID regelingen mogelijk en hiermee konden snel variërende procescondities worden geregeld.
RKC Instrument was in 1982 één van de eerste firma’s die met hun REX-C1000 een volledig digitale PID regelaar introduceerde.
Na de eeuwwisseling: opkomst hoge dichtheid digitale circuit technologie (VLSI very large scale integration): nog geavanceerdere PID regelaars
Nadat de zeer hoge dichtheid geïntegreerde schakeling technologie steeds verder en verder vorderde, werden nog krachtiger PID regelaars ontwikkeld die geschikt waren voor de meest veeleisende processen in de kunststoffen en halfgeleider industrie.
Zie de RKC Instrument GZ serie geavanceerde PID regelaar met 100 PID berekeningen per seconde.
Van theorie naar praktijk: P, I en D parameters
Voor een volledig begrip van een PID regelaar is een uitgebreide en vergevorderde wiskundige kennis van Laplace en Z-domein transformaties noodzakelijk. Dat gaat te ver voor deze handleiding.
We kiezen daarom voor een meer praktische aanpak en proberen een PID regelaar in normale eenvoudige, voor vrijwel iedereen begrijpbare taal, te omschrijven.
Om de zaken wat eenvoudiger te maken starten met een zeer eenvoudige aan/uit regelaar, denk aan de oude kamerthermostaat die werd gebruikt om de temperatuur in een kamer te regelen (tegenwoordig zijn deze types vrijwel allemaal vervangen door PID regelaars).
AAN/UIT regelalgoritme
De AAN/UIT regeling is de meest eenvoudige en goedkoopste vorm van regeling. Het uitgang signaal van de regelaar is hetzij VOLLEDIG AAN of VOLLEDIG UIT. Dit is afhankelijk van de afwijking tussen de gewenste waarde (setvalue SV) en de gemeten waarde (process value PV).
De hieronder staande grafiek toont het regelgedrag van een AAN/UIT regeling:
De AAN/UIT regelactie treedt in werking als er een afwijking optreedt ten opzichte van de gewenste waarde.
Deze regelactie reageert snel, maar is gevoelig voor verstoringen op de gemeten waarde (process value PV). Hierdoor onstaat (te) snel schakelen. Om dit (te) snelle schakelen tegen te gaan wordt er in de praktijk een soort van schakel-hysterese, de zogenaamde “dode band” gebruikt, ook wel “regelgevoeligheid” genoemd. Pas als de gemeten waarde (process value PV) buiten de “dode band” valt, kan er worden geschakeld. Deze “dode band” voorkomt hiermee (te) snel schakelen wanneer de gemeten waarde (process value PV) dicht in de buurt is van de gewenste waarde (setvalue SV).
Proportionele regelactie
De factor P staat voor proportionele regelactie en is een vermenigvuldigingsfactor van de afwijking tussen de actuele gewenste waarde (setvalue SV) en de gemeten waarde (process value PV).
In sommige merken van regelsystemen wordt dit ook de versterkingsfactor genoemd.
Deze proportionele regelactie zorgt ervoor dat er niet direct volledig aan of uit wordt geschakeld als gevolg van de afwijking tussen gewenste waarde (setvalue SV) en gemeten waarde (process value PV), maar dat de regelactie afhankelijk is van de grootte van de afwijking, oftewel proportioneel met de afwijking vindt een regelactie plaats.
De proportionele regelactie is actief binnen een door de gebruiker instelbare zone rond de gewenste waarde (setvalue SV), dit wordt ook de proportionele band (Pb) genoemd. Wanneer de gemeten waarde (process value PV) binnen deze proportionele band valt, zal de regeluitgang geleidelijk kleiner (of groter) worden en de gemeten waarde (process value PV) stabiliseert zich verolgens ergens binnen de proportionele band.
Met RKC Instrument temperatuur regelaars kan de proportionele band worden ingesteld in graden, maar bij andere merken kan dit als percentage van het meetbereik, of de hiervan geïnverteerde waarde, worden ingesteld.
Een goede instelling van de proportionele band zal resulteren in een rustige regeling. Het is echter vrij zeldzaam, dat de actuele gemeten waarde (process value PV) exact op de gewenste waarde (setvalue SV) stabiliseert. Meestal stabiliseert de meetwaarde (process value PV) zich ergens binnen de proportionele band met een vaste afwijking ten opzichte van de gewenste waarde (setvalue SV), deze afwijking wordt de offset genoemd.
Een hoge P waarde geeft het regelsysteem een groot temperatuurbereik waarbinnen gemoduleerd kan worden. Het grootste nadeel hiervan is echter, dat de reactiesnelheid op een afwijking best langzaam kan zijn.
Een te lage P waarde kan echter resulteren in een oscillerend systeem (wat overeenkomt met een AAN/UIT regelaar) waarbij de gemeten waarde (process value pV) continu over en onder de gewenste waarde (setvalue SV) schiet. We noemen dit gedrag “jagen”, of “hunting”. De regelaar is continu aan het jagen om de juiste gewenste waarde (setvalue SV) te bereiken.
Denk hierbij aan het gaspedaal in een auto (met automatische transmissie): een hoge P waarde is een gaspedaal dat ver kan worden ingetrapt zodat een nauwkeurige snelheidregeling mogelijk is, maar het moet erg ver ingetrapt worden om de gewenste snelheid te bereiken.
Een lage P waarde is echter een gaspedaal dat maar een klein stuk kan worden ingetrapt, en binnen dit bereik verloopt het toerental van de motor van stationair naar maximum met een zeer klein verschil van intrappen van het gaspedaal. Het is duidelijk dat het bereiken van de gewenste snelheid in deze situatie erg moeilijk is: U schiet continu over en onder de gewenste snelheid: het reageert als een klassieke AAN/UIT regelaar.
Het is de kunst om de correcte waarde te vinden, waarbij de oscillatie laag is, maar met een voldoende snelle reactie op afwijkingen.
Grote langzame systemen met veel massa die langzaam op afwijkingen reageren hebben over het algemeen een hogere P actie nodig dan kleine snelle systemen met weinig massa.
Bij een regelsysteem dat alleen gebruik maakt van een proportionele band, zal er altijd een kleine afwijking (=offset) tussen de gemeten waarde (process value PV) en de gewenste waarde (setvalue SV) overblijven.
Opmerking: als U de P actie instelt op 0 graden zal dit resulteren in een AAN/UIT regelgedrag. Dit geeft relatieve grote over- en onderschrijdingen van de gewenste waarde (setvalue SV).
Integratie tijd
De factor I staat voor de integratie tijd. Deze regelactie is een optelling van afwijkingen tussen gewenste waarden (setvalue SV) en gemeten waarden (process value PV) uit het verleden. Deze regelactie is nodig om de kleine offset afwijking weg te regelen die is ontstaan wanneer alleen gebruik is gemaakt van een proportionele regelactie.
Deze regelactie wordt ook wel reset genoemd. De instelling van deze regelactie geschiedt in de integratietijd in seconden.
Deze integratie regelactie verplaatst, of re-sets de proportionele band omhoog of omlaag, afhankelijk van de offset. De integratietijd van de regelaar is instelbaar en bepaalt hoe snel de proportionele band wordt verplaatst.
De integratie regelactie verwijderd de offset tussen gemeten waarde (process value PV) en gewenste waarde (setvalue SV) die over zou blijven als er alleen gebruik wordt gemaakt van een proportionele regelactie.
Een te hoge instelling van de integratie tijd zal resulteren in een zeer langzaam reagerend proces met grote over- en onderschrijdingen van de gewenste waarde (setvalue SV).
Een te lage instelling van de integratietijd zal resulteren in een regelsysteem dat nooit exact de gewenste waarde (setvalue SV) bereikt. Er zal een kleine afwijking (=offset) blijven.
De kunst hier is ook om de juiste instelling te vinden die min of meer overeenkomt met de actuele massatraagheid van het geregelde systeem.
We kijken nu weer naar de snelheid regeling van de auto met het gaspedaal. Wanneer U het gaspaneel volledig intrapt heeft de motor tijd nodig om op toeren te komen. Het is ook het geval als U het gaspedaal loslaat: het heeft even tijd nodig voordat de motor terugloopt in toerental. Dit wordt vooral veroorzaakt door de mechanische massatraagheid binnen de motor. Het gewicht van de auto is ook zeer belangrijk: een grote zware vrachtwagen heeft veel meer tijd nodig om te versnellen dan een kleine compacte auto.
Als we de auto in een laboratorium op een rollenbank zouden zetten, en we de snelheid van de auto als functie van gas pedaal positie zouden meten, zouden dit kunnen worden voorgesteld als de proportionele regelactie.
Deze situatie komt echter niet overeen met de werkelijke wereld waar de auto over de weg rijdt met variërende wind en op verschillende soorten asfalt.
Om dit te compenseren moet, afhankelijk van de situatie, het gaspedaal een beetje meer (of minder) worden ingetrapt. Dit kan nu worden voorgesteld als de integratie regelactie: het is een fijnregeling voor de correcte gaspedaal instelling. Maar het gebeurt langzaam, anders zouden we over de gewenste snelheid heen schieten.
Differentiatie tijd
De D parameter staat voor de differentiatie tijd (ook wel differentiële regelactie). Deze regelparameter houdt rekening met de verandering per tijdseenheid van de afwijking tussen gewenste waarde (setvalue SV) en gemeten waarde (process value PV)
Deze differentiatie regelactie wordt ook wel rate genoemd. De mate waarbij deze regelactie bijdraagt is in verhouding met de instelling in seconden voor deze differentiatie regelactie.
De regelaar meet de mate van temperatuur toename (of afname) per tijdseenheid en verplaatst de proportionele band zodat een te hoge (of te lage) afwijking wordt onderdrukt. De verandering in regeluitgang is direct in verhouding met de mate van verandering van de gemeten waarde (process value PV) per tijdseenheid.
Een verwarmingsproces is theoretisch gezien een pure integrator en kan zodanig ook geregeld worden met alleen een P en I regelactie (de meeste langzame processen kunnen met een PI regelaar geregeld worden). De praktijk wijst echter uit dat een beperkte differentiatie regelactie de nauwkeurigheid en met name de reactiesnelheid op veranderende externe omstandigheden net een beetje beter kan verbeteren.
Een differentiatie regelactie wordt vaak gebruikt in positie regelsystemen (servobesturingen) waarbij snelle bewegingen moeten worden uitgevoerd. Een differentiatie regelactie is ook belangrijk bij een tunneloven waarbij de invoer van producten steeds varieert (soms even geen producten), hier wordt de D-regelactie gebruikt om over- of onderschrijding bij bepaalde procescondities die sneller veranderen dan de integratietijd van het proces zelf.
Een te hoge D-regelactie zal resulteren in een zeer onstabiel proces met grote over- en onderschrijdingen van de gewenste waarde (setvalue SV).
Een te lage D-regelactie zal resulteren in een systeem dat niet snel genoeg reageert (te laat) op variërende procescondities. Ook dit zal resulteren in een onstabiel systeem met over- en onderschrijdingen van de gewenste waarde (setvalue SV).
Cyclustijd
Een andere belangrijke instelling in een PID regelaar is de cyclustijd (cycle time). Dit is de tijd die de regelaar gebruikt om te berekenen hoe lang een relais aan of uit moet staan. Opmerking: deze parameter wordt niet gebruikt met een analoge regeluitgang, bijvoorbeeld 4-20mA).
Hier is een voorbeeld: we hebben een electromechanisch relais dat wordt gebruikt voor de aansturing van een verwarmingselement, in combinatie met een cyclustijd van 15 seconden. Wanneer de regeluitgang 100% is zal het relais continu bekrachtigd zijn. Wanneer de gemeten waarde (process value PV) een beetje hoger wordt dan de gewenste waarde (setvalue SV) zal de regelaar hierop reageren met het terugmoduleren van de regeluitgang naar een waarde van bijvoorbeeld 50%.
Wanneer de regeluitgang (MV) 50% bedraagt, en de cyclustijd is 15 seconden, zal het relais voor 7.5 seconden aan staan en vervolgens 7.5 uit worden geschakeld etc. etc.
Wanneer de regeluitgang (MV) 10% is, zal het relais 0.1×15=1.5 seconden worden ingeschakeld en 15-1.5=13.5 seconden uitgeschakeld zijn.
Het probleem hierbij is, dat een een soort vertragingstijd introduceren in het systeem. Natuurlijk zou het een goed idee kunnen zijn om de cyclustijd zo laag mogelijk in te stellen, hierdoor zal de regelaar sneller op procesvariaties kunnen reageren. Het grootste nadeel hiervan is, dat een electromechanisch relais zeer snel aan en uit moet schakelen. Dit zal de contacten beschadigen en het relais zal zeer snel aan vervanging toe zijn.
Het compromis is om de cyclustijd dan op 15 seconden in te stellen, en de eventuele grotere afwijking voor lief te nemen.
Wanneer U gebruik maakt van thyristorunits of solid state relais (SSR) kunt U de cyclustijd op het minimum instellen (0.1s) omdat deze modules geen mechanische contacten hebben. De regeluitgang (MV) kan direct de modules proportioneel aansturen en dit zal resulteren in een snelle reactie op variërende procescondities en een veel stabielere en nauwkeuriger procesregeling.
P, I en D parameters & cyclustijd uitgelegd met gaspedaal van auto
Hierboven zijn de afzonderlijke P, I en D parameters en de cyclustijd uitgelegd met als voorbeeld het op snelheid houden van een auto. Laten we ze nogmaals bespreken zodat het nog duidelijker wordt wat de verschillen zijn tussen deze parameters.
Opmerking: dit voorbeeld geldt alleen voor een auto met automatische transmissie, dus niet voor handgeschakelde auto’s.
Proportionele regelactie
De actuele afwijking tussen de gewenste auto snelheid en de werkelijke snelheid (afgelezen van de snelheidsmeter) resulteert in een bepaalde verte van indrukken van het gaspedaal door Uw voet. Dit is de correctie voor de afwijking: gewenste waarde (SV) – gemeten waarde (PV). Hoe groter de afwijking, hoe dieper U het pedaal intrapt, U drukt dus het pedaal afhankelijk van de afwijking tussen gewenste snelheid en werkelijke snelheid proportioneel in. Dit kan vergeleken worden met de proportionele regelactie van een PID regelaar.
Integratietijd
Na een tijdje het gaspedaal ingetrapt te hebben ziet U dat U bijna de gewenste snelheid van 80 km/u hebt bereikt, maar de auto rijdt nog steeds 75 km/u. Er is dus een kleine afwijking aanwezig tussen de gewenste en werkelijke snelheid. U drukt langzaam het pedaal een klein beetje verder in. De motor heeft tijd nodig im sneller te gaan draaien en pas daarna gaat de auto sneller rijden. Deze reactietijd kan vergeleken worden met de integratietijd van een PID regelaar.
Differentiatietijd
Wanneer U aan het rijden bent moet de auto soms kortstondig een heuvel op- of afrijden. U moet hiervoor het gaspedaal een korte tijd een heel klein beetje verder indrukken om de snelheid gelijk te houden. Deze soort van kortstondige afwijking tussen de werkelijke en gewenste snelheid, eigenlijk dus de snelheidsverandering per tijdseenheid, kan vergeleken worden met de differentiatietijd van een PID regelaar.
Cyclustijd
Wanneer U de auto bestuurt kunt U niet continu op de snelheidsmeter blijven kijken omdat U vanwege de veiligheid op de weg moet letten.
Alleen af en toe, zeg iedere 10 seconden, kijkt U kort op de snelheidsmeter en corrigeert U de stand van het gaspedaal met Uw voet om op dezelfde snelheid te blijven rijden. Dit alleen af en toe op de snelheidsmeter kijken kan vergeleken worden met de cyclustijd van een PID regelaar.
De P, I en D regelacties combineren in een regeluitgang voor het proces
De afbeelding hierboven toont de PID regelaar in een grafische vorm. De gewenste nieuwe waarde voor de regeluitgang u(t), ook wel manipulated value (MV) genoemd, wordt naar het te regelen proces gestuurd.
Het proces is voorzien van een sensor (bijvoorbeeld een temperatuursensor) y(t). Deze meting wordt ook de process value (PV) genoemd.
De gewenste waarde voor het proces: r(t), wordt ook wel setvalue (SV) genoemd.
Het verschil tussen setvalue (SV), r(t) en de process value (PV) y(t) wordt berekend in e(t): de afwijking, ook wel error genoemd. Dus e(t)=r(t)-y(t). Dit is de afwijking, of error, tussen de setvalue (SV) en de process value (PV).
Vervolgens wordt met deze error een nieuw uitstuurpercentage van de regelaar: u(t) berekend. Er zijn 3 onderdelen waarmee dit uitstuurpercentage wordt berekend:
- Proportionele regelactie: de error wordt vermenigvuldigd met de (bij RKC Instrument geïnverteeerde) proportionele band (Pb), ook wel versterkingsfactor, of Kp genoemd.
- Integratie regelactie: de nieuw berekende error e(t) wordt opgeteld bij de hiervoor opgetelde errors, en vermenigvuldigd door de integratietijd, ook wel Ki genoemd.
- Differentiatie regelactie: de verandering van error e(t) binnen een bepaalde korte tijdseenheid wordt vermenigvuldigd met de differentiatietijd, ook wel Kd genoemd.
Deze 3 onderdelen worden nu gecombineerd in een nieuw uitstuurpercentage dir het proces vervolgens gaat aansturen.
Opmerking: als U de P, I of D parameters op 0 instelt, dan resulteert dit in het uitschakelen van desbetreffende regelactie. Voor bepaalde verwarmingsprocessen kunt U bijvoorbeeld een perfecte regeling realiseren met alleen de P en I regelactie en de D actie op 0, omdat de meeste verwarmingsprocessen pure integratoren zijn.
Instellen van PID regelparameters: werk stap-voor-stap en noteer wat U verandert
Wanneer U met de hand een PID regelaar inregelt, is een hoop ervaring en zoals de Duitsers zeggen: “fingerspitzen gefuehl” nodig. Dit afstellen van de parameters is meer een kunst dan een wetenschap.
Een betere meting leidt tot een betere regeling
It is always very important, that a sensor in process gives a fast and representative signal that corresponds accurately to the actual state of the process. Here some important advice:
- do not use sensors with too much mass or that are too thick, this will result in too slow reaction to process variations.
- install the position of the sensor in the most important and representative position of the process. Remember that heat will always go up. 2/3 from the bottom is a good compromise in many cases. Never install sensors in a bend of a tube because of possible over/underpressures.
- when tuning an empty oven: it is very difficult to measure “air” since it is an insulator. Install a proper and representative (dummy load) mass inside the kiln that must be tuned. Otherwise tuning is impossible.
General rule of thumb: the better, faster and more accurate you measure the actual conditions of the process, the better the PID controller can be tuned and the quicker the reaction of the process will be. So, always try to improve the measurement of the process, that is often the best way to improve process conditions.
De P, I en D parameters met de hand inregelen
Het is zeer belangrijk dat U een grafisch real-time overzicht hebt van de procescondities zodat U kan zien of Uw aanpassingen verbeteringen of verslechteringen (in dat geval: U moet weer de andere kant op). Hiervoor is registratie apparatuur beschikbaar, zoals temperatuur recorders.
- Het is altijd het beste om te beginnen met de I en D parameters ingesteld op 0, en alleen de P-regelactie te gebruiken.
- Wanneer U ruwweg een “gevoel” heeft over hoe het proces reageert op een stapvormige wijziging van de gewenste waarde (setvalue SV), kunt U de I regelactie erbij gaan gebruiken om het proces exact op de gewenste waarde te krijgen.
- Pas daarna voegt U ook de D-regelactie toe om de reactie op kortstondige verstoringen van het proces te verbeteren.
Daarna begint U met het afzonderlijk van elkaar veranderen van de P, I of D parameters. Probeer ze te verdubbelen of halveren en kijk hoe het proces hierop reageert. Deze procedure moet steeds herhaald worden totdat U voldoende tevreden bent met de P, I en D instellingen.
Wanneer U een gemeten waarde/process value (PV) ziet die langzaam oscilleert met een kleine amplitude en een lange periode naar de gewenste waarde (setvalue SV), dan zit U op het juiste spoor met de op dat moment ingestelde parameters.
We weten vanuit de praktijk dat de D-regelactie ruwweg op 25% van de I-regelactie ingesteld moet worden, zeker niet hoger.
Automatisch inregelen: auto tuning
Het is ook mogelijk om middels de auto tuning (AT) procedure in RKC Instrument temperatuur regelaars de P, I en D instellingen automatisch te laten bepalen door de regelaar zelf.
Dit is alleen mogelijk wanneer de regelaar zich in een houdtijd segment bevindt en de gewenste waarde (setvalue SV) niet wijzigt. Het proces moet zich dus in een soortement van stabiele status bevinden en de temperatuur mag niet oplopen of aflopen.
Nadat U de autotuning (AT) procedure in de regelaar heeft ingeschakeld, zal de regelaar een aantal test-cycli uitvoeren waarbij deze automatisch de P, I en D instellingen probeert te bepalen met zogenaamde stapvormige wijzigingen van de uitsturing. We noemen dit ook de stapresponsie.
Na het veranderen van de regeluitgang (MV) naar maximum (of minimum), zal de regelaar de gemeten waarde/process value (PV) monitoren en de juiste P, I en D instellingen pogen te vinden vanuit de amplitude en periode van de gemeten waarde/process value (PV).
Rond 1942 voerden Ziegler & Nichols vele tests uit met diverse regelsystemen en leidden hieruit formules af om de resultaten van deze tests om te zetten naar P, I en D parameters die als uitgangspunt konden dienen voordat daadwerkelijke finetuning zou plaatsvinden. Dit is gedocumenteerd in hun publicatie uit 1942: “Optimum Settings for Automatic Controllers”. Een RKC Instrument temperatuur regulaar voert deze berekeningen voor de P, I en D instellingen automatisch voor U uit.
Soms duurt het een hele tijd voordat het systeem tijdens de auto tuning cyclus de nieuwe P, I en D parameters vast weet te stellen. Heb a.u.b. geduld en wacht totdat U de nieuwe gedetecteeerde waardes ziet verschijnen. Dit kan soms enkele minuten duren en hangt ervan af hoe snel het proces reageert op de regelaar.
Als de regelaar de nieuwe P, I en D waardes niet kan vaststellen, laat deze de oude waardes staan die aanwezig waren voordat de autotuning procedure werd gestart.
Belangrijke waarschuwing: gedurende de autotuning procedure zal de regeluitgang (MV) een paar keer op hetzij 100.0% of 0.0% worden geschakeld. Gedurende deze periode wordt de verandering van de gemeten waarde/process value (PV) gemonitord. Weet zeker dat Uw proces geen schade ondervindt als het gedurende langere tijd op 100.0% of 0.0% wordt aangestuurd. In de engineering instellingen is het mogelijk om dit maximum/minimum uitstuurpercentage te limiteren.
Pas op: deze berekende PID waardes zijn alleen een ruwe indicatie van de werkelijke perfecte PID instellingen en -kunnen- resulteren in een onstabiele procesregeling. Houdt dus in gedachte dat een handmatige fijnafstemming vaak noodzakelijk is na het uitvoeren van een autotune procedure.
Belangrijk: voer alleen een autotuning uit wanneer het proces zich in een stabiele toestand bevindt (regeluitgang MV en process value PV min of meer stabiel). De gewenste waarde/setvalue (SV) moet ook stabiel zijn. Dit is dus alleen mogelijk in een houdtijd segment en niet tijdens een ramp up/down segment.
Waarschuwing: voer nooit een autotuning procedure uit wanneer de procescondities niet stabiel zijn. Het software algoritme veronderstelt dat alle externe factoren met betrekking tot het proces niet veranderen gedurende deze operatie.
Merk op, dat een handmatig goed ingestelde regelaar vrijwel altijd een betere regeling oplevert, dan een instelling met autotuning. Autotuning is een min of meer ruwe indicatie van de juiste PID instellingen en kan gebruikt worden voor verdere handmatige finetuning.
Schrijf de nieuwe vastgestelde PID parameters op!
Het is zeer belangrijk, dat U de nieuwe vastgestelde PID waardes ergens opschrijft zodat ze niet verloren gaan. Het zal niet de eerste keer zijn dat er in een procesregeling iets wordt vervangen, en de hele inregelprocedure moet daarna opnieuw worden uitgevoerd. Voorkom dit door de gevonden PID parameters goed op te slaan en te documenteren.
Een software upgrade, re-init procedure of regelaar module re-init (nodig na een vervanging) zal de PID parameters terugzetten naar de standaardwaardes die zijn geprogrammeerd in de software.
Dus: schrijf de met veel moeite bepaalde PID parameters op en sla het ergens op in nabijheid van de regelaar voor het geval er vervangingen nodig zijn in de toekomst.
Veelvoorkomende valkuilen
- Een systeem dat oscilleert rond de gewenste waarde/setvalue (SV), of dat te traag reageert op procesvariaties, wordt vrijwel altijd veroorzaakt door een PID regelaar die (beter) ingesteld moet worden.
- Let altijd op wanneer het vele minuten duurt voordat een gemeten waarde/process value (PV) verandert na een stapvormige wijziging van de gewenste waarde/setvalue (SV). Dit wordt veroorzaakt door een zogenaamde dode-tijd in het proces en het is zeer moeilijk om een goede regeling te realiseren met maar 1 PID loop. De meest voorkomende oplossingen voor dit soort procesproblemen zijn:
- Meet meer direct de werkelijke actuele product temperatuur/process value (PV). Breng de sensor dichter naar het te regelen product.
- Maak gebruik van een zogenaamde gecascadeerd regelsysteem waarbij we gebruik maken van een master-slave PID loop. De slave loop (snelle regeling) regelt de verwarming naar het proces (met de afzonderlijke sensor nabij het de verwarming als process value ingang). De gewenste waarde/setvalue (SV) voor de slave komt uit de regeluitgang van de master PID regelaar (langzame regeling) die de actuele gewenste product temperatuur meet.
- Wanneer U de P-regelactie veranderd, beinvloedt U ook de I en D regelacties op een bepaalde manier
- Hetzelfde geldt voor wanneer U de I- of D-regelactie veranderd, alles heeft min of meer invloed op elkaar. Voorkom dat U in eindeloze cirkels blijft draaien en wijzig steeds maar 1 regelparameter en stel eerst goed vast of dit de situatie verbetert of verslechtert.
Het is een goed idee om altijd nauwkeurig op te schrijven wat U verandert. Zo begint U na verloop van tijd een “patroon” te herkennen en kunt U een paar stappen terug doen, als dat nodig is.
- Stel de D-regelactie niet te hoog in, omdat dit zeer eenvoudig een onstabiel regelsysteem op kan leveren. Gebruik de D-regelactie alleen voor fijnafstemming en pas nadat U eerst de P- en I-regelacties correct heeft afgesteld.
- Wanneer U een regelactie verandert moet U wachten totdat het proces reageert op de nieuwe situatie. Dit kan vele minuten duren en hangt af van de massatraagheid van het proces. Houdt de gemeten waarde/process value (PV) op de temperatuur recorder in de gaten om te zien of deze wel of niet stabiliseert.
In het algemeen kan gesteld worden dat, als de verhouding van massa ten opzichte van verwarmingscapaciteit (in Watt vermogen) hetzelfde wordt gehouden, het systeem met dezelfde PID parameters goed geregeld kan worden. Zo kunt U -toch- dezelfde instellingen voor andere situaties gebruiken, mits U deze verhouding tussen massa en verwarmingsvermogen maar hetzelfde houdt.
Meer informatie?
Klik op de knop als U meer informatie wilt met betrekking tot temperatuur regelaars.
Bronnen
- Wikipedia: Proportional integral derivative controller
- Basiskennis regeltechniek voor HTO elektrotechniek – Arends/Reimert/Schrage ISBN 90 236 0514 4
- Ontwerpen van analoge en digitale regelsystemen – Min/Schrage ISBN 90 236 0583 7
- Wikipedia: centrifugal governor
- PID control – the early years – Aidan O’Dwyer – Technological University Dublin, School of Electrical and Electronic Engineering
