г. Москва, ул. Азовская, 14
+7 (495) 310-97-15
Пн-пт: с 9.00 до 18.00
Заказать звонок
Обратный звонок
Ваше имя *
Ваш телефон *
Ваш Email *
Перезвоните мне
Настраиваем каскадную схему регулирования для точной работы приточно-вытяжной системы

Каскадное ПИД регулирование

Постараюсь простыми словами изложить практическую суть достаточно сложных процессов регулирования.


Процесс: ПИД регулирование приточно-вытяжной систем.


Каскадное ПИД регулирование

 

Если вы ждете статью от специалиста, знающего ТАУ, то должен разочаровать, так как ТАУ (Теория Автоматического Управления) не изучал. Выводы делаю исходя из практического опыта внедрения различных установок и настройки контуров.
Тем не менее из основного: каскадная система регулирования это когда два ПИД регулятора работают в паре. Один регулятор обычно достаточно быстрый, а другой достаточно медленный, при этом эта связка образует связку из двух контуров, обеспечивающих двойную (независимую) стабилизацию процесса.

В данной системе есть датчик температуры подачи воздуха в помещение, насос, регулирующий клапан на трубе обратной воды, датчик температуры обратной воды. При открывании клапана вода быстро проходит через радиатор, воздух забирает тепло с радиатора и теплоноситель возвращается к датчику температуры обратной воды. Настройка системы усложняется тем, что она состоит из двух замкнутых контуров, раскачивающихся с разной частотой. Контур первый - это контур приточного воздуха, он медленный и инертный. Контур второй - это контур обратной воды, менее инертный, но со своим характером. Второй контур достаточно быстрый, требующий своевременной реакции. Оба контура (вода и воздух) нуждаются в независимой настройке и стабилизации, что подтверждается реальным примером.

Через радиатор проходит воздух, и на выходе из вентиляционной системы размещен датчик, который регистрирует температуру приточного воздуха. По идее, в самых простых случаях должно хватать одного ПИД контура, способного подавать команду на клапан в соответствии с рассогласованием между установленным значением и температурой подачи воздуха. Однако нужно понимать, что два контура могут раскачиваться с разными амплитудами и с разной частотой, соответственно, для стабилизации системы в целом лучше разбить задачу на части и стабилизировать каждую из них независимо друг от друга. Целесообразно создать два ПИД контура, один медленный, второй быстрый, выстроив их в каскад.

Алгоритм PID включает в себя три основных коэффициента:

P –«педальный» коэффициент, от него зависит скорость/величина отклика устройства на рассчитанную дельту/рассогласование. Слишком малая величина – будет не хватать и процесс окажется недорегулированным. Слишком большая величина - вероятны волны и , как следствие, перерегулирование и раскачка.
I – коэффициент, от которого зависит прогнозируемое воздействие на контур. Иногда ставлю достаточно большие числа, около 160, что добавляет контуру инертности. При этом клапан начинает реагировать на текущий процесс с некоторым опережением. Прибавлять надо аккуратно, по чуть-чуть, с анализом того, что происходит на графике.
D – коэффициент успокоения остаточных колебаний. Обычно ставится очень маленькая величина или не ставится вовсе, так как может и мешать.

Что такое контур регулирования? Это некоторая замкнутая через регулируемую среду последовательность устройств. Технологический процесс начинается от датчика, который измеряет температуру регулируемой среды. Этот датчик передает значение температуры в контроллер. В контроллере алгоритм ПИД сравнивает это значение с установленным и вычисляет воздействие, которое должно быть отправлено на регулирующий клапан для стабилизации процесса.
Каскадный это определения принципа, как некой последовательности от грубого к точному. Так например каскадные регуляторы особенно распространены в процессах нефтехимии и газопереработке.

Каждый контур настраивается по-разному. Тот контур, который предназначен для регулирования температуры приточного воздуха, делается очень медленным и инертным с большой степенью предугадывания. Контур, регулирующий температуру воды после радиатора, делается достаточно быстрым также с элементом предугадывания. Получается каскадная схема регулирования с медленным основным и быстрым подчинённым контуром управления.

Важно: в основном контуре необходимо установить минимальные и максимальные ограничения от 18С до 45С. Слишком холодная вода не требуется, тем более, что есть защита радиатора по температуре обратной воды и к ней желательно не приближаться. Верхний порог тоже важен, так как чем больше разница от минимума до максимума, тем сложнее будет сбалансировать работу контура.

У подчиненного контура также выставляем минимум и максимум положения клапана.

Верх – максимально возможное 100%.

Низ – программно настраиваемое значение. В случае приближения температуры обратной воды к пороговому значению, необходимо постараться приоткрыть клапан заблаговременно, предотвращая срабатывание защиты.


Так выглядит работа с контуром регулирования с одним PID. Настроить систему совершенно без колебаний одним ПИД регулятором не выходило. Тот всплеск, что слева на графике –  фиксация срабатывания защиты по замерзанию.


Недонастроенный ПИД


Так стало работать после внедрения второго PID FB. Автоколебания по подчиненному контуру все еще видно, но в данном случае предпочел остановить настройку, так как считаю, что важна быстрая реакция (график из Owencloud).  


Каскадный ПИД

Увеличили D
Увеличили D, уменьшили P, стало еще немного стабильнее. Контур температуры обратной воды достаточно капризный

Возникает закономерный вопрос - могут ли данные ПИД регуляторы конфликтовать между собой в процессе работы, ведь по факту общее устройство одно?

Вероятность каких-то конфликтов есть, если регуляторы не настраивать. Если настроить относительно корректно, то регуляторы начинают хорошо работать как один общий элемент. Один просит определенную температуру воды, а второй работает уже непосредственно с клапаном и подготавливает предыдущему нужную температуру воды. Получается как бы коллективная работа.


Какие коэффициенты ставятся для регулятора приточного воздуха
P – 0.6
I – 35
D – 0.0002

Какие коэффициенты ставятся для регулятора приточного воздуха
P – 2
I – 150

D – 0.0002


Коэффициенты PID


 

Так стало выглядеть в итоге

Настроенный PID

Посмотреть как работает данная WEBSCADA можно по ссылке


#НастройкаПИД, #коэффициентыобратнойводы, #каскадноерегулирование, #pid, #контуррегулирования, #алгоритмпид, #каскаднаясистемаэто

2

29.03.2023

Очень тяжело все написано. Теория управления указывает, что в классической каскадной (работа двух регуляторов внешнего и внутреннего на один исполнительный механизм. Внешний устанавливает сигнал задания для внутреннего ) системе регулирования нет возможности настраивать два регулятора независимо. Для получения максимального результата обычно идет процесс по переменой настройки внутренний, внешний, внутренний. внешний ... до достижения нужного критерия качества. При этом внутренний обычно только П-регулятор. И-составляющую для внутреннего системы не используют. Каскадная система система применяется для улучшения быстродействия. То, что здесь описано - это многосвязное регулирование (два датчика, два исполнительных механизма если судить по первой картинке): когда процессы в одном контуре оказывают сильное воздействие на второй. и наоборот. для достижения устойчивого регулирования необходимо развязать два контура. для этого применяют компенсаторы: динамические элементы, которые рассчитываются исходя из динамики контуров управления. после этого уже можно настраивать отдельно контура регулирования. Но в вашем случае все гораздо сложнее, так как динамика контуров будет меняться сильно в зависимости от температуры наружного воздуха. По этому нужно иметь несколько настроек для регуляторов и компенсатора в зависимости от температуры наружного воздуха

21.11.2021

D состовляющая - скорость изменения ошибки в уравнение ПИД закона регулирования. Разность текущего значения ошибки и ошибки в предыдущем цикле программы ко времени цикла выполнения. Ещё хорошо представляется производная как прирощение функции к приращению аргумента Tд× dE/dt. Значение dE/dt будет зависить от приращения dE, если цикл выполнн

21.11.2021

Еще надо часто время вызова регулятора менять, а то не успевает ошибка достаточно меняться. А некоторые даже не знают, как это делать и говорят, что на трмке, к примеру, невозможно)

21.11.2021

Д очень крутая составляющая! Но к ней обязательно фильтрацию прикручивать надо - иначе только вред

21.11.2021

Ох зря Вы не используете D составляющую. Ее роль - это не успокоение остаточных колебаний, как Вы пишите. Кроме того, когда в качестве исполнительного механизма используется клапан, он сам по себе является интегратором, поэтому использование высокой И составляющей для клапана дает вам И в квадрате по регулированию. Конечно, просто так советовать глупо, не видя Вашего объекта и реализации регулятора, не исключаю, что каскадное регулирование действительно единственный выход, но писать не использовать Д - некорректно А так статья неплохая, так как мало кто умеет нормально каскад настроить
Ваш комментарий добавлен