Fagstoff

Optimalisering

Publisert: 30.07.2010, Oppdatert: 03.03.2017
  • Innbygg
  • Enkel visning
  • Lytt til tekst
  • Skriv ut

Hvordan få et best mulig resultat. Optimalisering av prosessen med fokus på metoder og resultater.

 Blokkskjema

Optimalisering

Optimalisering av en prosess går ut på å få den prosessresponsen vi ønsker, ved å endre av forbruk eller set-punkt. Dette gjøres ved å tilpasse regulatorens parametrer P, I og D til den aktuelle prosessen.

I et gitt prosessanlegg påvirkes P-, I- og D-verdiene av anleggets oppbygging og drift. Dette kaller vi prosessforsterkning. For eksempel vil transporttider, trykkforhold i rørsystemer og valgt setpunkt påvirke hvilke verdier vi må benytte for P, I og D. Hvis en tank kjøres med set-punkt på 80 % nivå, vil væsken i tanken renne raskere ut av tanken enn hvis nivået var satt til 20 %. Dette kommer av økt trykk i tanken.

Videre påvirkes parameterene P, I og D av forsterkningen i de ulike delene av reguleringssløyfa. Dette kalles sløyfeforsterkning. For eksempel vil en transmitters kalibrerte område eller reguleringsventilens forsterkning påvirke valget av verdier for regulatorens P-, I- og D-parametrer.

Endringer i reguleringssløyfa eller i prosessanlegget vil derfor kun medføre behov for ny optimalisering.

Et annet viktig moment ved optimalisering er hvilken prosessrespons vi ønsker. Noen ganger kan en rask respons være viktig, andre ganger er oversving (at prosessverdien går over set-verdien før den stabiliserer seg) helt uakseptabelt og ses på som vrakproduksjon. Dette er kalles ulike justeringsmetoder.

Her vil vi få rask respons med lite oversving, men det tar lengre tid før prosessverdien stabiliserer seg på set-verdien.

Minimums areal fire til enMinimumsareal 4 : 1 Arealet av første oversving og påfølgende oversving skal være forholdet 4 : 1. Dette gir rask respons og kort innsvingningsforløp (at prosessverdien finner raskt tilbake til set-verdien).

 

 

 

 

 

Minimums forstyrrelseMinimums forstyrrelse

Her vil prosessverdien ikke svinge over set-verdien. Dette fører til at det tar lengre tid før prosessverdien når set-verdien.

 

 

 

 

 

Minimums amplitudeMinimums amplitude 

Her vil vi få rask respons med liten oversving, men det tar lengre tid før prosessverdien stabiliserer seg på set-verdien.

 

 

 

 

  Valg av regulatorens PID parameterUlike prosessanlegg og prosesser krever også ulike kombinasjoner av P-, I- og D-parametrer. Hvis en prosess tillater avvik fra set-punktet kan en ren P-regulering benyttes. Hvis vi ikke tillater avvik, benyttes PI-regulering. Hvis prosessen krever rask respons ved endringer under drift, benyttes PID-regulering. D-leddet bør ikke benyttes i anlegg med målestøy eller der dødtiden/transporttiden tD < prosessens tidskonstant tT .

Som vi forstår, er valg av regulatorparametrer en forholdsvis kompleks affære. Vi skal i det etterfølgende se på noen optimaliseringsmetoder som baserer seg på justeringsmetoden minimumsareal.

Autotune

De fleste moderne regulatorer har innebygd en Autotune-funksjon. Når en regulator settes i Autotune ved ønsket set-verdi, vil regulatoren selv overta kontrollen over regulatorutgangen og kjøre prosessen over og under set-verdien for å finne prosessens respons på endringer. Basert på prosessens respons beregner regulatoren selv korrekte P-, I- og D-verdier. De fleste Autotune-funksjoner velger alltid PID-regulering, noe som kan føre til ustabil regulering på grunn av D-leddet, for eksempel ved målestøy fra transmitter. D-leddet forsterker målestøyen. Hvis dette blir et problem, må D-leddet  fjernes og de foreslåtte parametrene for P og I  justeres (se for øvrig formler for PI- og PID-regulering under).

Ziegler og Nichols første metode

Metoden går ut på å finne prosessens kritiske svingningspunkt, dvs. ved hvilken regulatorforsterkning prosessen går i selvsving/harmonisk svingning (jevn amplitude). Ved harmonisk svingning er prosessverdien (A) og regulatorutgangen (B) i motfase. Vi leser da av kritisk forsterkning FK i regulatoren (ev. kritisk proposjonalbånd PBk) og kritisk svingtid Tk (periodetid, C) på den tilkoblede skriveren. Forholdet mellom forsterkning og proposjonalbånd er F = 1/PB * 100 %.

Dette gjøres ved at I og D slås av, set-verdien i regulatoren stilles til ønsket arbeidspunkt og P-leddet settes til en verdi som tillater prosessen å stabilisere seg. Regulatoren står i AUTO (regulatoren styrer selv utgangen). Deretter halveres P (forsterkningen dobles), og en endring gjøres i set-verdi eller forbruk for å se om prosessen går i harmonisk sving. Dette gjentas til vi finner prosessens kritiske svingningspunkt.

P-regulering:

  • Fp = 0,5 x Fk
  • PBp = 1/Fp x 100 %

 

PI-regulering:

  • Fp = 0,45 x Fk
  • Itid = 0,85 x Tk

 

PID-regulering:

  • Fp =0,6 x Fk
  • Itid =0,5 x Tk
  • Dtid =0,12 x Tk

Ziegeler og Nichols andre metode

Metoden går ut på å finne prosessens sprangrespons. Dette gjøres ved at set-verdien settes i prosessens arbeidspunkt og vi lar prosessen stabilisere seg. Videre settes regulatoren i MANUELL (operatøren bestemmer utgangsverdien fra regulatoren), vi gjør et sprang i regulatorens utgangsverdi og leser av responsen fra prosessen på den tilkoblede skriveren.

 SprangresponsBasert på prosessforsterkningen (åpen sløyfeforsterkning) FΔp = ΔER/Δpådrag samt avlest verdi for dødtiden td (tiden det tar fra endring til respons) og tidskonstanten tt (tiden det tar før prosessverdien når 63 % av sluttverdi) beregnes P-, I- og D-verdier.

P-regulering:

  • Fp= tt/td/FΔp

 

PI-regulering:

  • Fp = 0,9 x tt/td/FΔp
  • Itid = 3,3 x td

 

PID-regulering:

  • Fp= 1,2 x tt/td/FΔp
  • Itid = 2 x td
  • Dtid = td/2

Begge disse metodene krever at regulatorens inngang og utgang tilkobles en skriver.

Prosessens vanskelighetsgrad, gv

En annen metode for å avgjøre valget av reguleringsmetode er å ta utgangspunkt i prosessens vanskelighetsgrad, gv.

gv= td/tt

  • gv < 0,1         PI-regulering
  • gv = 0,1- 0,3   P-regulering
  • gv = 0,3- 0,6    PID-regulering
  • gv > 0,6         Andre reguleringsmetoder (f.eks. kaskademetoden, foroverkobling)