Регуляторы и контроллеры: типы и настройка ПИД
Средства автоматического регулирования в химическом производстве
| Тип | Описание | Применение | Примеры производителей |
|---|---|---|---|
| ПЛК | Программируемый логический контроллер с функциями ПИД-регулирования | Управление технологическими процессами | Siemens SIMATIC, Yokogawa, Allen-Bradley |
| DCS-системы | Распределенные системы управления для крупных производств | Комплексная автоматизация химических процессов | Emerson DeltaV, Yokogawa CENTUM VP, Honeywell Experion |
| Одноконтурные регуляторы | Автономные ПИД-регуляторы для одного контура | Температура, давление, уровень | МЕТАКОН, Rosemount, Fisher |
| Частотные преобразователи с ПИД | ЧРП с встроенным ПИД-алгоритмом | Управление насосами, компрессорами | ABB, Siemens SINAMICS, Schneider Altivar |
| Контроллеры ПАЗ | Системы противоаварийной защиты с сертификацией SIL | Критичные контуры безопасности | Соответствие ГОСТ Р МЭК 61511-1-2018 |
| Метод | Принцип | Преимущества | Ограничения |
|---|---|---|---|
| Зиглера-Никольса (частотный) | Определение критического усиления и периода колебаний | Не требует математической модели | Система выводится в колебательный режим |
| Зиглера-Никольса (временной) | Анализ переходной характеристики при ступенчатом воздействии | Безопасность процесса | Требуется снятие кривой разгона |
| Ротача | Использование номограмм для расчета параметров | Точность настройки | Необходимы параметры модели объекта |
| CHR (Chien-Hrones-Reswick) | Минимизация перерегулирования или времени | Выбор критерия оптимизации | Применимо для моделей с запаздыванием |
| IMC | Метод внутренней модели процесса | Робастность управления | Требует идентификации модели |
| Автонастройка | Автоматическое определение параметров | Быстрота, минимум настроек | Может требовать доработки |
| Контур | Параметр | Тип регулятора | Особенности |
|---|---|---|---|
| Температурный | Температура реакционной массы | ПИ, ПИД | Высокая инерционность, обязательна интегральная составляющая |
| Расходный | Расход жидкости, газа | П, ПИ | Минимальная инерция, быстродействие |
| Давление | Давление в аппарате | П, ПИ | Низкая инерция, контроль баланса |
| Уровень | Уровень жидкости в емкости | П, ПИ | Связан с другими параметрами |
| pH | Кислотность среды | ПИД | Сильная нелинейность |
| Соотношение | Пропорция компонентов | Каскадный ПИ | Вспомогательный контур |
| Проблема | Признаки | Возможная причина | Решение |
|---|---|---|---|
| Колебания | Незатухающие колебания параметра | Избыточный пропорциональный коэффициент | Уменьшить Kp, увеличить Ti |
| Медленный отклик | Долгое достижение уставки | Недостаточный пропорциональный коэффициент | Увеличить Kp |
| Статическая ошибка | Параметр не достигает заданного значения | Отсутствие интегральной составляющей | Уменьшить Ti |
| Перерегулирование | Значительный выброс при изменении уставки | Недостаточное демпфирование | Увеличить Td, уменьшить Kp |
| Шум выхода | Дрожание управляющего сигнала | Избыточная дифференциальная составляющая | Уменьшить Kd, применить фильтр |
| Дрейф | Постепенное отклонение от уставки | Износ оборудования, изменение параметров | Техобслуживание, калибровка датчиков |
Классификация регуляторов
Средства автоматического регулирования классифицируются по архитектуре и функциональным возможностям. Программируемые логические контроллеры реализуют алгоритмы управления с использованием встроенных функциональных блоков ПИД-регулирования. Распределенные системы управления применяются на крупных химических предприятиях для координации множественных контуров с централизованным мониторингом технологических параметров.
Одноконтурные регуляторы представляют автономные устройства для поддержания заданного значения параметра в замкнутом контуре. Частотные преобразователи со встроенным ПИД-алгоритмом применяются при управлении приводами насосов по давлению или расходу. Контроллеры противоаварийной защиты требуют сертификации по функциональной безопасности согласно ГОСТ Р МЭК 61511-1-2018 для обеспечения требуемого уровня полноты безопасности.
Основы ПИД-регулирования
Пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор формирует управляющее воздействие как сумму трех составляющих. Пропорциональная компонента обеспечивает реакцию, пропорциональную отклонению регулируемой величины от уставки. Интегральная составляющая устраняет статическую ошибку через накопление отклонения во времени. Дифференциальная компонента реагирует на скорость изменения параметра.
Коэффициент пропорциональности Kp определяет интенсивность основного воздействия. Постоянная интегрирования Ti характеризует скорость устранения установившейся погрешности. Постоянная дифференцирования Td влияет на демпфирование переходных процессов. Соотношение параметров зависит от динамических характеристик объекта и требований к качеству регулирования.
Методы настройки коэффициентов
Метод Зиглера-Никольса в частотной версии основан на выводе контура на границу устойчивости с определением критического коэффициента усиления и периода колебаний. Временная версия использует переходную характеристику при ступенчатом изменении для расчета времени запаздывания и постоянной времени объекта. Метод Ротача применяет номограммы с учетом желаемого вида переходного процесса.
Метод внутренней модели обеспечивает робастное управление с настройкой агрессивности через параметр замкнутого контура. Современные контроллеры оснащены функциями автоматической настройки с анализом реакции объекта и вычислением оптимальных коэффициентов. Выбор метода определяется типом процесса, допустимостью возмущений при настройке и квалификацией персонала.
Автонастройка регуляторов
Автоматическая настройка минимизирует затраты на инсталляцию систем управления. Алгоритмы автотюнинга анализируют переходные характеристики в режиме реального времени, определяя модель первого или второго порядка с запаздыванием. Процедура включает подачу тестового воздействия, измерение отклика и расчет параметров по встроенным формулам.
Адаптивные регуляторы корректируют коэффициенты при изменении параметров объекта в процессе эксплуатации. Функция диагностики контура оценивает качество по критериям перерегулирования, времени регулирования и колебательности. При значительном изменении свойств объекта требуется повторная автонастройка для восстановления оптимального качества.
Практические аспекты
Настройку выполняют последовательно, начиная с пропорциональной составляющей при отключенных интегральной и дифференциальной компонентах. Постепенное увеличение коэффициента усиления до появления затухающих колебаний определяет рабочий диапазон. Включение интегральной составляющей устраняет статическую ошибку с контролем устойчивости.
Дифференциальная компонента применяется для высокоинерционных объектов, где требуется упреждающее воздействие. Фильтрация сигнала датчика необходима при значительном уровне помех. Период регулирования выбирается из соотношения к постоянной времени объекта или времени полного хода исполнительного механизма.
Требования стандартов
ГОСТ Р МЭК 61511-1-2018 устанавливает требования к приборным системам безопасности для промышленных процессов с определением уровней полноты безопасности от SIL1 до SIL4. Стандарт регламентирует жизненный цикл от проектирования до утилизации с обязательным тестированием компонентов. Контроллеры критичных контуров должны иметь соответствующую сертификацию.
Серия ГОСТ 34233.1-2017 до ГОСТ 34233.12-2017 определяет методы расчета на прочность сосудов и аппаратов, включая требования к системам управления. Технический регламент ТР ТС 032/2013 устанавливает требования к безопасности оборудования под избыточным давлением с применением систем автоматического регулирования и защиты.
