Erreurs PID :Réinitialiser Windup

Le PID est au service de l'industrie du contrôle de processus depuis plus d'une décennie et s'est imposé comme la principale technique de contrôle par rétroaction systèmes. Au fil des ans, la technique a connu un certain nombre de mises à niveau et d'améliorations, laissant la place à des dispositifs pneumatiques, électroniques et informatiques, assurant un contrôle plus strict des processus.

L'une des premières percées dans les systèmes PID a été l'action intégrale, également connue sous le nom de réinitialisation de l'automatisation, qui a considérablement amélioré les performances des contrôleurs équipés d'une action proportionnelle. Un contrôleur "P-only" applique un effort correctif proportionnel à la différence entre la valeur mesurée et la consigne, qui peut se résumer ainsi :

• Si la différence ou l'erreur augmente, le contrôleur P-only répond par un effort de contrôle positif pour réduire la différence.
• Si la différence diminue, le contrôleur injecte un effort de contrôle négatif.

L'ensemble de l'implémentation est facile à comprendre et à maintenir, mais présente le défaut de longévité, ce qui signifie que l'effort de contrôle diminue à mesure que l'erreur diminue. Cela ralentit la vitesse à laquelle l'erreur diminue, augmentant le temps global nécessaire pour que l'erreur cesse. Mais l'erreur ne cesse pas non plus d'exister, le contrôleur P quittant le processus avec un léger décalage.

Cette erreur en régime permanent est corrigée par une action intégrale qui fonctionne en parallèle avec le contrôleur P, garantissant que l'effort de contrôle reste aussi longtemps que l'erreur a une valeur non nulle. Cela compense le contrôleur PI. Bien que ce contrôleur assure un effort constant pour éliminer l'erreur, il donne lieu à d'autres problèmes. Le problème le plus important qui se pose est l'instabilité en boucle fermée, avec l'action intégrale provoquant le dépassement de la variable de processus par rapport au point de consigne souhaité. Ce problème devient exceptionnellement nocif si le processus de contrôle est très sensible, ce qui fait que le dépassement crée une erreur encore plus grande dans la direction opposée. Cela lance un autre processus d'élimination des erreurs.

Pour remédier à cela, les ingénieurs utilisent des techniques analytiques pour déterminer les gains intégraux et proportionnels qui conviendraient parfaitement au processus.

L'erreur de réinitialisation de liquidation

Si un effort de contrôle important est utilisé pour atténuer une erreur d'amplitude significative pour un processus dont l'actionneur est trop petit, le résultat est une réinitialisation de l'enroulement. L'actionneur est saturé à une valeur spécifique correspondant à sa sortie maximale, incapable d'affecter davantage le processus. L'opérateur peut essayer d'atténuer le problème en réduisant la valeur du point de consigne afin qu'il tombe dans la plage que l'actionneur peut atteindre, mais cela ne fonctionnera pas. Pourquoi? Parce qu'à ce moment-là, l'erreur intégrée aurait atteint une valeur énorme et le contrôleur essaierait en permanence de faire en sorte que l'actionneur génère une réponse supérieure à sa limite supérieure.

Cependant, si le point de consigne descend suffisamment bas, l'erreur intégrée commencera à diminuer. Cela devrait être combiné avec une chaîne d'erreurs négatives pour annuler l'effet des erreurs positives accumulées pendant le temps où l'actionneur était dans l'état saturé.

Une autre façon de se débarrasser de cette erreur consiste à installer un actionneur suffisamment grand pour produire un changement requis pour le processus sans saturer.

Le correctif de préchargement

L'enroulement de réinitialisation peut également avoir lieu si l'actionneur est éteint alors que le contrôleur est allumé. Par exemple, dans le cas d'un contrôleur en cascade, si la boucle interne est en mode manuel, cela n'aurait aucun effet sur le contrôleur de la boucle externe. Si le contrôleur de la boucle externe continue de fonctionner, son action intégrale se « terminera ».

Une solution simple à ce problème est que chaque fois que l'actionneur ne fonctionne pas, l'intégrateur du contrôleur doit être éteint. Une autre solution consiste à ajuster le point de consigne à la valeur de la variable de procédé entre les lots. Mais, il existe de meilleures méthodes pour réparer la liquidation de réinitialisation.

Dans un scénario de préchargement, la sortie de l'intégrateur du contrôleur est fixée de sorte que le processus démarre le lot suivant avec l'erreur acquise du lot précédent. Avec le préchargement, la réinitialisation peut continuer à partir du lot précédent, réduisant ainsi le temps nécessaire pour se stabiliser à un état constant.

Cela fonctionne mieux si les lots sont identiques, de sorte que le contrôleur doit obtenir le même point de consigne à chaque fois. Si les lots ne sont pas identiques, un modèle mathématique doit être utilisé pour prédire l'action intégrale requise pour le tour suivant. Cette approche fonctionne pour un processus continu si elle est modélisée avant le démarrage du processus.

Le correctif de transfert sans à-coups

Cependant, le pré-chargement peut entraîner quelques ratés. Un problème potentiel est l'ajustement brusque de la sortie de l'actionneur une fois que chaque tour commence, ce qui peut endommager l'actionneur. De même, lorsque le contrôleur passe du mode automatique au mode manuel et inversement, toute tentative de l'opérateur de modifier l'effort de commande peut également endommager l'actionneur.

Bumpless Transfer utilise un préchargement artificiel pour résoudre ces problèmes. L'intégrateur est chargé avec la valeur requise pour redémarrer les opérateurs, éliminant ainsi la nécessité de modifier l'effort de contrôle. Le contrôleur devrait toujours tenir compte des modifications de la variable de procédé ou du point de consigne, mais il y aurait moins de secousses lors du passage en mode automatique.

Complications des temps morts

Le temps mort est le temps mis par la variable de processus pour s'ajuster après un changement dans l'effort de contrôle. Cela se produit lorsque le capteur variable est trop en aval de l'actionneur. Peu importe les efforts du contrôleur, il ne peut pas atténuer l'erreur tant que les paramètres physiques des capteurs ne changent pas.

Lorsque le contrôleur tente de corriger les erreurs, l'erreur et la variable de processus s'arrêtent de bouger, ce qui entraîne une action intégrale enroulée comme si l'actionneur était éteint. Une solution à cela consiste à diminuer le gain intégral, ce qui réduirait l'action intégrale maximale due à l'enroulement et éliminerait les temps morts.

Le problème peut également être résolu en émettant l'action intégrale avec un temps mort, donnant au tampon de liquidation le temps de se détendre. Une façon d'améliorer cette technique consiste à ajouter des intervalles intermittents à l'action intégrale. Laisser l'action proportionnelle fonctionner pendant un certain temps, puis activer l'action intégrale peut raccourcir le temps nécessaire pour que l'erreur soit nulle.

Ceci n'est qu'un exemple d'utilisation du PID. Les algorithmes PID ont été considérablement modifiés pour prendre en compte les actionneurs à vitesse limitée, le bruit de mesure des variables de processus, les modèles de processus variant dans le temps, etc.

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