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Stop the Madness: il metodo di regolazione del controller Zeigler-Nichols

ingegnere di sala controllo impianto

Se sei un controllore o un ingegnere di processo, probabilmente hai passato più tempo di quanto ti preoccupi di ammettere l'ottimizzazione dei loop PID, certamente l'ho fatto! Mi viene il brivido di ricordare alcuni dei diversi metodi che ho provato: un misto di prove e procedure di test passati o raccolti da un lavoro all'altro. Fortunatamente, sono stato introdotto alle tecniche corrette prima di aver danneggiato qualcosa ... o chiunque!

Più spesso che non il controllo di processo viene insegnato all'università come parte del curriculum di ingegneria chimica. Mentre la maggior parte degli ingegneri si laurea con un altro grado come Elettrico o Meccanico, una buona parte di quegli stessi studenti alla fine incontra un controllore PID. Quella che controlla la rotta può fare un mondo di differenza in quanto può delineare una serie di metodi per eseguire test efficaci, calcolare un modello di processo e la messa a punto per uno specifico obiettivo di controllo. Questi metodi tendono ad essere molto calcolati e non focalizzati sul processo reale. Un approccio che mi sembra sempre peculiare è Zeigler-Nichols (ZN).

È curioso di sapere come il metodo ZN si presenti regolarmente nelle discussioni tra gli ingegneri di processo e tra loro, come se fosse il loro approccio "go-to" per quasi ogni ciclo. Per buone ragioni - alcune molto ovvie - non dovrebbe essere il metodo go-to, non importa quanto semplici siano i risultati raramente sufficienti. Considera questi tre motivi (3) sul perché questo è il caso:

  • Sfida del decadimento

    Il più delle volte i professionisti si riferiscono al metodo ZN in termini del suo risultato obiettivo: ¼ di decadimento. In sostanza, il metodo ZN inizia con overshoot, vale a dire accetta il overshoot come punto di partenza. Solo allora cerca di ridurre il livello di overshoot, diminuendolo di 25% ad ogni ciclo.

    Per molti processi l'overshoot semplicemente non è accettabile. Come esempio: prendi in considerazione i processi di bioreattore in cui gli organismi coltivati ​​sono suscettibili a picchi significativi di temperatura. ZN non soddisfa il requisito per il rifiuto del disturbo associato a questi e ad altri processi sensibili. Troppe volte ho visto il decadimento del quarto in una risposta al processo: non è più abbastanza buono in quanto qualsiasi overshoot sta sprecando una combinazione di energia, tempo e materiali e lo spreca ogni risposta, non importa quanto piccola!
guru del controllo di zeigler nichols

La tendenza sopra mostra il ripetuto raddoppio del guadagno del controller del circuito in modo da indurre oscillazioni che alla fine rasentano l'instabilità. Un simile approccio di prova ed errore può essere costoso.

  • Costi di prova e di errore

    Quando si calcolano i parametri del modello usando ZN è necessario prima identificare il punto di flesso lungo una curva di risposta. Utilizzando tale punto viene utilizzata una linea tangente che rappresenta la pendenza massima della variabile di processo per stimare il valore Process Gain (KP). Quindi il Controller Gain (KC) associato deve essere aumentato metodicamente in modo da indurre un comportamento oscillatorio quasi instabile.

    Considerato lo stato dell'arte attuale con il processo e il software, sembra controproducente che i professionisti debbano fare affidamento su una pratica di prova ed errore come questa. Quando un metodo imposta l'aspettativa di aspettarsi più tentativi, è in quel momento che un tecnico o un ingegnere dovrebbe iniziare a cercare altre opzioni. Ciò dovrebbe essere particolarmente vero quando sono coinvolti processi lenti in quanto le prove e gli errori possono essere costosi
  • Instabilità o follia

    Rivediamo quell'ultima - per sintonizzare un ciclo il metodo ZN indirizza i professionisti a portare i loro processi al limite dell'instabilità. Con una comprensione del punto di non ritorno tra stabilità e instabilità, quegli stessi professionisti dovrebbero quindi regolare il valore di KP in modo che le oscillazioni decadano costantemente e il processo raggiunga infine uno stato stazionario.

    Permettetemi semplicemente di chiedere: Qualunque cosa potrebbe andare storto? Mentre il metodo cerca di stabilire il punto di rottura tra un processo stabile e un processo instabile, mettere a rischio un processo - o anche l'intera pianta - non è una pratica accettabile. Cosa può andare storto e ... Normalmente lo fa! Lasciare un processo appena fuori dal suo punto di equilibrio della stabilità richiede una buona giustificazione e comprensione di dove si trova nel processo complessivo, non solo perché era "nel metodo"

Fai una rapida ricerca su Internet di articoli su ZN e probabilmente scoprirai che la maggior parte inizia con degli avvertimenti. Non applicare il metodo ZN se il processo tende a oscillare quando il ciclo viene gestito in manuale. Non applicare il metodo ZN per cicli di temperatura o altri che possono essere considerati instabili. Non applicare ZN se l'elemento di controllo finale associato è soggetto a Stiction. Quello che probabilmente non troverai è un articolo che difende l'uso di ZN. Tentare di applicare un metodo che solleva così tante bandiere rosse dovrebbe essere usato con estrema cautela con una comprensione e considerazione dei suoi impatti.

Nei post precedenti di cui ho scritto l'importanza dei dati buoni durante l'ottimizzazione dei PID e ho delineato un metodo semplice e ripetibile per la regolazione dei PID. Prima di danneggiare qualcosa - o qualcuno - considera questo approccio!

Damien Munroe

http://www.controlstation.com

Damien offre una visione del controllo di processo e dell'automazione che nasce dalle sue esperienze nel settore dell'aviazione militare, del petrolio e del gas offshore, della pharma di precisione e della produzione di semiconduttori. La sua educazione al

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