Methode zur Bestimmung der Vorwärts-/Rückwirkung des Reglers

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1. Methode zur Bestimmung der positiven/negativen Wirkung des Reglers: Bei der Automatisierung des Regelungssystems ist es oft so, dass nachdem das Steuerkonzept festgelegt wurde und die positive/negative Wirkung des Reglers ermittelt wurde, entscheidend ist, wie die P-, I- und D-Parameter eingestellt werden. Auf der Grundlage jahrelanger Praxiserfahrung möchte ich erklären, wie die P-, I- und D-Parameter eines Regelungssystems eingestellt werden sollten. Bitte nutzen Sie diese Informationen in Ihren Projekten als Orientierungshilfe. Bevor die P-, I- und D-Parameter des Regelungssystems eingestellt werden, muss sichergestellt sein, dass es sich um ein Schleifenregelungssystem mit negativer Rückkopplung handelt, d.h. Ko*Kv*Kc > 0. Regelobjekt Ko: Wenn die Ventile und Aktuatoren geöffnet werden und die gemessenen PV-Werte steigen, dann gilt Ko > 0 ； Andernfalls gilt Ko＜0 ； Regelventil Kv: Bei positiver Wirkung des Ventils (öffnet sich bei Luftdruck/elektrischem Signal) gilt Kv > 0 ； Ventilreaktion (luftgesteuert, elektrisch gesteuert), dann ist Kv < 0 ； Das Vorzeichen von Ko und Kv wird durch das zu verarbeitende Objekt sowie die Produktionssicherheit bestimmt. Anhand des Vorzeichens von Ko und Kv sowie der Bedingung Ko*Kv*Kc > 0 können wir das Vorzeichen von Kc bestimmen ； Regler Kc: Wenn Kc > 0, dann ist der Regler rückkopplungsgesteuert ； Wenn Kc < 0, dann wirkt der Regler positiv ； Die Softwarekonfiguration muss korrekt eingestellt werden. Vor der Inbetriebnahme des Geräts sowie vor der Einstellung der P-, I- und D-Parameter muss unbedingt überprüft werden, ob die Reaktionsweise des Reglers richtig ist. 1. Bevor die P-, I- und D-Parameter des Regelungssystems eingestellt werden, muss sichergestellt werden, dass die Messungen genau sind und die Ventile reibungslos funktionieren ； 2. Bei der Einstellung der P-, I- und D-Parameter des Regelungssystems sollte man den Benutzer darauf hinweisen, dass er die Produktionsbedingungen genau im Auge behalten muss, um eine sichere Produktion zu gewährleisten ； 3. Bei der Einstellung der P-, I- und D-Parameter des Regelungssystems sollte zunächst der Automatikmodus aktiviert werden, anschließend der serielle Betrieb. Zuerst soll der Nebenkreis, danach der Hauptkreis eingeschaltet werden. Der Nebenkreis sollte grob gesteuert werden, während der Hauptkreis feiner gesteuert werden sollte. Auf dem CRT der Bedienstation wird das Anpassungsfenster des Reglers geöffnet. Dabei werden die Eingabewerte SP oder die Ausgabewerte OP geändert, um ein Schrittsignal zu erzeugen, das im Rahmen der Prozessanforderungen zulässig ist. Es werden die Messwerte PV sowie die Trendgrafiken beobachtet. Die PID-Parameter werden ständig angepasst – meist mehrmals hintereinander – bis eine stabile Steuerung erreicht ist. In der Praxis reichen in der Regel bereits die zufriedenstellenden Eigenschaften erster Ordnung aus. Zwei: Empfohlene Werte für die PID-Einstellungen bei Flüssigkeiten als Medium (Gase, Flüssigkeiten). Die empfohlenen Werte für die PID-Einstellungen sind wie folgt. Es ist ratsam, diese Werte bereits in der Softwarekonfiguration vor dem Einsatz festzulegen; an Ort und Stelle können sie dann noch feinjustiert werden – oder auch unverändert bleiben: 1. Für die Regelung des Durchflusses (F): In der Regel gilt P=120–200%, I=50–100S, D=0S ； Für das Stotterverhinderungssystem: In der Regel P=120–200%, I=20–40 Sek., D=15–40 Sek ； 2. Zu der Druckregelung (P): In der Regel gilt P=120–180%, I=50–100 S, D=0 S ； Für das Entlüftungssystem: In der Regel P=80–160%, I=20–60 Sek., D=15–40 Sek ； 3. Für die Regulierung des Füllstands (L): 1] Bei großen Behältern (Türme mit einem Durchmesser von 4 Metern und einer Höhe von mehr als 2 Metern): In der Regel gilt P=80–120%, I=200–900S, D=0S ； 2] Mittlere Behälter (Durchmesser 2–4 Meter, Höhe 1,5–2 Meter): In der Regel gilt P=100–160%, I=80–400S, D=0S ； 3] Kleine Behälter (Turmbehälter mit einem Durchmesser von 2 Metern und einer Höhe von weniger als 1,5 Metern): In der Regel gilt P=120–300%, I=60–200S, D=0S ； 4. Temperaturregulierung (T): In der Regel gilt P=120–260%, I=50–200 Sek., D=20–60 Sek ； Die oben genannten Parameter sind empirisch und nicht absolut. Außerdem kann in der Praxis manchmal ein Problem mit dem Prozessobjekt oder der Ventilsteuerung (Positionierer) eines Regelungssystems durch die Anpassung der PID-Parameter behoben werden, wodurch eine automatische Inbetriebnahme möglich wird. Bei der Automatisierung ist geduldiges Beobachten und ständige Anpassung erforderlich. Ob in der Praxis Automatisierung möglich ist, hängt vor allem davon ab, ob die Ventile (Positionierer) und Aktuatoren gut funktionieren und beweglich sind. In einem seriellen Regelungssystem (z. B. mit 2 Reglern) entspricht der gesamte innere Kreis (der Sekundärregler, wobei Ko1*Kv1*Kc1 > 0 gilt) dem Kv des Hauptkreises, welches stets positiv ist. Ergebnis der PID-Parameter-Einstellung: Bei Betrachtung der Kurven reicht in der Regel eine erste Ordnung aus (theoretisch wäre natürlich eine zweite Ordnung mit Abklinge möglich). Drei: Hinweise zur Aktivierung der automatischen Schaltkreise 1. Grundprinzipien: Bei der Betriebszeit des Geräts muss die Aktivierung der automatischen Schaltkreise dafür sorgen, dass alle Arbeitsabschnitte reibungslos funktionieren. Die wichtigsten Parameter dürfen keine großen Schwankungen aufweisen. Ebenso dürfen die Parameter wie Druck, Füllstand und Temperatur der anderen Hilfseinrichtungen keine so großen Schwankungen aufweisen, die den normalen Betrieb des Geräts beeinträchtigen könnten. 2. Zusammenarbeit mit den Bedienern der gleichen Prozessanlage: Die Inbetriebnahme des automatischen Schaltkreises gehört zu den Arbeiten zur Abstimmung eines Automatisierungsprojekts. Wenn unser Personal für den Einbau der automatischen Schaltkreise zuständig ist, muss es vor Beginn der Arbeiten dem Bediener des Systems klar erklären, welche Aufgaben zu erledigen sind, wie die Prozessbediener unterstützen müssen, welche Auswirkungen das haben kann und wie mit unerwarteten Situationen umgegangen werden soll. Nach Abschluss der Justierung muss dem Prozessbediener Bescheid gegeben werden. Vor dem ersten Einsetzen des automatischen Schaltkreises sollte der Prozessbediener darauf hingewiesen werden, den betreffenden Betriebszustand so weit wie möglich in einen relativ stabilen Zustand zu bringen. 3. Besondere Hinweise zum Steuerungssystem: (1) Die Konfiguration aller automatischen Schaltkreise muss vor dem Einsatz sorgfältig getestet werden. Falls die Konfiguration vor Ort geändert wird, muss vor dem Einschalten in den Automatikmodus sorgfältig überprüft werden, ob die Signalflüsse sowie die Logik der Konfiguration korrekt sind. Bei der Steuerung der Signale ist auf die zeitlichen Aspekte der Schaltlogik zu achten. Die Konfiguration sollte so gestaltet sein, dass es am Ausgang des automatischen Schaltkreises vor Ort eine einfache Logikschaltung gibt, über die man eingreifen kann. Dadurch kann im Falle eines Konfigurationsfehlers der automatische Ablauf vor Ort manuell gestoppt werden. (2) Beim Automatikbetrieb kann man zunächst den Proportionalanteil sowie die Zeitkonstante des PID-Moduls erhöhen. Zudem sollten die oberen und unteren Grenzen der Ausgangssignale des PID-Moduls in einem zulässigen Bereich um den aktuellen Ausgangswert liegen. Die Änderungsrate des Ausgangssignals des PID-Moduls sollte hingegen verringert werden. Nachdem die Automatikfunktion aktiviert wurde, sollte überprüft werden, ob die Richtung der Aktionen des PID-Moduls korrekt ist und ob die Änderungen der Eingangsfehler im normalen Bereich liegen. Erst nach dieser Überprüfung können die verschiedenen Ausgangsbeschränkungen des PID-Moduls schrittweise aufgehoben werden, damit es wieder seine normale Funktion erfüllen kann. Anschließend können die Parameter des PID-Moduls entsprechend der gewünschten Regelleistung angepasst werden. Vier Methoden zur Einstellung der PID-Parameter 1. Grundlagen In Systemen der automatischen Regelung gilt: E = SP – PV. Dabei steht E für die Abweichung, SP für den gegebenen Wert und PV für den gemessenen Wert. Wenn SP größer als PV ist, liegt eine positive Abweichung vor; umgekehrt liegt eine negative Abweichung vor. 1) Die Wirkung der proportionalen Regelung ist proportional zur Größe der Abweichung ； Wenn der Proportionalitätsfaktor 100 beträgt, erfolgt die Ausgabe der proportionalen Regelung im Verhältnis 1:1 zum Abweichungswert innerhalb dessen jeweiligen Messbereichs. Wenn das Verhältnis 10 ist, arbeitet es im Verhältnis 10:1. Das heißt, je kleiner die Proportionalität ist, desto stärker ist die proportionalische Wirkung. Eine zu starke Proportionalwirkung kann zu Oszillationen führen. Zu schwach führt zu einer ungenügenden Proportionalität, wodurch im Konvergenzprozess des Systems zu viele Schwingungszyklen entstehen und das Dämpfungsverhältnis zu gering ist. Seine Funktion ist es, die zu regulierenden Parameter zu stabilisieren. 2) Die Wirkung der integrierten Regelung ist proportional zur Integration der Abweichung über die Zeit. Das heißt, wenn eine Abweichung eine integrierende Wirkung hat, entsteht eine Ausgabe. Es dient dazu, Restfehler zu beseitigen. Eine zu starke Integrierung kann ebenfalls zu Oszillationen führen, während eine zu schwache Integrierung dazu führt, dass im System Restfehler bestehen bleiben. 3) Die Wirkung der differenziellen Regelung ist proportional zur Geschwindigkeit der Änderung des Fehlers. Die Wirkung besteht darin, alle Veränderungen der eingestellten Parameter zu verhindern; es handelt sich dabei um eine Art Vorregelung. Es hat eine sehr gute Wirkung auf Objekte mit großer Verzögerung. Aber die reine Verzögerung kann nicht überwunden werden. Eignet sich für die Temperaturregulierung. Durch die Verwendung der differenziellen Regelung kann die Konvergenzzeit des Systems verkürzt werden. Zu lange Differenzierungszeiten können ebenfalls zu Oszillationen führen. 2. Die empirische Einstellmethode ist die am weitesten verbreitete Methode zur Anpassung von Systemen; es handelt sich dabei um eine Art Versuch-und-Irrtum-Methode. Es wird durch vorherige Einstellung der Parameter und wiederholtes Ausprobieren erreicht. Die Standardwerte der Parameter müssen in Abhängigkeit von den Eigenschaften des Objekts sowie vom Messbereich des Instruments festgelegt werden. Die PID-Parameter mit großem Messbereich sollten entsprechend stärker wirken. Der allgemeine Bereich der vier Arten von anzupassenden Parametern ist wie folgt: Bei der Methode der kritischen Proportionalität wird das System rein proportional automatisiert; dabei wird die Integrationzeit auf den maximalen Wert gesetzt und die Differenzierungzeit auf 0. Verringern Sie allmählich den Proportionalitätsfaktor, sodass im System gerade noch oszillierende Bewegungen auftreten. Notieren Sie dabei den Proportionalitätsfaktor Pbc sowie die Oszillationsspanne Tc. Anschließend berechnen Sie mithilfe der folgenden Formel den Proportionalitätsfaktor und die Integrationszeit des PID-Reglers: P = 2,2 · Pbc ； T=0,85Tc. Die tatsächliche Situation kann außerhalb dieses Rahmens liegen. Für Objekte mit großer reiner Verzögerungszeit und Zeitkonstante eignet sich bei MACS der PID-Regler nicht für die kritische Proportionalitätsmethode, da es schwierig ist, einen geeigneten Pbc zu finden.