PIDの3つの顔
プロセス制御業界は、比例積分微分（PID）コントローラー> ただし、これらのすばらしいコンポーネントでさえ、独自の制限があります。 PIDの動作 ループは理解が難しく、障害が発生するたびに悪化するため、トラブルシューティングが必要です。それでも、技術者とエンジニアは、コントローラーの3つの構成要素、つまり比例、積分、微分のアクション間の一貫性を実現するよう努めています。
コントローラーが最初に導入されたとき、それらは比例のみであり、これによりコントローラーは理解しやすくなりましたが、すぐにエラーを処理できなくなりました。これらのコントローラーは、プロセス変数とセットポイントの間でエラーを排除する必要がある場合はいつでも、すぐに終了する傾向がありました。これにより、以前の「比例コントローラー」内の統合アクションが追加されました。
統合アクション
オペレーターはすぐに、プロセス変数と設定値の間のわずかなギャップを克服するのに十分な、制御作業へのバイアスの手動追加によって比例アクションの減少から生じる垂下を補うことができることを発見しました。これは、ループの「リセット」として知られるようになりました。
当初、オペレーターはこの「リセット」の実行を任されていましたが、すぐに自動リセットが導入され、手動による介入から生じる遅延がなくなりました。現在、この自動リセットは積分動作と呼ばれ、必要な応答の大きさを決定するゲインは「リセットレート」と呼ばれることもあります。プロセス変数と設定値が異なる限り、リセット率が高いと、コントローラーが積極的な制御作業を生成する傾向があります。 。しかし、ここで重要なのは、エラーが最小化するにつれて減衰する傾向がある比例アクションとは異なり、エラーが残っている限り、積分アクションは成長し続けるということです。
これは好ましいように思えるかもしれませんが、実際には独自の問題があります。たとえば、制御されているプロセスが遅い場合、エラーが消えるまでしばらく時間がかかりますが、コントローラーは積極的な統合アクションを使用してエラーを排除します。オペレータがリセットレートを高く設定しすぎると、コントローラがエラーを過剰に補正し、負の方向にさらに大きなエラーが発生し、エラーが完全に解消されるまで前後のハンティングサイクルが発生します。
ワインドアップをリセット
インテグラルアクションは、プロセスにアクチュエータが小さすぎて大きな制御作業を生成できないアプリケーションに最適です。たとえば、バルブが小さすぎて十分に高い流量を生成できない場合、バーナーが十分な熱を供給するのに十分な大きさでない場合など。このような状況が発生した場合は常に、アクチュエータはある制限バルブで飽和していると言われます。
この飽和は、最終的に、設定値とプロセス変数の間に正のエラーをもたらします。積分動作は引き続きより積極的ですが、アクチュエータがボトルネックになり、エラーの修正が妨げられます。アクチュエータが100％でスタックしている間、合計積分誤差は非常に大きな値になります。これにより、コントローラーが無応答状態になり、オペレーターが設定値レベルを達成可能な範囲に下げることでエラーを修正できなくなります。
リセットワインドアップからコントローラーを保護するためにいくつかのソリューションが設計および実装されており、それらのほとんどは積分器のシャットダウンを伴います。
派生訴訟
PIDコントローラーの派生アクションは、混合された祝福として機能し、エラーの変化率に比例して制御の労力を減らし、プロセス変数の設定値への降下を減速できるようにします。これにより、オーバーシュートやハンティングの可能性が減少します 。しかし、派生訴訟があまりにも積極的に行われると、それ自体で狩猟を引き起こす可能性があります。この効果は、コントローラーの努力に迅速に対応するプロセスで一般的に観察されます。モーターとロボット工学。
派生アクションは、エラーが突然変化するたびに、制御作業に突然のスパイクを追加することもできます。これにより、PIDの比例部分または積分部分が動作する前であっても、コントローラーが強制的に動作します。 2項のPIコントローラーと比較すると、完全な3項のPIDコントローラーは、プロセス変数を安定させるために必要な作業のレベルを予測できます。
このような予測制御は、一部のアプリケーションでは有益ですが、他のアプリケーションでは好ましくありません。たとえば、熱風の吹き付けは、部屋の居住者や、工業規模では炉の壁にとって快適ではありません。
修正
最新のPIDコントローラーは、これらすべての問題に対処することを目的としています。今日のPIDコントローラーの一般的な機能は次のとおりです。
- ワインドアップ保護をリセット
- 派生アクション計算機
- ノイズフィルタリング
PIDコントローラーの精度を大幅に向上させた特定の手法 ループチューニングです。これ自体が、比例ゲイン、積分ゲイン、微分ゲインに適切な値を選択する技術であり、それによってプロセス変数の変化に対する迅速な応答を実現します。この手法は、システム内で最大の安定性を確保するために、多数の方法論によって補完され、多数のソフトウェアパッケージによってサポートされています。
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