luento12_2015
Transcription
luento12_2015
Säätötekniikan perusteet Luento 12: Säätimen kokeellinen viritys PI-säätimen lambda-viritys 9.4.2015 LUT Energy Electricity | Energy | Environment Mitä tänään tehdään? − PID-säätimen kokeellinen viritys − Ziegler-Nichols − Cohen-Coon − Analyyttinen Lambda-viritys PI-säätimelle LUT School of Energy Systems Säätimen kokeellinen viritys − Kokeelliset viritysmenetelmät ovat vaihtoehtona, jos systeemin matemaattista mallia ei tunneta. − Kokeellinen viritys usein kohtuullinen lähtökohta säätimen parametrien valinnalle − Usein viritystä joudutaan parantamaan prosessimalliin perustuvilla laskennallisilla menetelmillä − PID-säätimen kokeellisia viritysmenetelmiä ovat mm. − Askelvasteeseen eli reaktiokäyrään perustuvat menetelmät − Ziegler-Nicholsin 1. menetelmä − Cohen-Coon menetelmä − Värähtelyrajamenetelmä (Ziegler-Nicholsin 2. menetelmä) LUT School of Energy Systems Reaktiokäyrämenetelmä − Tehdään prosessille askelvastekoe − Määritetään mitatusta askelvasteesta kuvan mukaisesti − Tehollinen viive L − Aikavakio T − Vahvistus K − Prosessille muodostetaan siirtofunktio K G (s) e sL sT 1 y=Ku 0 2 L LUT School of Energy Systems T 4 6 8 10 Askelvasteeseen perustuvat menetelmät Ziegler-Nicholsin 1. menetelmä Parametri KP TI TD P T/(KL) - - PI 0,9T/(KL) 3L - PID 1,2T/(KL) 2L L/2 Säätäjä LUT School of Energy Systems Askelvasteeseen perustuvat menetelmät Cohen-Coon menetelmä Parametri KP TI TD P T/(KL)(1+L/3T) - - PI T/(KL)(0,9+L/12T) L(30T+3L)/(9T+20L) - PID T/(KL)(4/3+L/4T) L(32T+6L)/(13T+8L) 4LT/(11T+2L) Säätäjä LUT School of Energy Systems Esimerkki Viritetään viiveellinen järjestelmä 10 0.2 s G s e 1 s Ziegler-Nicholsin ja Cohen-Coon askelvasteeseen perustuvilla menetelmillä LUT School of Energy Systems Esimerkki − Molemmilla menetelmillä ylitys huomattava. − Cohen-Coon menetelmällä saadaan sekä P, PI, että PID-säätäjillä hieman pienempi ylitys ja lyhyempi asettumisaika kuin Ziegler-Nicholsin menetelmällä. Step Response Step Response 2 2 PZ-N PC-C PIZ-N PIC-C PIDZ-N 1.5 PIDC-C 1.5 1 Amplitude Amplitude 1 0.5 0.5 0 0 -0.5 0 1 2 3 4 5 6 -0.5 0 0.5 1 Time (seconds) 1.5 2 2.5 Time (seconds) LUT School of Energy Systems 3 3.5 4 4.5 5 Värähtelyrajamenetelmä − Käytetään pelkkää P-säätöä − Systeemi saatetaan värähtelemään lisäämällä vahvistusta − Värähtelystä nähdään − Kriittinen vahvistus Kkr − Värähtelyn jaksonaika Tkr − Toisin sanoen tavoitteena on selvittää − Avoimen piirin taajuusvasteen vahvistusvara − Taajuus, jolla vaihesiirto on -180 astetta. LUT School of Energy Systems Värähtelyrajamenetelmä − Proseduuri jos systeemin siirtofunktiota ei tunneta 1. Kytketään säätäjä pelkäksi P-säädöksi. 2. Syötetään systeemin ohjearvoon sopivaa herätettä ja kasvatetaan samalla vahvistusta, kunnes systeemi joutuu vaimenemattomaan värähtelyyn 3. Nyt vahvistuksen arvo on yhtä suuri kuin vahvistusvara ja värähtelyn taajuus vastaa -180 asteen ylitystaajuutta − Proseduuri jos systeemin siirtofunktio tunnetaan 1. Piirretään avoimen piirin taajuusvaste 2. Katsotaan systeemin vahvistusvara, tämä on Kkr 3. Katsotaan taajuus, jolla vahvistusvara saadaan. Lasketaan tästä kriittinen jaksonaika Tkr = 2/ LUT School of Energy Systems Värähtelyrajamenetelmä Parametri KP TI TD P 0,5Kkr - - PI 0,45Kkr 0,8Tkr - PID 0,6Kkr 0,5Tkr 0,12Tkr Säätäjä LUT School of Energy Systems Esimerkki Ziegler-Nicholsin värähtelyrajamenetelmä − Tarkastellaan kuvan järjestelmää. − Viritetään järjestelmälle P-, PI- ja PID-säätäjän parametrit Ziegler-Nicholsin värähtelyrajamenetelmällä. − Lisätään P-osan vahvistusta niin, että järjestelmän vaste on vaimenemattomassa värähtelyssä. I- ja D-osien vahvistus = 0. LUT School of Energy Systems Esimerkki Ziegler-Nicholsin värähtelyrajamenetelmä − Systeemi jää vaimenemattomaan värähtelyyn, kun Kkr = 7. − Kriittinen jaksonaika saadaan kuvaajasta, Tkr = 120 s. -4 0 x 10 -0.5 -1 -1.5 -2 -2.5 -3 0 100 200 300 LUT School of Energy Systems 400 500 Esimerkki Ziegler-Nicholsin värähtelyrajamenetelmä − Lasketaan PI- ja PID-säätimien parametrit − PI: KP = 3,15 TI = 96 s − PID: KP = 4,2 TI = 60 s TD = 14,4 s − Säätäjien siirtofunktiot ovat: G s PI G s PID 1 1 1 3,151 K p 1 3,15 0,033 s 96 s sTI 1 1 1 K p 1 sTD 4,21 14,4 s 4,2 0,07 60.5s s 60 s sTI LUT School of Energy Systems Esimerkki Ziegler-Nicholsin värähtelyrajamenetelmä − Kuvassa PI- ja PID-säätimillä säädettyjen systeemien vaste. − Hetkellä 500 s systeemiin kytketään kuorma. 1.5 PID PI Vaste 1 0.5 0 0 100 200 300 400 500 Aika, s 600 LUT School of Energy Systems 700 800 900 1000 Huomioita Ziegler-Nicholsin ja Cohen-Coon menetelmistä − Kummankin menetelmän tavoitteena on antaa hyvä vaste kuormahäiriöille ei ohjearvon muutoksille − Askelvasteessa pyritään peräkkäisten ylitysten vaimenemiseen 4:1 suhteessa − Menetelmät antavat monen prosessin näkökulmasta turhan aggressiiviset säädinparametrit − Vasteessa on yleensä runsaasti ylitystä ja se on oskilloiva − Huono robustisuus (eli tulos on herkkä epävarmuudelle systeemissä) − Menetelmät julkaistu 1942 (Z-N) ja 1953 (C-C) − Varsinkin Z-N on historiallisesti hyvin merkittävä − Menetelmien käyttöä sellaisenaan ei voi suositella kuin hyvin rajallisessa määrää tapauksia (esim. Integroivien prosessien kuormahäiriöt). − Menetelmien muunneltuja versioita, joilla saadaan parempi lopputulos on runsaasti saatavilla. LUT School of Energy Systems Lambda-viritys − Analyyttinen viritysmenetelmä 1. kertaluvun viiveelliselle prosessille − Prosessin avoimen piirin siirtofunktio K s G p s e Ts 1 − Haluttu suljetun systeemin siirtofunktio Gcl s 1 e s Ts 1 − Lambda on viritysparametri, jolla määritellään systeemin nopeus säätämättömään verrattuna. Tyypillisesti lambda = 0,5 – 5 − Säädetyn systeemin viive on sama kuin prosessissa, koska sitä ei voi saada lyhyemmäksi, eikä ole järkeä haluta suuremmaksi − Vahvistus on 1, jotta jatkuvuustilan vahvistus olisi 1 LUT School of Energy Systems Lambda-viritys − Ratkaistaan säätäjän siirtofunktio, kun kokonaissiirtofunktio ja prosessin siirtofunktio tunnetaan GcGp 1 Gcl Gcl Gc 1 GcGp Gp 1 Gcl − Sijoitetaan yhtälöön prosessin ja säätimen siirtofunktiot Gc s U s Ts 1 E s K Ts 1 e s LUT School of Energy Systems Lambda-viritys − Säädintä approksimoidaan perinteisessä PI-säätimen muodossa GPI 1 K p 1 T s i − jossa säätäjäparametrit ovat Kp 1 K T Ti =T LUT School of Energy Systems Lambda-viritys Esimerkki − Tarkastellaan prosessia 10 0.2 s G s e 1 s 0.2 0.1667 T 1.2 − Tavoitteena on sama aikavakio T kuin avoimella piirillä, jolloin valitaan lambda = 1 Kp 1 K T 1 1 0.083 0.2 12 101 1 Ti 1 LUT School of Energy Systems Lambda-viritys Esimerkki − Tutkitaan samaa pidemmällä viivellä 10 1s G s e 1 s 1 0.5 T 2 − Halutaan edelleen takaisinkytketyn systeemin olevan yhtä nopea kuin avoimen piirin eli lambda = 1 1 1 1 Kp 0.05 1 20 K 101 T 1 Ti 1 LUT School of Energy Systems Lambda-viritys Esimerkki − Mikäli viive on aikavakioon suhteutettuna suuri, Lambda viritys ei toimi ja siinä esiintyy ylitystä. − Verrattuna aiempiin Ziegler-Nicholsin ja Cohen-Coon menetelmillä viritettyihin PI-säätimiin, Lambda viritys (viive 0,2 s) on hieman hitaampi, mutta ylitystä ja värähtelyä ei esiinny. Step Response 2 Lambda 1.8 Z-N C-C 1.6 1.4 Amplitude 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0 1 LUT School of Energy Systems 2 3 Time (seconds) 4 5 6 Lambda-viritys − Menetelmässä säätimen integrointiaika valitaan yhtä suureksi kuin prosessin aikavakio − Mikäli prosessin aikavakio on suuri tulee myös integrointiaika suureksi − Tuloksena vaste kuormahäiriöihin on hyvin hidas − Prosessin navan kumoaminen on näissä tilanteissa huono idea EXTRA TIETOA : − S. Skogestad on ehdottanut* tähän ongelmaan ratkaisua, jossa ingrointiaika valitaan Ti min{T ,4(T L)} − Näin estetään tarpeettoman suuret integrointiajat − Parametrin Lambda valintaan Skogestad ehdottaa kriteeriä T L − Eli suljetun piirin aikavakioksi mitoitetaan prosessin tehollinen viive * S. Skogestad, Simple analytic rules for model reduction and PID controller tuning, Journal of Process Control, vol. 13, no. 4, pp. 291-309, June 2003. Mitä piti oppia? − PID-säätimen kokeellinen viritys − Ziegler-Nichols − Cohen-Coon − Analyyttinen Lambda-viritys PI-säätimelle − Lisää lukemista aiheesta: − − − S. Skogestad, Simple analytic rules for model reduction and PID controller tuning, Journal of Process Control, vol. 13, no. 4, pp. 291-309, June 2003. Advanced PID control, K. Åström and T. Hägglund, 2006. Sivut 158-188 Feedback Systems - An Introduction for Scientists and Engineers, K. Åström and R. Murray, 2012. Sivut 302-306 LUT School of Energy Systems