Архив / 2001 / №1(19) / О новых приборах

Управление на основе ПИД-регулирования

Одним из необходимых условий нормального протекания многих технологических процессов является обеспечение высокой точности регулирования различных параметров системы, обладающей повышенной инерционностью. Для этой цели наиболее эффективно применяются контроллеры, в которых заложена функция управления на основе пропорционально-интегрально-дифференциального закона. Примером подобных устройств могут служить микропроцессорные измерители-регуляторы ТРМ10 и ТРМ12, выпускаемые ПО ОВЕН.

Недавно началось производство обновленных и усовершенствованных версий этих приборов. Модернизация заключалась в повышении надежности, улучшении качества регулирования, а также, что немаловажно, в упрощении настройки регулятора на объектах. Новые приборы, в отличие от прежних, смогут не только управлять процессом нагрева, но и обладают способностью качественной работы с системами охлаждения.

Выбор логики работы регулятора осуществляется путем установки параметра «Тип управляющего воздействия».

В предыдущих версиях прибора использовался метод, несколько отличающийся от стандартного ПИД-регулирования и прибор оказался достаточно сложным в ручной настройке. Автоматическая его настройка тоже далеко не всегда давала оптимальные результаты, поэтому решено было вернуться к классическим формулам и методам.

В новой версии ТРМ10 выходной сигнал Y регулятора определяется по следующей формуле:

, где

Ei - отклонение параметра от значения уставки;
Xp, ti, tи  - коэффициенты ПИД-регулятора, определяющие три составляющие: пропорциональную, дифференциальную и интегральную.

Выходной сигнал ПИД-регулятора может быть представлен либо в импульсном (ШИМ), либо аналоговом (4...20 мА) виде. Для этого по выбору заказчика в приборе устанавливается выходное устройство, обеспечивающее тот или иной способ управления: для ШИМ электромагнитное реле, транзисторная или симисторная оптопара, или же 10-разрядный ЦАП с формирователем токовой петли 4...20 мА (для аналогового управления). В более ранней версии для получения аналогового выхода требовалось заказывать прибор только в корпусе щитового крепления с установленной платой расширения ПР-02.

Аналоговое управление является более точным по сравнению с ключевым, но используется совместно с электронными регуляторами мощности, например, блоком управления силовыми тиристорами БУСТ, серийный выпуск которых намечен в ближайшее время (рис. 1). Для работы аналогового выхода необходим внешний источник питания постоянного тока, номинальное значение напряжения которого рассчитывается следующим образом:

Un min < Un < Un max;
Un min = 7,5 В + 0,02 А · Rн;
Un max = Un min + 2,5 В.

Максимальное значение не должно превышать 35 В. Подключение нагрузки к аналоговому выходу прибора ТРМ10 показано на рис. 2.

Рис. 1
Рис. 1
Рис. 2
Рис. 2

При правильном выборе коэффициентов регулятора для данного объекта достигается точность поддержания температуры до ±0,1оС.

Важной особенностью новой версии является наличие в приборе дополнительного выходного реле, которое может быть использовано, например, для выдачи сигнала о выходе температуры за "аварийные" пределы или при подключении дополнительных устройств охлаждения или нагрева. Это реле устанавливается во всех модификациях, за исключением ТРМ10-Х-Х.Х.С3, предназначенной для управления трехфазной нагрузкой с помощью трех оптосимисторов.

Во многих случаях пользователи затрудняются корректно подобрать коэффициенты, поэтому одной из главных задач модернизации ТРМ10 являлась доработка функции самонастройки. Для осуществления самонастройки на объекте существует множество способов, наиболее известным из которых является метод Циглера-Николса.

Определение коэффициентов происходит по следующему принципу: прибор при включении функции самонастройки выдает максимальный выходной сигнал и определяет максимальную скорость изменения контролируемого параметра, по которой вычисляются значения коэффициентов Xp, ti, tи. После этого вычисляются значения коэффициентов. Если при достижении уставки максимальная скорость еще не определена, то выходное устройство регулятора выключается и в качестве максимума скорости принимается последнее значение.

Если качество регулирования с найденными в режиме самонастройки коэффициентами оказывается неудовлетворительным, можно воспользоваться методикой подбора коэффициентов на основе анализа характеристики процесса.

При испытании новой версии ТРМ10 были проведены многочисленные эксперименты по настройке прибора на различных объектах. Результаты этих опытов были сведены в единую таблицу значений параметров регулирования, которая поможет при настройке прибора на объекте (табл. 1).

Подобная модернизация коснулась и расчетных формул прибора ТРМ12, предназначенного для управления запорно-регулирующим клапаном. Прибор не требует подключения датчика положения клапана. В зависимости от величины и скорости изменения рассогласования ТРМ12 при помощи своих выходных устройств управляет скоростью движения задвижки по формуле:

 

Прибор имеет на выходе два ключа, один из которых перемещают задвижку в сторону открытия, а другой в сторону закрытия. Прибор ТРМ12, можно задействовать в системе ПИД-регулирования «нагреватель-холодильник». Такой режим используется в том случае, когда на объект воздействуют сразу два устройства, влияние одного из которых направлено на увеличение параметра («нагреватель»), а другого на его уменьшение («холодильник»). Эта система, в отличие от однонаправленной (как в ТРМ10), позволяет активно влиять не только на скорость нагрева, но и на скорость охлаждения объекта.

В новые версии ТРМ10 и ТРМ12 были введены несколько параметров, значительно улучшающих работу ПИДрегулятора. К таковым относятся полоса нечувствительности, ограничение максимальной выходной мощности и период следования ШИМ-импульсов. Полоса нечувствительности особенно полезна для прибора ТРМ12, поскольку позволяет увеличить ресурс работы запорно-регулирующего клапана. Пока регулируемый параметр находится внутри этой зоны значение отклонения Е считается равным нулю и прибор не выдает управляющих импульсов на электропривод клапана (рис. 3).

Таблица 1. Значение параметров регулирования для некоторых объектов

Тип объекта

Поддерживаемая температура

tи

tд

Xp

Муфельная печь
СНОЛ-3,5.3,5.3,5/3,5-И1М
(35 х 35 х 35 см)*

350оС

1100

100

40.0

Муфельная печь
СНОЛ-3,5.3,5.3,5/3,5-И4М
(35 х 35 х 35 см)*

300оС

400

50

40.0

Муфельная печь
СНОЛ-1,6.2,5.1/11-И1М
(16 х 25 х 10 см)*

1100оС

140

6

130.0

Муфельная печь
СНОЛ-3,5.5.3,5/5-И1
(35 х 50 х 35 см)*

500оС

1100

80

50.0

Термопластавтомат ДЕ-3132
1-я зона регулирования
2-я зона регулирования
3-я зона регулирования


200оС
209оС
220оС


550
400
1050


50
15
20


25.0
25.0
40.0

* габаритные размеры камеры

Рис. 4
Рис. 4

Ограничение максимальной выходной мощности используется в случае работы с управляющим устройством, мощность которого намного превосходит необходимую, и обеспечивает более плавный разогрев системы (рис. 4).

Напомню, что в предыдущей версии прибора был установлен фиксированный период следования выходных импульсов, равный 4 секундам, что вызывало неудобство при настройке. В новой версии пользователь может самостоятельно задавать значение Тсл в пределах 1...99 с. При подборе значений этого параметра следует иметь в виду, что существует прямая зависимость качества регулирования от частоты выдачи управляющих импульсов. Поэтому предпочтительней использовать бесконтактные устройства управления: симисторы и твердотельные реле, для которых можно устанавливать значения Тсл=1-2 с. Для механических контактных групп электромагнитных реле или пускателей частые переключения крайне нежелательны (особенно для нагрузки, близкой к максимальной), поэтому рекомендуется задавать Тсл не менее 5 с.

Оба прибора переведены на более совершенную элементную базу, обладающую повышенной надежностью и стабильностью. Для увеличения помехоустойчивости измерений используется цифровой фильтр усреднитель, который работает аналогично фильтру, установленному в приборах ТРМ1, 2ТРМ1, 2ТРМ0.

Оба прибора выпускаются в корпусах щитового (Щ1 и Щ2) и настенного (Н) крепления.

Модификации по входам, аналогичны приборам 2ТРМ1, ТРМ1, 2ТРМ0:

ТС - термопреобразователи сопротивления ТСМ50, ТСМ100, ТСП50, ТСП100;
ТП1 - термопары ТХК, ТХА;
ТП2 - термопары ТЖК, ТНН;
ТПП - термопары ТПП(S), ТПП(R);
АТ - датчики с выходным сигналом тока 0...20, 4...20, 0...5 мА;
АН - датчики с выходным сигналом напряжения 0...1 В.

Выпуском в свет новых версий приборов ТРМ10 и ТРМ12 ПО ОВЕН завершило первый этап модернизации серии одноканальных и двухканальных контроллеров, которые приобрели поистине широкую популярность среди потребителей из-за большого диапазона возможных применений.

Оптимизация значений параметров ПИД-регулятора

В некоторых случаях может потребоваться ручная подстройка вычисленных в режиме САМОНАСТРОЙКА параметров регулятора. Это можно сделать на основании реального графика изменения регулируемой величины при выходе на уставку (см. рис.). Значение параметра период следования ШИМ импульсов (Тсл), определенное в процессе самонастройки, имеет смысл только в случае использования в качестве исполнительного устройства электромагнитного реле или пускателя. Увеличение периода следования ШИМ-импульсов позволяет удлинить срок службы силовых контактов, но может ухудшить качество регулирования. Поэтому предпочтительнее применять для управления нагрузкой электронные ключи (тиристоры, симисторы). При этом рекомендуется устанавливать значение Тсл = 1-2 с.

Илья Новиков