PID 오류:와인드업 재설정

PID는 10년 넘게 공정 제어 산업에 봉사해 왔으며 피드백 제어를 위한 기본 기술로 확고히 자리 잡았습니다. 시스템. 수년에 걸쳐 이 기술은 공압, 전자 및 컴퓨터 기반 장치에 자리를 내주어 프로세스를 보다 엄격하게 제어할 수 있도록 많은 업그레이드와 개선을 보여 왔습니다.

PID 시스템의 첫 번째 혁신 중 하나는 자동화 재설정이라고도 하는 적분 동작으로, 이는 비례 동작이 장착된 컨트롤러의 성능을 크게 향상시켰습니다. "P 전용" 컨트롤러는 다음과 같이 요약될 수 있는 측정값과 설정값 간의 차이에 비례하여 수정 노력을 적용합니다.

• 차이 또는 오류가 증가하면 P 전용 컨트롤러는 차이를 줄이기 위해 긍정적인 제어 노력으로 응답합니다.
• 차이가 줄어들면 컨트롤러는 부정적인 제어 노력을 주입합니다.

전체 구현은 이해하고 유지하기 쉽지만 수명의 결함이 있습니다. 즉, 오류가 감소함에 따라 제어 노력도 줄어듭니다. 이렇게 하면 오류가 감소하는 속도가 느려지고 오류가 중지되는 데 걸리는 전체 시간이 늘어납니다. 그러나 P 컨트롤러가 약간의 오프셋을 두고 프로세스를 떠나면서 오류도 끊이지 않습니다.

이 정상 상태 오류는 P-컨트롤러와 병렬로 작동하는 적분 동작을 통해 수정되어 오류가 0이 아닌 값을 갖는 한 제어 노력이 유지되도록 합니다. 이것은 PI 컨트롤러를 보완합니다. 이 컨트롤러는 오류를 제거하기 위한 일관된 노력을 보장하지만 다른 문제를 야기합니다. 발생하는 가장 중요한 문제는 프로세스 변수가 원하는 설정값을 초과하도록 하는 적분 동작과 함께 폐쇄 루프 불안정성입니다. 이 문제는 제어 프로세스가 매우 민감하면 오버슈트가 반대 방향으로 더 큰 오류를 생성하는 경우 매우 해롭습니다. 이것은 또 다른 오류 제거 프로세스를 시작합니다.

이를 수정하기 위해 엔지니어는 분석 기술을 사용하여 프로세스에 완벽하게 맞는 적분 및 비례 이득을 결정합니다.

와인드업 재설정 오류

액츄에이터가 너무 작은 프로세스에 대해 상당한 규모의 오류를 완화하기 위해 큰 제어 노력이 사용되면 결과는 리셋 와인드업입니다. 액추에이터는 최대 출력에 해당하는 특정 값에서 포화되어 더 이상 프로세스에 영향을 줄 수 없습니다. 작업자는 액츄에이터가 달성할 수 있는 범위 내에 있도록 설정점 값을 줄임으로써 문제를 완화하려고 시도할 수 있지만 작동하지 않습니다. 왜요? 이 시간까지 통합 오류는 엄청난 값을 달성했을 것이고 컨트롤러는 지속적으로 액추에이터가 상한보다 높은 응답을 생성하도록 시도할 것이기 때문입니다.

그러나 설정값이 충분히 낮아지면 통합 오류가 감소하기 시작합니다. 이것은 액츄에이터가 포화 상태에 있는 동안 누적된 양의 오류의 영향을 상쇄하기 위해 일련의 음의 오류와 결합되어야 합니다.

이 오류를 제거하는 또 다른 방법은 포화 없이 공정에 필요한 변화를 생성할 수 있을 만큼 충분히 큰 액추에이터를 설치하는 것입니다.

사전 로드 수정

컨트롤러가 켜져 있는 동안 액추에이터가 꺼져 있는 경우에도 리셋 와인드업이 발생할 수 있습니다. 예를 들어 캐스케이드 컨트롤러의 경우 내부 루프가 수동 모드에 있으면 외부 루프 컨트롤러에 영향을 미치지 않습니다. 외부 루프 컨트롤러가 계속 작동하면 적분 동작이 "감기"됩니다.

이 문제에 대한 간단한 해결책은 액추에이터가 작동하지 않을 때마다 컨트롤러의 통합자를 꺼야 한다는 것입니다. 또 다른 솔루션은 배치 사이의 프로세스 변수 값으로 설정값을 조정하는 것입니다. 그러나 재설정 와인드업을 수정하는 더 좋은 방법이 있습니다.

사전 로드 시나리오에서 컨트롤러의 적분기 출력은 프로세스가 이전 배치에서 얻은 오류로 다음 배치를 시작하도록 고정됩니다. 사전 로드를 사용하면 이전 배치에서 바로 재설정을 계속할 수 있어 일정한 상태로 정착하는 데 필요한 시간을 줄일 수 있습니다.

이는 배치가 동일하여 컨트롤러가 매번 동일한 설정값을 얻어야 하는 경우 가장 잘 작동합니다. 배치가 동일하지 않으면 수학적 모델을 사용하여 다음 라운드에 필요한 통합 작업을 예측해야 합니다. 이 접근 방식은 프로세스를 시작하기 전에 모델링된 경우 연속 프로세스에 대해 작동합니다.

범프 없는 전송 수정

그러나 미리 로드하면 몇 가지 문제가 발생할 수 있습니다. 한 가지 잠재적인 문제는 각 라운드가 시작될 때 액추에이터의 출력이 갑자기 조정되어 액추에이터가 손상될 수 있다는 것입니다. 유사하게, 컨트롤러가 자동에서 수동 모드로 또는 그 반대로 전환될 때 조작자가 제어 노력을 수정하려는 시도도 액추에이터를 손상시킬 수 있습니다.

Bumpless Transfer는 이러한 딸꾹질을 해결하기 위해 인공 사전 로딩을 사용합니다. 적분기에는 운영자를 다시 시작하는 데 필요한 값이 로드되어 제어 노력을 변경할 필요가 없습니다. 컨트롤러는 여전히 프로세스 변수 또는 설정값의 변경을 고려해야 하지만 자동 모드로 전환할 때 충돌이 적습니다.

데드타임 합병증

데드타임은 제어 노력이 변경된 후 프로세스 변수가 조정하는 데 걸리는 시간입니다. 이것은 가변 센서가 액추에이터에서 너무 하류에 있을 때 발생합니다. 컨트롤러가 아무리 노력해도 센서의 물리적 매개변수가 변경될 때까지는 오류를 완화할 수 없습니다.

컨트롤러가 오류를 수정하려고 시도하면 오류와 프로세스 변수가 모두 이동을 멈추고 액츄에이터가 꺼진 것처럼 감겨 통합 동작이 발생합니다. 이에 대한 한 가지 솔루션은 와인드업으로 인한 최대 적분 동작을 낮추고 데드타임을 제거하는 적분 이득을 줄이는 것입니다.

문제는 또한 데드타임이 있는 적분 동작을 실행하여 완화할 수 있는 와인드업 버퍼 시간을 제공함으로써 해결할 수 있습니다. 이 기술을 향상시키는 한 가지 방법은 적분 동작에 간헐적 간격을 추가하는 것입니다. 비례동작을 잠시 방치한 후 적분동작을 켜면 오차가 0이 되는 시간을 단축할 수 있습니다.

이것은 PID 사용의 한 예일 뿐입니다. PID 알고리즘은 속도 제한 액추에이터, 프로세스 변수 측정 노이즈, 시간에 따라 변하는 프로세스 모델 등을 고려하도록 크게 수정되었습니다.

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