Dieser Beitrag wurde von Greg McMillan, Industrieberater, Autor zahlreicher Bücher über Prozesssteuerung, Empfänger des ISA Life Achievement Award 2010 und pensionierter Senior Fellow von Solutia Inc. geschrieben. (jetzt Eastman Chemical).

Der Proportional-Integral-Differenzial-Regler (PID) ist die gemeinsame Schlüsselkomponente aller Regelkreise. Grundlegende Regelsysteme sind auf den PID-Regler angewiesen, um die Messsignale in Sollwerte von Sekundärkreisreglern, digitalen Ventilreglern und Drehzahlreglern für Antriebe mit variabler Frequenz umzusetzen. Der Erfolg fortgeschrittener Regelungen, wie z. B. der modellprädiktiven Regelung, hängt von der Grundlage des Regelsystems und damit vom PID ab.

Elmer Sperry entwickelte 1911 das erste Beispiel des PID, und Nicolas Minorsky veröffentlichte 1922 die erste theoretische Analyse. Ziegler und Nichols veröffentlichten 1942 und 1943 Arbeiten über die ultimative Schwingungsmethode und die Reaktionskurvenmethode zur Reglerabstimmung. Die Parameter, die als Faktoren für die Abstimmungseinstellungen gewählt wurden, sorgten zwar für eine übermäßig aggressive Regelung, doch die Grundvoraussetzung einer ultimativen Verstärkung und einer ultimativen Periode ist für das grundlegende Verständnis der Stabilitätsgrenzen von wesentlicher Bedeutung.

Die Identifizierung der Steigung bei der Reaktionskurvenmethode ist ein Schlüssel zur Anwendung des Konzepts des Beinahe-Integrators, das wir hier als entscheidend für die meisten Zusammensetzungs-, Temperatur- und pH-Regelkreise ansehen werden, um die Abstimmungseinstellungen zu verbessern und die Testzeiten drastisch zu verkürzen. Bohl und McAvoy veröffentlichten eine Arbeit, in der gezeigt wurde, dass der PID eine nahezu optimale Regelung für nicht gemessene Laststörungen bieten kann. Shinskey schrieb viele Bücher, in denen er das Wissen über die Prozessdynamik und die Beziehungen, die für die optimale Anwendung der PID-Regelung unerlässlich sind, detailliert darlegt.

Shinskey entwickelte die ursprüngliche Gleichung für den integrierten Fehler durch Störungen als Funktion der Abstimmungseinstellungen, wie im Artikel PID-Abstimmungsregeln beschrieben. Shinskey veröffentlichte auch ein Buch über PID-Regler, in dem er zeigte, dass die einfache Hinzufügung eines Totzeitblocks in den externen Rückkopplungspfad die PID-Leistung durch Totzeitkompensation weiter verbessern kann. Interne Modellregelung (IMC) und Lambda-Abstimmungsregeln wurden auf der Grundlage von Pol- und Nullpunktunterdrückung entwickelt, um eine gute Reaktion auf Sollwerte und Störungen am Prozessausgang zu gewährleisten. Der größte Teil der Verbesserung des Sollwertverhaltens hätte jedoch durch eine Sollwert-Voreilung oder eine PID-Struktur erreicht werden können. Außerdem sind diese Abstimmungsregeln für den häufigeren Fall von Störungen am Prozesseingang (Lastumschwünge) nicht gut geeignet, insbesondere bei Prozessen, bei denen die Verzögerung dominiert.

Skogestadt entwickelte erhebliche Verbesserungen der IMC-Abstimmungsregeln. Bialkowski zeigte, dass die Verwendung von Lambda-Faktoren anstelle von Lambda-Faktoren, der Bezug von Lambda zur Totzeit und die Behandlung von verzögerungsdominanten Prozessen als Beinahe-Integratoren es dem PID ermöglichen, eine gute nicht-oszillatorische Regelung für Lastumschwünge zu liefern und darüber hinaus mit den vielen verschiedenen Schwierigkeiten und Zielen umzugehen, für die die Lambda-Abstimmung ursprünglich entwickelt wurde. Nicht erkannt wird, dass die meisten Methoden zum gleichen Grundausdruck für die PID-Verstärkung und die Nachstellzeit konvergieren, wenn das Ziel die Unterdrückung von Laststörungen ist, und dass ein Abstimmungsparameter, der die Zeitkonstante des geschlossenen Regelkreises oder die Nachstellzeit ist, relativ zur Totzeit eingestellt wird.

Auch wird nicht erkannt, wie PID-Funktionen wie Struktur, externe Rückstellung, erweiterte PID für Analysator und Wireless, einfache Berechnung eines zukünftigen Wertes, Ventilstellungsregler und „Vollgas“-Sollwertverhalten die Prozesseffizienz und -kapazität erhöhen können, wie im ISA-Buch 101 Tips for a Successful Automation Career vermerkt.

Überlast

Der Benutzer ist mit einer beträchtlichen Uneinigkeit der Abstimmungsregeln konfrontiert, wie in den 400 Seiten Abstimmungsregeln in dem Buch von O’Dwyer aus dem Jahr 2006 zu sehen ist, ohne zu erkennen, dass die meisten von ihnen durch Faktoren oder ein Beinahe-Integrator-Konzept angepasst werden können, um eine gute Regelung zu erreichen. Das moderne PID hat viel mehr Optionen, Parameter und Strukturen, die die Leistung und Flexibilität des PID erheblich steigern, aber die meisten werden aufgrund unzureichender Anleitung nicht genutzt. Außerdem ist die ISA-Standardform, die in den meisten modernen Steuerungssystemen verwendet wird, nicht die in den meisten Lehrbüchern gezeigte parallele Form oder die PID-Serienform, die in der Prozessindustrie bis in die 1990er Jahre weit verbreitet war.

All dies kann für den Benutzer ziemlich überwältigend sein, insbesondere weil die Abstimmung oft von einem Generalisten vorgenommen wird, der mit raschen technologischen Veränderungen und vielen anderen Aufgaben konfrontiert ist. Mein Ziel in meinen jüngsten Artikeln, Büchern und Kolumnen (einschließlich Blogs), die umfangreicher und weniger anbieterspezifisch sind als White Papers, ist es, einen einheitlichen Ansatz und eine gezieltere Anleitung auf der Grundlage der neuesten PID-Funktionen zu bieten, die in der Literatur fehlen.

Good Tuning: A Pocket Guide, Fourth Edition versucht, das benötigte Wissen prägnant darzustellen und die Abstimmung zu vereinfachen, indem zwischen nur zwei Sätzen von Abstimmungsregeln gewechselt wird, die weitgehend davon abhängen, ob der PID ein primärer oder sekundärer Regler ist. Ein primärer PID-Regler für Behälter- oder Säulenzusammensetzung, Gasdruck, Füllstand, pH-Wert und Temperaturregelung verwendet integrierende Prozessabstimmungsregeln, bei denen die Lambda-Arrestzeit eingestellt wird. Ein sekundärer PID für die Regelung von Flüssigkeitsdruck, Durchfluss, Inline-pH-Wert und Wärmetauschertemperatur verwendet selbstregulierende Prozessabstimmungsregeln, bei denen die Zeitkonstante des geschlossenen Regelkreises eingestellt wird. In beiden Fällen wird ein Lambda-Faktor anstelle eines Lambda-Faktors verwendet und im Verhältnis zur Totzeit gewählt, um den erforderlichen Grad an Regelgenauigkeit und Robustheit zu erreichen. Das Beste, was ein Anwender tun kann, ist die Verwendung einer guten Abstimmsoftware, der Besuch von Lieferantenschulungen und der Besuch eines Beraters in der Anlage für Lösungen und Übungen vor Ort. Es ist auch wichtig, Verantwortung zu übernehmen, um häufige Fehler beim Tuning zu vermeiden. Hier treten wir einen Schritt zurück, um sicherzustellen, dass wir nicht anfällig für Versäumnisse und Missverständnisse sind. Die folgende Zusammenstellung enthält die häufigsten, störendsten und potenziell unsicheren Fehler zuerst, aber alle können ins Spiel kommen und wichtig sein.

Fehler

1. Verwendung der falschen Steuerungsaktion: Bei analogen Steuerungen und bei vielen frühen dezentralen Steuerungssystemen (DCS) und speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) wirkte sich die Ventilwirkung nur auf die Anzeige des Ausgangs auf der Station oder dem Frontschild aus. Die Spezifikation einer „Erhöhung bis zum Schließen“-Ventilaktion für ein Ventil bei Ausfall des Ventils kehrte zwar die Anzeige, nicht aber den tatsächlichen Ausgang um. Folglich musste die Steueraktion neben der Prozessaktion auch die Ventilaktion berücksichtigen. War das Ventil „Auf-Zu“ (Fail Close), so war die Steuerwirkung einfach die Umkehrung der Prozesswirkung (direkte Steuerwirkung für umgekehrt wirkenden Prozess und umgekehrt). Wenn das Ventil „Heben bis Schließen“ war, entsprach das Regelverhalten dem des Prozesses (direktes Regelverhalten für direkt wirkende Prozesse und umgekehrt), wenn es nicht im Strom-Pneumatik-(I/P)-Wandler oder Stellungsregler umgekehrt wurde. In den heutigen Systemen kann der Anwender im PID-Block oder im analogen Ausgangsblock neben dem digitalen Ventilregler auch „Ansteigen bis zum Schließen“ angeben, wodurch die Regelwirkung als das Gegenteil der Prozesswirkung eingestellt werden kann. Die Herausforderung besteht darin, dies zu realisieren und sicherzustellen, dass die Ventilwirkung „Ansteigen bis zum Schließen“ nur an einer Stelle festgelegt wird. Wenn Sie die Regelwirkung nicht richtig einstellen, spielt alles andere keine Rolle (der PID-Regler läuft bis zu seiner Ausgangsgrenze).

2. Verwendung der Standardeinstellungen des PID-Blocks: Die Einstellungen, die mit einem PID-Block geliefert werden, wenn er per Drag & Drop in eine Konfiguration gezogen wird, dürfen nicht verwendet werden. Bei der ersten Anwendung von PID auf dynamische Simulationen neuer Anlagen können typische Einstellungen auf der Grundlage von Prozesstyp und Skalenspanne als Ausgangspunkt verwendet werden. Vor der Schulung des Bedienpersonals und der Inbetriebnahme des Regelkreises müssen jedoch Abstimmungstests durchgeführt und die Einstellungen angepasst werden.

3. Verwendung von parallelen und seriellen Abstimmungseinstellungen in der ISA-Standardform: Eine Parallelform, bei der die Einstellungen für die Integratorverstärkung und die Ableitungsverstärkung verwendet werden, die in der ISA-Standardform als Einstellungen für die Nachstellzeit und die Ratenzeit enthalten sind, kann um Größenordnungen abweichen. Eine Serienform kann eine gute Steuerung bieten, wenn die Ratenzeit gleich oder größer als die Nachstellzeit ist. Dies liegt daran, dass Wechselwirkungsfaktoren von Natur aus die PID-Verstärkung und die Ratenzeit verringern und die PID-Rückstellzeit erhöhen, um zu verhindern, dass der Beitrag des Vorsteuerungsmodus größer ist als der Beitrag der anderen Modi. Die Verwendung einer Ratenzeit, die gleich oder größer als die Rückstellzeit in einer ISA-Standardform ist, kann zu schweren, schnellen Schwingungen führen.

4. Verwendung der falschen Einheiten für die Abstimmungseinstellungen: Hier betrachten wir nur die Serienform und die ISA-Standardform. Regler können eine Verstärkungs- oder Proportionalbandeinstellung für den Proportionalmodus haben. Die Verstärkungseinstellung ist dimensionslos und ist 100 Prozent geteilt durch den Proportionalbereich. Bei einigen PID-Algorithmen in Regelungsstudien und tatsächlichen Industriesystemen wird die Verstärkung in technischen Einheiten eingestellt, was zu einer sehr bizarren Einstellung führt. Die Einstellung des Integralmodus kann Wiederholungen pro Sekunde, Wiederholungen pro Minute, Minuten pro Wiederholung oder Sekunden pro Wiederholung sein. Die Einheiten der beiden letztgenannten Einstellungen werden in der Regel als Minuten oder Sekunden angegeben. Das Weglassen des „pro Minute“ kann bei der Umrechnung der Einstellungen zu Verwirrung führen. Die Umrechnung der Ratenzeit ist einfacher, da die Einheiten einfach Minuten oder Sekunden sind.

5. Verwendung der falschen Einheiten für Ausgangsgrenzwerte und Anti-Reset-Grenzwerte: In analogen Steuerungen und in vielen frühen DCS- und SPS-Systemen wurde der Ausgang und damit auch die Ausgangsgrenzen und die Rückschaltsperre in Prozent angegeben. In modernen Steuerungssystemen wird der Ausgang in technischen Einheiten angegeben, und die Grenzwerte müssen in technischen Einheiten festgelegt werden. Bei Ventilen sind die Einheiten normalerweise Prozent des Ventilhubs. Bei einem primären (oberen) PID, der einen Sollwert an einen sekundären (unteren) PID sendet, erfolgt die Ausgabe des primären PID in den technischen Einheiten der sekundären PID-Prozessvariablen.

6. Abstimmung von Füllstandsreglern: Wenn man das Produkt aus Ventilverstärkung, Prozessverstärkung und Messverstärkung berechnet, wobei die Prozessverstärkung einfach der Kehrwert des Produkts aus Flüssigkeitsdichte und Behälterquerschnitt ist, stellt man fest, dass die integrierende Prozessverstärkung im offenen Regelkreis sehr klein ist (z. B. 0,000001 1/sec), was zu einer maximalen PID-Verstärkung für die Stabilität führt, die mehr als 100 beträgt. Für die Niveauregulierung von Schwalltanks ist eine PID-Verstärkung näher an Eins erwünscht, um Schwankungen im Einlassstrom aufzufangen, ohne sie als Änderungen an einen manipulierten Auslassstrom weiterzugeben, der die nachgeschalteten Benutzer stört. Die Benutzer mögen keine hohe PID-Verstärkung, selbst wenn eine enge Niveauregelung erforderlich ist. Eine Verringerung der Verstärkung des Niveaureglers ohne eine proportionale Erhöhung der Nachstellzeit führt zu fast anhaltenden langsamen Rollschwingungen. Weitere Verkleinerungen der PID-Verstärkung verschlimmern die Schwingungen nur noch. Die meisten Schwingungen in Produktionsanlagen und die schlechte Leistung von Destillationskolonnen lassen sich auf schlecht eingestellte Füllstandsregler zurückführen. Die Lösung besteht darin, eine Anhaltezeit (Lambda für integrierende Prozesse) zu wählen, um entweder die Absorption der Variabilität zu maximieren (z. B. Füllstandsregelung von Wasserschloss oder Destillatempfänger, bei der der Destillatfluss manipuliert wird) oder die Übertragung der Variabilität zu maximieren (z. B. Reaktorfüllstand für die Verweilzeitregelung oder Füllstandsregelung des Destillatempfängers, bei der der Rückfluss zur internen Rückflussregelung manipuliert wird). Die integrierenden Prozessabstimmungsregeln verhindern die Verletzung des Fensters der zulässigen PID-Verstärkungen, indem sie zunächst die Arrestzeit festlegen und diese Zeit zur Berechnung der Nachstellzeit und schließlich der PID-Verstärkung verwenden.

7. Verletzung des Fensters der zulässigen Reglerverstärkungen: Wir alle können nachvollziehen, dass eine zu hohe PID-Verstärkung zu Schwingungen führt. In der Praxis sehen wir jedoch häufiger Schwingungen aufgrund einer zu geringen PID-Verstärkung in Primärkreisen. Die meisten Konzentrations- und Temperaturregelungssysteme in gut durchmischten Behältern sind anfällig für eine PID-Verstärkung, die die niedrige PID-Grenze überschreitet und langsam rollende, nahezu ungedämpfte Schwingungen verursacht. Diese Systeme weisen ein stark verzögertes (nahezu integrierendes), integrierendes oder unkontrolliertes Prozessverhalten auf. Alle diese Prozesse profitieren von der Verwendung von integrierenden Prozessabstimmungsregeln, die verhindern, dass die PID-Verstärkung weniger als das Doppelte des Kehrwerts des Produkts aus der integrierenden Prozessverstärkung im offenen Regelkreis und der Rückstellzeit beträgt, wodurch die in den Abbildungen gezeigten Schwingungen verhindert werden. Die in den Abbildungen gezeigten Oszillationen hätten durch eine Verlängerung der Rückstellzeit verhindert werden können. In industriellen Anwendungen muss die Nachstellzeit in Schiffsregelkreisen oft um zwei oder mehr Größenordnungen erhöht werden. Beachten Sie, dass sich die Schwingungen verschlimmern, wenn der Prozess seine interne Selbstregulierung verliert und von einer nahezu integrierenden (geringe interne Gegenkopplung) über eine integrierende (keine interne Rückkopplung) bis hin zu einer Durchlaufreaktion (positive Rückkopplung) im offenen Regelkreis geht. Für Runaway-Prozesse gibt es auch eine von der Rückstellzeit unabhängige Mindestverstärkungseinstellung, die der Umkehrung der Runaway-Prozessverstärkung im offenen Regelkreis entspricht. Die Identifizierung der integrierenden Prozessverstärkung im offenen Regelkreis kann im Allgemeinen in etwa vier Totzeiten erfolgen, was die Prüfzeit erheblich verkürzt und die Anfälligkeit für Belastungsstörungen verringert.

8. Fehlende Erkennung der Sensornacheilung, der Transmitterdämpfung oder des Filtereinstellungseffekts: Eine langsame Messreaktion kann den Anschein einer besseren Kontrolle erwecken. Wenn die Messzeitkonstante zur größten Zeitkonstante in der Schleife wird, kann die PID-Verstärkung erhöht werden und die Schwingungen werden glatter, da die Messung langsamer erfolgt. Dies geschieht ständig bei der Durchflussregelung, Druckregelung, Inline-pH-Regelung und Temperaturregelung von Gasmengen, da die Prozesszeitkonstante weniger als eine Sekunde beträgt. Die tatsächliche Prozessvariabilität hat zugenommen und kann mit einer einfachen Gleichung abgeschätzt werden. Weitere Informationen zu diesem weit verbreiteten Problem finden Sie im Control Talk Blog Measurement Attenuation and Deception Tips. Einzelheiten darüber, wie man dies in Temperaturregelsystemen verhindern kann, finden Sie im ISA Interchange-Beitrag Temperature Sensor Installation for Best Response and Accuracy.

9. Versäumnis, Abstimmungstests zu verschiedenen Zeiten, Sollwerten und Produktionsraten durchzuführen: Die installierten Eigenschaften der meisten Regelventile und der meisten Konzentrations-, pH- und Temperaturprozesse sind nichtlinear. Die Prozessverstärkung variiert mit dem Betriebspunkt und den Prozessbedingungen, einschließlich relativ unbekannter Änderungen der Katalysatoraktivität, der Verschmutzung und der Zusammensetzung der Zufuhr. Die Ventilverstärkung variiert mit den Systemwiderständen und dem erforderlichen Durchfluss. Bei Betriebspunkt-Nichtlinearitäten hängt die ermittelte Prozessverstärkung im offenen Regelkreis von der Schrittgröße und -richtung sowie dem gedrosselten Split-Range-Ventil ab. Die Zeitkonstanten des Temperaturprozesses variieren ebenfalls mit der Richtung der Änderung. Weitere Einzelheiten finden Sie im Control Talk-Blogbeitrag Why Tuning Tests are Not Repeatable.

10. Die PID-Verstärkung wird nicht erhöht, um die Amplitude des Grenzzyklus des Spiels zu verringern: Der Versuch, die Oszillationsamplitude durch eine Verringerung der Verstärkung zu verringern, verschlimmert die Oszillation, wenn die Oszillation ein Grenzzyklus des Spiels (Totzone) ist. Die Amplitude aus dem Spiel ist umgekehrt proportional zur PID-Verstärkung. Die Periode des Grenzzyklus aufgrund von Spiel oder Haftreibung erhöht sich ebenfalls, wenn die PID-Verstärkung verringert wird, wodurch die Dämpfung durch den Filtereffekt des Prozessvolumens reduziert wird. Dieselbe Gleichung wie in Punkt 8 kann verwendet werden, um die gedämpfte Amplitude am Auslass eines gut durchmischten Volumens abzuschätzen, indem die Verweilzeit (Volumen geteilt durch den Durchfluss) als Filterzeitkonstante verwendet wird. Nachdem Sie Fehler vermieden haben, sind Sie bereit, den unten stehenden Online-Zusatz über die besten Möglichkeiten der PID-Regelung in vollem Umfang zu nutzen.

Kriegsgeschichten

1) Die Trenddiagramme des Phosphorofendrucks von den schneller installierten Drucktransmittern sahen schlechter aus, obwohl die Anzahl der Hochdruckentlastungen drastisch reduziert worden war. Glücklicherweise wurden die älteren, langsameren Transmitter installiert gelassen, was zeigte, dass die Amplitude der Druckausschläge tatsächlich abgenommen hatte, nachdem die schnelleren Transmitter für die Ofendruckregelung eingesetzt worden waren. 2) Eine Anlage wurde mehrere Jahre lang mit Standardeinstellungen für Verstärkung und Rückstellung (Wiederholungen pro Minute) betrieben, die beide gleich 1 für alle PID-Regler waren. Nahezu alle Regelkreise schwankten, aber die Anlage konnte durch die Einstellung von Ausgangsgrenzwerten zur Verringerung der Schwingungsamplituden auf geniale Weise weiterlaufen. 3) Als eine Anlage von analogen Reglern auf ein DCS umgestellt wurde, war die Anlage über die Verbesserung der Steuerung der Destillationskolonne erstaunt. Es stellte sich heraus, dass die Konfigurationsingenieure den Unterschied zwischen PID-Verstärkung und Proportionalband (PB) nicht kannten. Der analoge Regler für den Rückfluss in der Kolonne hatte einen PB von 100 Prozent, der dann als Verstärkung von 100 im DCS-PID eingestellt wurde. Die strenge Niveauregelung und die daraus resultierende große interne Rückflussregelung stoppten die langsamen Rollschwingungen, die durch die Verletzung der niedrigen Verstärkungsgrenze entstanden, und unterdrückten Störungen durch kalte „Blue Northerner“-Regenstürme.

Ergänzung

Top PID-Regelungsmöglichkeiten

1. Verwenden Sie eine Kaskadenregelung, so dass sekundäre Proportional-, Integral- und Differenzialregler (PID) (z. B., Durchfluss- und Manteltemperaturregler) die primären PID-Regler (z. B. Zusammensetzung, Füllstand, pH-Wert und Temperatur) von den Nichtlinearitäten der im Regelventil installierten Durchflusscharakteristik, Druckstörungen und Prozess-Nichtlinearitäten isolieren und eine Vorsteuerung und Verhältnisregelung ermöglichen. Wenn das Durchflussmessgerät nicht über die erforderliche Messbereichseignung verfügt, ersetzen Sie eine inferentielle Durchflussmessung unter Verwendung der installierten Durchflusskennlinie des Ventils, wenn der Durchfluss bis zu dem Punkt abfällt, an dem das Messgerätesignal zu verrauscht oder erratisch ist. (Siehe die Blog-Einträge Best Control Valve Installed Flow Characteristic und Secondary Flow Loop and Valve Positioner Tips.) Die Ausnahme ist, dass die Ausgänge von Druckreglern in der Regel direkt zu den Stellgliedern (z. B. Regelventil oder Frequenzumrichter) geleitet werden müssen, um eine schnellere Reaktion zu ermöglichen. Oft ist die installierte Ventil-Durchflusskennlinie für diese Druckschleifen durch die Verwendung einer linearen Trimmung linear, da der Druckabfall relativ konstant ist. Verwenden Sie eine externe Rückstellrückführung (z. B. dynamische Rückstellgrenze), um sicherzustellen, dass sich der primäre PID-Ausgang nicht schneller ändert, als die sekundäre PID-Prozessvariable reagieren kann.
2. Verwenden Sie eine Vorwärtsregelung, bei der es sich fast immer um eine Verhältnisregelung handelt, bei der die Divisoren und Zähler meistens eine Durchflussrate sind, aber auch eine Geschwindigkeit oder eine Energierate sein können. Das Verhältnis wird durch einen primären PID-Regler korrigiert. Der Bediener sollte in der Lage sein, das gewünschte Verhältnis einzustellen und das tatsächlich korrigierte Verhältnis zu sehen. Bei Bedarf sollte eine dynamische Kompensation vorgenommen werden, damit der manipulierte Durchfluss am gleichen Punkt und zur gleichen Zeit im Prozess ankommt wie der Vorwärtsfluss. Dies geschieht häufig durch Einfügen von einstellbaren Totzeit- und Vorlauf-/Verzögerungsblöcken in das Vorlaufsignal. Um das Timing der Reaktantenströme oder Mischungsströme so zu synchronisieren, dass das stöchiometrische Verhältnis bei Änderungen der Produktionsraten und Korrekturen des Verhältnisses beibehalten wird, wird ein Vorlaufsollwert gefiltert und ein Verhältnisfaktor angewendet, der zu den Sollwerten der anderen Durchflussregler wird. Jeder Durchfluss-PID-Regler wird so eingestellt, dass er gleichmäßig reagiert und schnell genug ist, um Druckstörungen und Ventil-Nichtlinearitäten zu bewältigen. Der Vorlaufsollwertfilter wird so groß eingestellt, dass alle Durchflussregelkreise gleichmäßig reagieren. (Siehe Feedforward-Regelung ermöglicht flexible, nachhaltige Fertigung)
3. Verwenden Sie die richtige PID-Struktur. Die PI-on-Error- und D-on-Error-Struktur ist oft die richtige Wahl. Wenn die Prozessvariable nur in eine Richtung reagieren kann, was bei Chargenprozessen ohne Reaktions- oder Änderungsphase und ohne geteiltes Gegenventil der Fall sein kann (z. B. Temperaturregelung mit Heizung, aber ohne Kühlung, und pH-Regelung mit Basenreagenz, aber ohne Säurereagenz), ist eine Struktur ohne integrale Wirkung erforderlich (P on error und D on PV no I). In diesen Fällen wird die Vorspannung so eingestellt, dass sie dem PID-Ausgang entspricht, wenn sich die PID-Prozessvariable in der Nähe des Sollwerts eingependelt hat. Wenn das Überschreiten des Sollwerts kritisch ist und die Zeit bis zum Erreichen des Sollwerts und das Ansprechen auf Laststörungen keine Rolle spielen, kann eine Struktur mit I auf Fehler und PD auf PV verwendet werden. Ein flexiblerer Ansatz verwendet eine PID-Struktur mit zwei Freiheitsgraden, bei der die Sollwertgewichtungsfaktoren Beta und Gamma für den Proportional- bzw. Derivativmodus festgelegt werden, um einen Kompromiss zwischen den Zielen für das Sollwertverhalten und das Lastverhalten zu optimieren. Alternativ kann eine Sollwertvorlaufzeit verwendet werden, um das gewünschte Sollwertverhalten mit einer PID-Struktur zu erreichen, die auf ein gutes Laststörungsverhalten (minimale Spitzen- und integrierte absolute Fehler) abgestimmt ist. Siehe Anhang C von Good Tuning: A Pocket Guide für Details zu den Auswirkungen dieser Fehler. Die Sollwertverzögerung wird gleich der PID-Rückstellzeit eingestellt, und der Vorlauf wird so eingestellt, dass eine schnellere Sollwertreaktion erzielt wird. Ein Vorlauf von Null entspricht einem PID-Regler ohne proportionale oder derivative Wirkung auf die Regelabweichung (z.B. Beta und Gamma gleich Null).
4. Stimmen Sie alle Regelkreise in der richtigen Reihenfolge mit einer guten Software ab. Wählen Sie die Abstimmungsregeln (z. B. selbstregulierende oder integrierende Prozesse), wobei zu beachten ist, dass selbstregulierende Prozesse mit einem Verhältnis von Zeitkonstante zu Totzeit von mehr als 4 als nahezu integrierend betrachtet werden können und daher die Abstimmungsregeln für integrierende Prozesse verwenden sollten. Verwenden Sie Abstimmungsfaktoren (z. B. Lambda im Verhältnis zur Totzeit) auf der Grundlage unterschiedlicher Ziele (z. B. Sollwert versus Lastverhalten und Maximierung der Übertragung von Variabilität versus Maximierung der Absorption von Variabilität) und schwieriger Situationen (z. B. Resonanz, Interaktion und inverse Reaktion). Siehe Tabelle D-1 in Appendix D von Good Tuning: A Pocket Guide für Details. Die Richtung sollte im Allgemeinen vom stromaufwärts gelegenen zum stromabwärts gelegenen PID-Regler verlaufen. Die Gas- und Flüssigkeitsdruck-PID-Regler sollten zuerst abgestimmt werden, gefolgt von den sekundären PID-Durchfluss- und Versorgungssystemreglern. Die Füllstand-PID-Regler sollten dann auf das richtige Ziel abgestimmt werden, das davon abhängt, ob der Füllstand-PID-Regler für die Erzwingung einer Materialbilanz verantwortlich ist (z. B. Kolonnentemperaturregler, der den Rückfluss manipuliert) oder nur den Füllstand in Grenzen halten muss, weil der manipulierte Fluss den Betrieb der nachgeschalteten Einheit stört (z. B. Kolonnentemperaturregler, der den Destillatfluss manipuliert). Schließlich sollten die primären Konzentrations-, pH- und Temperaturregler auf den gewünschten Sollwert oder das Lastverhalten abgestimmt werden, und die Abruptheit der Bewegung des manipulierten Flusses sollte erlaubt sein, wenn sie andere Verbraucher stören oder zurückkommen können, um den jeweiligen Kreislauf zu stören (z. B. Pfropfenstromsysteme mit Wärmeintegration und Rücklaufströmen). Wenn die primäre PID-Regelung keine nahezu integrierende, echte integrierende oder durchdrehende Reaktion aufweist und der Spitzenfehler und die Anstiegszeit kein Problem darstellen, kann es von Vorteil sein, das Überschwingen des primären PID-Ausgangs über den endgültigen Ruhewert hinaus zu minimieren. Sekundäre PID- oder Analogausgangssollwert-Ratenbegrenzungen mit externer PID-Rückkopplung können abrupte Änderungen verhindern.
5. Verwenden Sie die adaptive Regelung. Die Einstellungen des PID-Reglers ändern sich in der Regel mit der aufgesplitteten Stellgröße mit Produktionsrate, Wärmeübertragungsflächenverschmutzung, Katalysatoraktivität und Sollwert sowie mit der Zykluszeit bei Chargenprozessen (z. B.,

Siehe auch den Artikel Overcoming challenges of PID controller and analyzer applications für die Möglichkeiten der Verwendung eines erweiterten PID.

Über den Autor
Gregory K. McMillan, CAP, ist ein pensionierter Senior Fellow von Solutia/Monsanto, wo er in der Ingenieurtechnik an der Verbesserung der Prozesssteuerung arbeitete. Greg war auch als Professor an der Washington University in Saint Louis tätig. Greg ist ein ISA Fellow und erhielt 1991 den ISA Kermit Fischer Environmental Award für pH-Kontrolle, 1994 die Auszeichnung des Control Magazins Engineer of the Year für die Prozessindustrie, 2001 wurde er in die Ruhmeshalle der Prozessautomatisierung des Control Magazins aufgenommen, 2003 wurde er vom InTech Magazin als einer der einflussreichsten Innovatoren in der Automatisierung geehrt und 2010 erhielt er den ISA Life Achievement Award. Greg ist Autor zahlreicher Bücher über Prozesssteuerung, darunter Advances in Reactor Measurement and Control und Essentials of Modern Measurements and Final Elements in the Process Industry. Seit 2002 ist Greg der monatliche Kolumnist von Control Talk“ für die Zeitschrift Control. Gegenwärtig ist Greg in Teilzeit als Berater für Modellierung und Steuerung im Bereich Technologie für Prozesssimulation bei Emerson Automation Solutions tätig, wo er sich auf die Nutzung der virtuellen Anlage zur Erkundung neuer Möglichkeiten spezialisiert hat. Die meiste Zeit verbringt er mit Schreiben, Unterrichten und der Leitung des ISA-Mentorenprogramms, das er 2011 gegründet hat.