PIDエラー：ワインドアップをリセット
PIDは、10年以上にわたってプロセス制御業界に貢献しており、フィードバック制御の主要な手法として確固たる地位を築いています。システム。何年にもわたって、この技術は多くのアップグレードと改善を経て、空気圧、電子、およびコンピューターベースのデバイスに取って代わられ、プロセスをより厳密に制御できるようになりました。
PIDシステムの最初のブレークスルーの1つは、自動リセットとも呼ばれる統合アクションでした。これにより、比例アクションを備えたコントローラーのパフォーマンスが大幅に向上しました。 「Pのみ」のコントローラーは、測定値と設定値の差に比例した修正作業を適用します。これは、次のように合計できます。
- 差異またはエラーが増加した場合、Pのみのコントローラーは、差異を減らすための積極的な制御努力で応答します。
- 差が小さくなると、コントローラーは負の制御努力を注入します。
実装全体は理解と保守が容易ですが、寿命の欠点があります。つまり、エラーが減少すると、制御作業も減少します。これにより、エラーが減少する速度が遅くなり、エラーが停止するまでにかかる全体的な時間が長くなります。ただし、エラーが発生しなくなることはなく、Pコントローラーはわずかなオフセットでプロセスを終了します。
この定常状態のエラーは、Pコントローラーと並列に動作する積分動作によって修正され、エラーの値がゼロ以外である限り、制御作業が継続されるようにします。これは、PIコントローラーを補います。このコントローラーは、エラーを排除するための一貫した取り組みを保証しますが、他の問題を引き起こします。発生する最も重要な問題は、閉ループの不安定性であり、積分作用により、プロセス変数が目的の設定値をオーバーシュートします。制御プロセスの感度が高い場合、この問題は非常に有害になり、オーバーシュートによって反対方向にさらに大きなエラーが発生します。これにより、さらに別のエラー除去プロセスが開始されます。
これを修正するために、エンジニアは分析技術を使用して、プロセスに完全に適合する積分ゲインと比例ゲインを決定します。
ワインドアップのリセットエラー
アクチュエータが小さすぎるプロセスの重大なエラーを軽減するために大きな制御努力が使用される場合、結果はリセットワインドアップになります。アクチュエータは、最大出力に対応する特定の値で飽和状態になり、プロセスにそれ以上影響を与えることができなくなります。オペレータは、設定値をアクチュエータが達成できる範囲内に収まるように設定値を下げることで問題の軽減を試みることができますが、これは機能しません。なんで？この時点までに、積分誤差は大きな値を達成し、コントローラーはアクチュエーターに上限よりも高い応答を生成させようとし続けるためです。
ただし、設定値が十分に低くなると、積分誤差は減少し始めます。これは、アクチュエータが飽和状態にある間に蓄積された正のエラーの影響を相殺するために、一連の負のエラーと組み合わせる必要があります。
このエラーを取り除く別の方法は、飽和することなくプロセスに必要な変更を生成するのに十分な大きさのアクチュエータをインストールすることです。
プリロードの修正
コントローラがオンのときにアクチュエータがオフの場合にも、リセットワインドアップが発生する可能性があります。たとえば、カスケードコントローラの場合、内部ループが手動モードの場合、外部ループコントローラには影響しません。アウターループコントローラーが動作し続けると、その積分動作は「終了」します。
この問題の簡単な解決策は、アクチュエータが動作していないときは常に、コントローラの積分器をオフにする必要があるということです。別の解決策は、バッチ間のプロセス変数の値に設定値を調整することです。ただし、リセットワインドアップを修正するためのより良い方法があります。
プリロードのシナリオでは、コントローラーのインテグレーター出力が固定されているため、プロセスは前のバッチから取得したエラーで次のバッチを開始します。プリロードを使用すると、リセットを前のバッチから続行できるため、一定の状態に落ち着くまでに必要な時間が短縮されます。
これは、バッチが同一である場合に最適に機能するため、コントローラーは毎回同じセットポイントを取得する必要があります。バッチが同一でない場合は、数学モデルを使用して、次のラウンドに必要な積分アクションを予測する必要があります。このアプローチは、プロセスを開始する前にモデル化されている場合、継続的なプロセスで機能します。
バンプレス転送の修正
ただし、プリロードはいくつかの問題を引き起こす可能性があります。潜在的な問題の1つは、各ラウンドが開始されるとアクチュエータの出力が急激に調整されることです。これにより、アクチュエータが損傷する可能性があります。同様に、コントローラーが自動モードから手動モードに、またはその逆に切り替えられた場合、オペレーターが制御作業を変更しようとすると、アクチュエーターが損傷する可能性があります。
Bumpless Transferは、これらの問題を解決するために人工的なプリロードを使用します。インテグレータには、オペレータを再起動するために必要な値がロードされるため、制御作業を変更する必要がありません。コントローラは、プロセス変数または設定値の変更を考慮する必要がありますが、自動モードに移行する際のバンプは少なくなります。
デッドタイムの問題
デッドタイムは、制御作業の変更後にプロセス変数が調整するのにかかる時間です。これは、可変センサーがアクチュエーターから下流にある場合に発生します。コントローラがどんなに頑張っても、センサーの物理パラメータが変わるまでエラーを軽減することはできません。
コントローラがエラーを修正しようとすると、エラーとプロセス変数の両方が移動を停止し、アクチュエータがオフになっている場合のように、積分動作が終了します。これに対する1つの解決策は、積分ゲインを減らすことです。これにより、ワインドアップによる最大積分アクションが低下し、デッドタイムがなくなります。
この問題は、デッドタイムを伴う積分アクションを発行し、ワインドアップバッファを緩和する時間を与えることによっても解決できます。この手法を強化する1つの方法は、積分アクションに断続的な間隔を追加することです。比例動作をしばらく機能させてから積分動作をオンにすると、エラーがゼロになるまでに必要な時間を短縮できます。
これは、PIDの使用法の一例にすぎません。 PIDアルゴリズムは、速度制限アクチュエータ、プロセス可変測定ノイズ、時変プロセスモデルなどを考慮に入れるように大幅に変更されました。
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