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Stoppen Sie den Wahnsinn: Die Zeigler-Nichols-Controller-Tuning-Methode

Betriebsleitstand Ingenieur

Wenn Sie ein Steuerungs- oder Prozessingenieur sind, dann haben Sie wahrscheinlich mehr Zeit damit verbracht, PID-Schleifen zu tunen, als ich es wirklich tun möchte. Ich schaudere mich an einige der verschiedenen Methoden, die ich ausprobiert habe - eine Mischung aus Raten- und Testverfahren, die von einem Job zum nächsten weitergegeben oder abgeholt wurden. Glücklicherweise wurde ich mit den richtigen Techniken vertraut gemacht, bevor ich etwas beschädigte ... oder irgendjemanden!

In den meisten Fällen wird die Prozesskontrolle an der Universität als Teil des Chemical Engineering-Lehrplans unterrichtet. Während ein Großteil der Ingenieure mit einem anderen Abschluss wie Elektrotechnik oder Maschinenbau abschließen, trifft ein guter Teil dieser Studenten schließlich auf einen PID-Regler. Dieser eine Kontrollkurs kann einen großen Unterschied machen, da er eine Reihe von Methoden zur Durchführung effektiver Tests, zur Berechnung eines Prozessmodells und zur Abstimmung auf ein bestimmtes Kontrollziel beschreiben kann. Diese Methoden sind in der Regel sehr kalkuliert und nicht prozessorientiert. Ein Ansatz, der mir immer besonders auffällt, ist Zeigler-Nichols (ZN).

Es ist kurioserweise, wie die ZN-Methode in Diskussionen zwischen und zwischen Prozessingenieuren routinemäßig auftaucht, als wäre es ihr Ansatzpunkt für fast jede Schleife. Aus guten Gründen - einige sehr offensichtlich - sollte es nicht die erste Wahl sein, egal wie einfach die Schritte sind, die Ergebnisse sind selten gut genug. Betrachten Sie diese drei (3) Gründe, warum das der Fall ist:

  • Viertelverfall Herausforderung

    Meistens beziehen sich Praktiker auf die ZN-Methode in Bezug auf ihr objektives Ergebnis - Zerfall. Im Wesentlichen beginnt die ZN-Methode mit Überschwingen, dh sie akzeptiert Überschwingen als Ausgangspunkt. Nur dann versucht es, das Überschwingeniveau zu reduzieren und es mit jedem Zyklus um 25% zu verringern.

    Für viele Prozesse ist Überschwingen einfach nicht akzeptabel. Als ein Beispiel: Betrachte Bioreaktorprozesse, bei denen die kultivierten Organismen gegenüber signifikanten Temperaturspitzen empfindlich sind. ZN erfüllt nicht die Forderung nach Störungsunterdrückung, die mit diesen und anderen empfindlichen Prozessen verbunden ist. Zu oft habe ich in einer Prozessreaktion einen Viertelzerfall erlebt: Es ist nicht mehr gut genug, da jedes Überschwingen eine Kombination aus Energie, Zeit und Material verschwendet und jede Reaktion verschwendet, egal wie klein!
zeigler nichols kontrolliert guru

Der obige Trend zeigt die wiederholte Verdoppelung der Reglerverstärkung der Schleife, um Oszillationen zu induzieren, die schließlich an Instabilität grenzen. Ein solcher Trial and Error-Ansatz kann kostspielig sein.

  • Versuchs- und Fehlerkosten

    Bei der Berechnung von Modellparametern mit ZN muss zunächst der Wendepunkt entlang einer Antwortkurve identifiziert werden. Unter Verwendung dieses Punkts wird eine Tangente, die die maximale Steigung der Prozessvariablen darstellt, verwendet, um den Wert der Prozessverstärkung (KP) zu schätzen. Dann sollte die zugehörige Controller-Verstärkung (KC) methodisch erhöht werden, um ein nahezu instabiles Oszillationsverhalten zu induzieren.

    Angesichts des derzeitigen Stands der Technik in Bezug auf Prozesse und Software scheint es widersprüchlich zu sein, dass sich die Praktiker auf eine solche Versuch-und-Irrtum-Praxis verlassen sollten. Wenn eine Methode die Erwartung festlegt, dass mehrere Versuche zu erwarten sind, sollte ein Techniker oder Ingenieur nach anderen Optionen suchen. Dies sollte insbesondere dann gelten, wenn langsame Prozesse beteiligt sind, da Versuch und Irrtum kostspielig sein können
  • Instabilität oder Wahnsinn

    Lassen Sie uns noch einmal auf das letzte eingehen - um eine Schleife zu optimieren, weist die ZN-Methode die Praktiker an, ihre Prozesse an den Rand der Instabilität zu bringen. Bei einem Verständnis des Wendepunkts zwischen Stabilität und Instabilität sollten die gleichen Praktiker dann den KP-Wert so einstellen, dass Oszillationen stetig abklingen und der Prozess schließlich einen stationären Zustand erreicht.

    Lass mich einfach fragen: Was könnte schief gehen? Während die Methode versucht, die Grenze zwischen einem stabilen und einem instabilen Prozess zu bestimmen, ist es nicht akzeptabel, einen Prozess - oder sogar die gesamte Pflanze - in Gefahr zu bringen. Was schief gehen kann wird und .... Normalerweise tut es! Einen Prozess, der gerade seinen Stabilitätspunkt erreicht hat, zu verlassen, bedarf einer guten Begründung und eines Verständnisses dafür, wo er im Gesamtprozess sitzt, nicht nur, weil er "in der Methode" war.

Machen Sie eine schnelle Suche im Internet nach Artikeln über ZN und Sie werden wahrscheinlich feststellen, dass die meisten mit Warnungen beginnen. Wenden Sie die ZN-Methode nicht an, wenn der Prozess zu Schwingungen neigt, wenn die Schleife manuell betrieben wird. Wenden Sie die ZN-Methode nicht auf Temperaturschleifen oder andere an, die als instabil betrachtet werden können. Wenden Sie ZN nicht an, wenn das zugehörige Stellglied einer Haftreibung unterliegt. Was Sie wahrscheinlich nicht finden werden, ist ein Artikel, der sich für die Verwendung von ZN einsetzt. Der Versuch, eine Methode anzuwenden, die so viele Warnsignale hervorruft, sollte mit äußerster Vorsicht verwendet werden, um die Auswirkungen zu verstehen und zu berücksichtigen.

In früheren Posts habe ich darüber geschrieben die Wichtigkeit von guten Daten beim PID-Tuning und ich habe es skizziert eine einfache, wiederholbare Methode zum Abstimmen von PIDs. Bevor Sie etwas beschädigen - oder jemanden - denken Sie über diesen Ansatz nach!

Damien Munroe

http://www.controlstation.com

Damien gibt einen Einblick in die Prozesssteuerung und -automatisierung, die aus seinen Erfahrungen in der militärischen Luftfahrt, der Offshore-Öl- und Gasindustrie, der Präzisions-Pharmaindustrie und der Halbleiterherstellung resultiert. Seine Ausbildung an der

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