PIDMA – PID regulátor s momentovým autotunerem

Symbol blokuPotřebná licence: AUTOTUNING

Popis funkce
Blok PIDMA má stejnou regulační funkci jako blok PIDU. Kromě toho je vybaven funkcí automatického ladění pomocí momentového autotuneru.

V automatickém režimu ( $MAN = off$ ) blok PIDMA implementuje PID řídicí zákon s dvěma stupni volnosti podle vzorce:

U (s) = \pm K \{b W (s) - Y (s) + \frac{1}{T_{i} s} [W (s) - Y (s)] + \frac{T_{d} s}{\frac{T_{d}}{N} s + 1} [c W (s) - Y (s)]\} + Z (s)

kde $U (s)$ je Laplaceova transformace řídicí veličiny mv, $W (s)$ je Laplaceova transformace požadované hodnoty sp, $Y (s)$ je Laplaceova transformace regulované veličiny pv, $Z (s)$ je Laplaceova transformace dopředné vazby dv a $K$ , $T_{i}$ , $T_{d}$ , $N$ , $b$ , $c$ jsou parametry regulátoru. Znaménko pravé strany závisí na parametru RACT. Rozsah řídicí veličiny mv (polohového výstupu regulátoru) je omezen parametry hilim, lolim. Parametr dz udává pásmo necitlivosti v integrační složce regulátoru. Navíc integrační složka může být vypnuta a zafixována na své aktuální hodnotě vstupem IH ( $IH = on$ ). Pro správnou funkci regulátoru je nutné propojit výstup regulátoru mv se vstupem tv a správně nastavit časovou konstantu vysledovávání tt.

Doporučené nastavení časové konstanty tt pro PID regulátor je $tt \approx \sqrt{T_{i} T_{d}}$ a pro PI regulátor $tt \approx T_{i} ∕ 2$ . Toto nastavení zajišťuje hladký přechod mezi manuálním a automatickým režimem a efektivní funkci antiwindup při saturaci výstupu mv. Nastavením tt lze upravit reakci regulátoru na saturaci (například při odrazu od limitů způsobených šumem) a při změně mezi různými regulátory (např. velikost skoku při přepnutí, pokud existuje regulační odchylka). Hodnota 0 automaticky aplikuje doporučené nastavení pro PI a PID regulátory. U regulátorů bez integrační složky znamená deaktivaci sledování. Pro aktivaci sledování u P nebo PD regulátorů (např. pro regulaci kolem rovnovážného bodu) je třeba nastavit kladnou hodnotu tt vyšší než je vzorkovací perioda. Deaktivace sledování u regulátorů s integrační složkou není možná kvůli riziku windup efektu.

Pro zesílení platí, že hodnota $K = 0$ vypne regulátor. Záporné hodnoty nejsou dovoleny (k tomu slouží parametr RACT. Nastavení časové integrační konstanty na $T_{i} = 0$ vypne integrační složku regulátoru (stejný efekt jako vypnutí parametrem irtype). Pro $T_{d} = 0$ dojde k vypnutí derivační složky regulátoru. Přídavné výstupy dmv, de a SAT poskytují po řadě rychlostní výstup regulátoru (diference mv), regulační odchylku a příznak saturace výstupu regulátoru mv.

Bloku PIDMA je možné pomocí parametru icotype připravit na propojení s dalšími typy řídicích bloků. Parametr icotype může mít nastaveny následující hodnoty s danými významy:

1: analogový - klasický režim bloku,
2: PWM - režim vhodný pro zapojení výstupu mv na vstup pulzně-šířkově modulované regulace PWM,
3: SCU - režim pro zapojení s krokovým regulátorem s polohovou zpětnou vazbou SCU),
4: SCUV - režim pro zapojení s krokovým regulátorem bez polohové zpětné vazby SCUV.

Pro poslední možnost platí, že význam výstupů mv, dmv a SAT je v tomto případě pozměněn: výstup mv je roven součtu P a D složky regulátoru, zatímco výstup dmv poskytuje diferenci jeho I složky a výstup SAT nese informaci pro blok SCUV, zda je regulační odchylka de v automatickém režimu menší než pásmo necitlivosti dz. Pro případ propojení bloků PIDMA a SCUV se navíc doporučuje volit váhový koeficient požadované hodnoty pro derivační složku c rovný nule.

V manuálním režimu ( $MAN = on$ ) je vstup hv kopírován na výstup mv, pokud nenaráží na horní či dolní omezení výstupu regulátoru. Celková regulační funkce bloku PIDMA je zřejmá z následujícího obrázku.

Blok PIDMA rozšiřuje řídicí funkci standardního PID regulátoru o vestavěné automatické nastavování parametrů (PID autotuner). Před spuštěním autotuneru musí operátor ve vhodném pracovním bodě dosáhnout ustáleného stavu a zvolit požadovaný typ regulátoru ittype (PI nebo PID) a nastavit další parametry autotuneru (iainf, DGC, tdg, tn, amp, dy a ispeed). Identifikační experiment se startuje náběžnou hranou off $\to$ on na vstupu TUNE (vstupem TBRK jej lze předčasně ukončit). V tomto módu ( $TBSY = on$ ) je nejprve odhadnut drift a šum regulované veličiny (ve specifikovaném čase tdg $+$ tn) a poté je na vstup procesu aplikován pravoúhlý puls. Z odezvy procesu jsou odhadnuty první tři momenty jeho impulsní odezvy. Amplituda pulsu se nastavuje parametrem amp. Puls je ukončen poté, co se hodnota regulované veličiny pv změní o více, než určuje tolerance (práh) dy (zadává se vždy jako kladné číslo). Pokud je nastaven příznak DGC, používá se při zpracování signálu speciální kompenzace trendu signálu. Odhad času zbývajícího do konce procesu ladění je přiveden na výstup trem.

Pokud experiment skončí úspěšně ( $TE = off$ ), pak se v závislosti na vstupu ips objeví na výstupech:

0: Navržené parametry pk, pti, ptd, pnd, pb, pc.
1: Momenty procesu: zesílení (pk), míra zpoždění soustavy (pti), míra délky odezvy soustavy (ptd).
2: Tříparametrový model procesu prvního řádu s dopravním zpožděním: zesílení (pk), dopravní zpoždění (pti), časová konstanta (ptd). Viz blok FOPDT.
3: Tříparametrový model procesu druhého řádu s násobnou časovou konstantou a dopravním zpožděním: zesílení (pk), dopravní zpoždění (pti), časová konstanta (ptd). Viz blok SOPDT.
4: Odhad mezí intervalu pro manuální doladění zesílení k PID regulátoru ( $irtype = 7$ ): horní mez $k_{h i}$ (pk), dolní mez $k_{l o}$ (pti).

Další hodnoty vstupu ips jsou rezervovány pro speciální účely. Pro ( $TE = on$ ) určuje výstup ite kód chyby experimentu. Funkce autotuneru je demonstrována na následujícím obrázku.

Během identifikačního experimentu výstup ite indikuje jednotlivé fáze činnosti autotuneru. Ve fázi odhadu strmosti odeznívání odezvy ( $ite = -4$ ) může být proces ladění předčasně manuálně ukončen. V tomto případě jsou parametry regulátoru řádně navrženy, avšak jejich možná nepřesnost je indikována varovným kódem ite=100.

Poznámka: Náběžná hrana off $\to$ on na vstupu TUNE během fází -2, -3 a -4 způsobí ukončení aktuální fáze a přechod na další (nebo dokončení experimentu ve fázi -4).

Po ukončení experimentu (TBSY on $\to$ off) je funkce regulátoru závislá na nastaveném režimu (manuální, automatický). Jestliže $TAFF = on$ , potom jsou navržené parametry okamžitě použity.

Tento blok propaguje kvalitu signálu. Více informací je uvedeno v sekci 1.4.

Vstup

dv	Proměnná dopředné vazby	Double (F64)
sp	Požadovaná hodnota (setpoint)	Double (F64)
pv	Řízená veličina	Double (F64)
tv	Veličina pro vysledování	Double (F64)
hv	Hodnota výstupu v manuálním režimu	Double (F64)
MAN	Manuální nebo automatický režim	Bool
	off .. automatický režim on ... manuální režim
IH	Zastavení integrace	Bool
	off .. integrování povoleno on ... integrování pozastaveno
TUNE	Zahájení ladicího experimentu	Bool
TBRK	Ukončení ladicího experimentu	Bool
TAFF	Přijetí výsledků ladicího experimentu	Bool
	off .. parametry jsou pouze vypočítány on ... parametry jsou dosazeny do řídicího algoritmu
ips	Význam výstupních signálů	Long (I32)
	0 .... parametry PID regulátoru 1 .... momenty procesu 2 .... model prvního řádu s dopravním zpožděním 3 .... model druhého řádu s násobnou časovou konstantou a dopravním zpožděním 4 .... meze pro manuální ladění zesílení regulátoru

Parametr

irtype	Typ regulátoru $⊙$ 6	Long (I32)
	1 .... D 2 .... I 3 .... ID 4 .... P 5 .... PD 6 .... PI 7 .... PID
RACT	Převrácené působení výstupu regulátoru	Bool
	off .. vyšší mv -> vyšší pv on ... vyšší mv -> nižší pv
k	Zesílení regulátoru $↓$ 0.0 $⊙$ 1.0	Double (F64)
ti	Integrační časová konstanta $↓$ 0.0 $⊙$ 4.0	Double (F64)
td	Derivační časová konstanta $↓$ 0.0 $⊙$ 1.0	Double (F64)
nd	Parametr filtru derivační složky $↓$ 0.0 $⊙$ 10.0	Double (F64)
b	Váhový faktor pro proporcionální složku $↓$ 0.0 $↑$ 2.0 $⊙$ 1.0	Double (F64)
c	Váhový faktor pro derivační složku $↓$ 0.0 $↑$ 2.0	Double (F64)
tt	Časová konstanta vysledování $↓$ 0.0 $⊙$ 1.0	Double (F64)
hilim	Horní mez akčního zásahu regulátoru $⊙$ 1.0	Double (F64)
lolim	Dolní mez akčního zásahu regulátoru $⊙$ -1.0	Double (F64)
dz	Pásmo necitlivosti	Double (F64)
icotype	Typ výstupu regulátoru $⊙$ 1	Long (I32)
	1 .... analogový 2 .... PWM 3 .... SCU 4 .... SCUV
ittype	Požadovaný typ regulátoru pro návrh $⊙$ 6	Long (I32)
	6 .... PI 7 .... PID
iainf	Druh apriorní informace $⊙$ 1	Long (I32)
	1 .... statický proces 2 .... astatický proces
DGC	Kompenzace driftu gradientu $⊙$ on	Bool
	off .. zakázáno on ... povoleno
tdg	Doba odhadu gradientu trendu [s] $⊙$ 60.0	Double (F64)
tn	Doba odhadování šumu [s] $⊙$ 5.0	Double (F64)
amp	Amplituda ladícího pulzu $⊙$ 0.5	Double (F64)
dy	Práh pro ukončení pulsu $↓$ 0.0 $⊙$ 0.1	Double (F64)
ispeed	Požadovaná rychlost uzavřené smyčky $⊙$ 2	Long (I32)
	1 .... pomalá uzavřená smyčka 2 .... středně rychlá uzavřená smyčka 3 .... rychlá uzavřená smyčka
ipid	Forma PID regulátoru $⊙$ 1	Long (I32)
	1 .... paralelní realizace 2 .... sériová realizace

Výstup

mv	Akční zásah regulátoru (manipulated variable)	Double (F64)
dmv	Rychlostní výstup regulátoru (diference)	Double (F64)
de	Regulační odchylka	Double (F64)
SAT	Saturace	Bool
	off .. lineární zákon řízení on ... výstup regulátoru je saturován
TBSY	Příznak probíhajícího ladicího experimentu	Bool
TE	Příznak chyby během ladění	Bool
	off .. ladění proběhlo bez chyby on ... během ladění se vyskytla chyba
ite	Kód chyby	Long (I32)
	0 .... bez chyby 1 .... příliš malá hodnota prahu pro ukončení pulzu 2 .... příliš velká amplituda pulzu 3 .... nebylo dosaženo ustáleného stavu 4 .... příliš malá amplituda pulzu 5 .... nebylo dosaženo ustáleného stavu 6 .... při experimentu došlo k saturaci výstupu regulátoru 7 .... pro vybraný typ regulátoru není podporováno automatické nastavování 8 .... nedodržena podmínka monotónnosti procesu 9 .... selhání extrapolace 10 ... neočekávané hodnoty momentů (fatální) 11 ... ruční přerušení experimentu uživatelem 12 ... nesprávný směr řídicí veličiny (změňte parametr RACT) 13 ... nesprávný formát vstupního řetězce sParams 100 .. ruční ukončení ladění (varování) -1 ... odhad driftu a šumu (parametry tdg a tn) -2 ... generování obdélníkového pulzu (pulz končí při změně pv o hodnotu větší než dy) -3 ... hledání vrcholu odezvy -4 ... odhad rychlosti ustalování odezvy
trem	Odhad času do ukončení experimentu [s]	Double (F64)
pk	Navržené zesílení regulátoru	Double (F64)
pti	Navržená integrační časová konstanta regulátoru	Double (F64)
ptd	Navržená derivační časová konstanta regulátoru	Double (F64)
pnd	Navržený parametr filtru derivační složky	Double (F64)
pb	Navržený váhový faktor pro proporcionální složku	Double (F64)
pc	Navržený váhový faktor pro derivační složku	Double (F64)

[Předchozí] [Na začátek] [Výše] [Další]