Print

Základní koncepce víceparametrového řízení

-- 24.05.17

Víceparametrové řídicí prvky mohou vyvážit vzájemně soupeřící záměry. Regulátory procesů, které dokážou žonglovat s mnoha regulovanými veličinami zároveň, jsou stále běžnější a výkonnější, ale pořád může být obtížné je navrhnout a implementovat. 

Vzájemně soupeřící záměry procesního řízení lze precizně plnit použitím víceparametrových řídicích prvků. Jednoparametrové řídicí prvky, k nimž patří např. smyčky PID (Proportional-Integral-Derivative), jsou zdaleka nejoblíbenějšími řídicími prvky pro průmyslové aplikace. Jednoparametrový řídicí prvek měří jedinou regulovanou veličinu, rozhoduje, zda je hodnota přijatelná, v případě potřeby aplikuje korektivní zásah a postup opakuje. Tato rutina funguje dobře u problémů s procesním řízením pouze s jednou veličinou nebo s několika veličinami, se kterými lze manipulovat nezávisle na sobě. 

Jak již bylo řečeno, situace se komplikuje, když má řídicí systém dosahovat několika cílů s použitím více akčních členů, kdy všechny ovlivňují veškeré regulované veličiny zároveň. Podobné situace vyžadují víceparametrové řídicí prvky, které umějí vyvážit zásahy všech akčních členů najednou. 

Vezměme si například regulování teploty a vlhkosti v kanceláři. Snížením teploty pomocí chladicího zařízení se rovněž sníží relativní vlhkost. Zvýšení vlhkosti pomocí páry zase zvýší teplotu. Může být tedy obtížné určit požadovanou rovnováhu chlazení a vstřikování páry. 

Víceparametrové řízení se ještě dále komplikuje, pokud je možno splnit všechny požadované cíle několika různými kombinacemi regulačních zásahů. Nejefektivnější víceparametrové regulátory umějí zvolit kombinaci, jejíž implementace je nejlevnější.  Některé také dokážou zohlednit potenciální náklady neaplikování kolektivního regulačního zásahu. Náklady mohou zahrnovat nejen finanční hlediska, jako je energie spotřebovaná oproti energii ušetřené, ale také aspekty bezpečnosti a ochrany zdraví. 

Víceparametrové řídicí prvky se nejčastěji používají v petrochemickém, leteckém a energetickém průmyslu. Například v destilační koloně mohou být stovky teplot, tlaků a průtoků, které musejí být koordinovány, aby se maximalizovala kvalita destilovaného produktu. Řídicí systém proudového letadla musí koordinovat motory a plochy pro řízení letu, aby letadlo udržoval ve vzduchu. 

Metody víceparametrového řízení

A jakým způsobem to všechno víceparametrový regulátor dokáže? Existuje jen několik málo základních metod víceparametrového řízení, avšak všudypřítomný algoritmus PID mezi nimi paradoxně není. Ani PID, ani žádná jiná metoda jednoparametrového řízení nedokáže zohlednit dopady, které má jeden řídicí prvek na ostatní, bez pomoci složitějších algoritmů. 

Většina jednoparametrových řídicích prvků rovněž ignoruje náklady na aplikaci regulačního zásahu. Jejich jediným cílem je snížit odchylku mezi žádanou hodnotou a regulovanou veličinou, a to bez ohledu na to, jaké množství energie je na to vynaloženo. Samotný algoritmus PID není řešením. 

Pokud jsou však náklady na regulaci zanedbatelné a jestliže jsou interakce mezi regulovanými veličinami relativně malé, pak lze zkombinovat několik jednoparametrových řídicích prvků a regulovat tak víceparametrové procesy. Organizace NASA zkoušela tento přístup u některých ze svých prvních kosmických lodí, jak ukazuje obrázek 1. NASA použila tři nezávislé řídicí prvky pro řízení svislého natočení (pitch), vodorovného natočení (yaw) a rotace (roll) modulu Gemini. Každý řídicí prvek reagoval na dopady ostatních dvou tak, jako by se vyrovnával s vnějšími rušivými vlivy. Tento přístup docela dobře fungoval, ale řídicí prvky měly tendenci pracovat proti sobě a výsledkem byla mnohem větší spotřeba paliva, než bylo nutné. 

Odvazbení a regulované veličiny

Jednoparametrové řídicí prvky lze rovněž používat ve víceparametrových aplikacích, pokud lze regulované veličiny matematicky odvazbit. Obrázek 2 znázorňuje, jak je možno jednoduchý proces se dvěma řídicími prvky a dvěma regulovanými veličinami odvazbit, aby každý řídicí prvek nakonec ovlivňoval jen jednu regulovanou veličinu. Odvazbovací členy (C21 a C12) ruší křížový dopad, který má každý řídicí prvek na druhou regulovanou veličinu (P21 a P12). Odvazbovací členy umožňují, aby oba řídicí prvky pracovaly tak, jako by každý řídil svůj vlastní nezávislý proces. 

Nejjednodušší koncepce odvazbování řeší pouze křížové vlivy na ustálený stav. Série krokových testů s otevřenou smyčkou ukáže dlouhodobý dopad, jaký má každý řídicí prvek na každou regulovanou veličinu. Pokud například jednotkový krok řídicího prvku 1 zvýší regulovanou veličinu 1 o X % (prostřednictvím P11) a jednotkový krok z řídicího prvku 2 zvýší stejnou regulovanou veličinu o dalších Y % (prostřednictvím P12), pak odvazbovací člen C12 může být nastaven na zisk –Y/X. Díky tomu bude mít druhý řídicí prvek nulový čistý dopad na první regulovanou veličinu. Ačkoli je odvazbovací prvek pro ustálený stav poměrně jednoduché navrhnout a implementovat, jeho použití je omezeno na aplikace, kde jsou důležité pouze dlouhodobé hodnoty regulované veličiny. Pokud je nutno řídit také kolísání regulované veličiny v krátkodobém horizontu, je nezbytné použít složitější odvazbovací členy, které by zohlednily dynamické chování procesu. 

Navíc i odvazbovací členy, které jsou navrženy pro zohlednění křížových vlivů na dynamický i ustálený stav, budou fungovat jen v případě, jestliže jsou křížové vlivy buď slabé, nebo velmi dobře známé. V opačném případě nebudou odvazbovací členy schopné křížové vlivy zcela vyrušit. Odvazbování může selhat také v případě, že se chování procesu byť jen nepatrně změní poté, co byly odvazbovací členy implementovány. 

Regulace s minimálním rozptylem

Algoritmus pro regulaci s minimálním rozptylem je obecně mnohem účinnější pro řízení několika regulovaných veličin najednou. Rozptyl je ukazatelem toho, jak moc regulovaná veličina v nedávné době kolísala okolo své žádané hodnoty. Počítá se pravidelným umocňováním naměřené odchylky mezi regulovanou veličinou a žádanou hodnotou a přičtením výsledků k průběžnému součtu. U víceparametrového procesu je celkový rozptyl váženým součtem rozptylů spočtených pro každou jednotlivou regulovanou veličinu. 

Řídicí prvek s minimálním rozptylem koordinuje všechny své regulační zásahy, aby minimalizoval celkový rozptyl. Může také minimalizovat náklady na řízení tím, že považuje každý akční člen za další regulovanou veličinu s žádanou hodnotou rovnající se nule. Lze zvolit jakostní faktory používané při výpočtu celkového rozptylu pro určení, jaký důraz má řídicí prvek klást na odstraňování chyb a jaký na minimalizaci řídicích zásahů. V příkladu klimatizace lze řídicí prvek navrhnout tak, aby byl více či méně agresivní, a to v závislosti na relativních přínosech snížení energetických nákladů v porovnání s udržováním komfortu pro osoby v místnosti. 

Regulátory s minimálním rozptylem využívají matematické modely procesu k predikci budoucích vlivů současných řídicích zásahů. Toto předběžné upozornění umožňuje řídicímu prvku vybrat následující sadu řídicích zásahů tak, aby byly minimalizovány budoucí rozptyly mezi regulovanými veličinami a jejich příslušnými žádanými hodnotami. 

Omezení pro řídicí prvky

Procesní model rovněž umožňuje řídicímu prvku uvalit meze nebo omezení na své řídicí zásahy a regulované veličiny. Pokud je model přesný, řídicí prvek může odhadnout, kam budou jeho řídicí zásahy a regulované veličiny směřovat, a změnit kurz, aby se vyhnul narušení těchto omezení v budoucnu. Pokud však model neodráží chování procesu s dostatečnou přesností, může i tak dojít k narušení omezení. 

Omezení často reprezentují fyzické meze procesu, například ventily nelze otevřít na více než 100 % a mechanické akční členy nelze přesouvat nebezpečně rychle. Také některé regulované veličiny musejí být omezeny, aby zůstaly blízko svých žádaných hodnot, a to bez ohledu na náklady. Překmit žádané hodnoty může být nejrychlejší cestou k dosažení požadované teploty v peci, může ale spálit produkt uvnitř. 

Dodržování takových omezení je jednou z hlavních motivací pro používání regulace s minimálním rozptylem u víceparametrových aplikací. Obrázek 3 znázorňuje, jak rozptyl ovlivňuje výběr žádané hodnoty regulované veličiny. Pokud řídicí prvek dokáže úspěšně minimalizovat každý rozptyl regulované veličiny, související žádanou hodnotu je možno mnohem více přiblížit k nejbližšímu omezení. To umožňuje provozovat proces velice blízko jeho fyzickým mezím, kdy je produktivita obecně nejvyšší. 

Bohužel přínosy zařízení s minimálním rozptylem a většina dalších forem víceparametrového řízení stojí určitou cenu. Matematické formulování těchto algoritmů je obtížné a složitější než tradiční algoritmus PID. 

Vance J. VanDoren, Ph.D., PE; upravila Emily Guentherová, zástupkyně obsahového ředitele, Control Engineering, CFE Media, eguenther@cfemedia.com.


Sponzorované odkazy

 
Aktuální vydání
Reklama

Navštivte rovněž

  •   Události  
  •   Katalog  

Události

Snídaně s Matrikonem
2017-09-13 - 2017-09-13
Místo: Tančící kuchyně, Praha
WEBINÁŘ: Trendy v IIoT V
2017-09-13 - 2017-09-13
Místo: webinář
3. ročník konference SMART HOME
2017-09-19 - 2017-09-19
Místo: Grandior Hotel Prague, Na Poříčí 42, Praha, konferenční sál C + D
Moderní metody rozpoznávání a zpracování obrazových informací 2017
2017-09-19 - 2017-09-19
Místo: Technická univerzita v Liberci Budova G, Univerzitní náměstí 1410/1, Liberec (posluchárna G312)
Moderní technologie pro potravinářský průmysl IV
2017-09-20 - 2017-09-20
Místo: Kongresové centrum Praha

Katalog

COGNEX
COGNEX
Emmy-Noether-Str. 11
76131 Karlsruhe
tel. 737 489 292

B+R automatizace, spol. s r.o.
B+R automatizace, spol. s r.o.
Stránského 39
616 00 Brno
tel. +420 541 4203 -11

Schneider Electric CZ, s. r. o.
Schneider Electric CZ, s. r. o.
U Trezorky 921/2
158 00 Praha 5
tel. 00420737266673

BALLUFF CZ s.r.o.
BALLUFF CZ s.r.o.
Pelušková 1400
19800 Praha
tel. 724697790

Mitsubishi Electric Europe B.V.
Mitsubishi Electric Europe B.V.
Pekařská 621/7
155 00 Praha 5
tel. +420 251 551 470

všechny firmy
Reklama


Tematické newslettery




Anketa


Ano, proto se je snažíme minimalizovat
Ne, jsou na odpovídající úrovni
Nejsou vysoké, ale rychle rostou

O nás   |   Reklama   |   Mapa stránek   |   Kontakt   |   Užitečné odkazy   |   Bezplatné zasílání   |   RSS   |   
Copyright © 2007-2017 Trade Media International s. r. o.
Navštivte naše další stránky
Trade Media International s. r. o. Trade Media International s. r. o. - Remote Marketing Továrna - vše o průmyslu Control Engineering Česko Řízení a údržba průmyslového podniku Inteligentní budovy Almanach produkce – katalog firem a produktů pro průmysl Konference TMI