Integráló szakaszok szabályozása:
Az integráló szakaszok (pl. a víztározó) legtöbbször rendelkeznek egy kis holtidővel is, mondjuk mert a betáp patakba épített szintszabályozó zsalu nem a tározó partján van, hanem 1 Km-rel arrébb. Ha nyitottam is a zsalun, a hatás Th ideig nem érződik. (1. ábra)
Ilyen helyre tisztán arányos szabályozót célszerű tenni, ugyanis ha tennénk bele integrálást is, a szabályozó a holtidő alatt teljesen nyitásba vinné a zsalut, és ott is tartaná mindaddig, míg a tározót alaposan túl nem töltöttük. Akkor persze fokozatosan teljesen lezárná a zsalut, és az egész kezdődne elölről.
Ökölszabály:
Két integrátor egy csárdában - akarom mondani szabályozókörben - igen nehezen fér meg, különösen, ha Ti idejük hasonló. Csak a jó alkalmat lesik, hogy belengethessék a szabályozó körünket. Mindenféle levezetés nélkül fogadjuk el, amit a szakkönyvek írnak:
Az erősítés optimális értéke A = 0.8 * Ti / Th
A tisztán holtidős szakasz szabályozása:
Képzeljünk el egy kört, ahol mondjuk egy gáz összetételét kell szabályoznunk úgy, hogy a vezetékből mintát veszünk, 1 perc alatt kielemezzük, és az eredmény alapján beavatkozunk. A mintavételtől a beavatkozásig eltelt idő a Th holtidő.
Ilyen esetben, ha arányos szabályozót használnánk, az mindig a korábbi elemzés eredményének megfelelően állítgatná a keverőt. Ha akkor pl. híg volt a gáz, sűrítene rajta. Persze a következő minta sűrű lesz, hát hígít rajta. Soha nem találja meg a középutat.
Alkalmazzunk tisztán I-szabályozót! Ha a minta híg volt, hát szépen lassacskán sűrít rajta. A következő minta már közelebb lesz az alapértékhez, hát még könnyebb dolga lesz. Néhány minta után beáll a szabályónk egy vékony sávba Xa körül. Nem mindegy persze, mekkora Ti időt állítunk.
A nagykönyv szerint a szabályozón Ti = 1.1 Th értéket célszerű beállítani.
Szabályozások minőségvizsgálata:
Fontos kérdés, mikor van egy szabályozó jól beállítva. A szabályozás minőségének ugyanis vannak elméleti és gyakorlati kritériumai. Sajnos a kettő néha ellentmond egymásnak. Tekintsünk egy példát!
Legyen célunk egy sportcsarnok teremhőmérsékletének szabályozása oly módon, hogy a levegőbefúvó csatornába épített fűtő radiátorba beadott fix hőmérsékletű víz térfogatáramát szabályozzuk. (1. ábra)
Ha elméletileg közelítjük meg a kérdést, a szabályozással szemben az alábbi követelményt is célszerűnek látszik támasztani: A felfűtött terem hőmérsékletét tartsa állandó értéken ! Ez azt jelenti, hogy a terem hőfokát egy érzékeny PI-szabályozóra bízzuk.
A gyakorlati megközelítés: Minimális karbantartást igényeljen.
Hol itt az ellentmondás?
A szabályozó szelepnél. Ha ugyanis a szabályozót úgy állítjuk be, hogy 0,1 fokC hőfokváltozásra azonal reagáljon (picike mozgás) a villamos hajtás folyton elindul, s azonnal megáll. Így kínlódik egész - 3 hónapos - élettartamán át. Ha azt mondtuk volna: A terem hőfoka nyugodtan mozoghat az alapérték +- 0,5 fokC-os tartományában, a szelep századannyit mozogna, tehát élettartama kb. 300 hónapra nőne.
Öreg műszerész és technológus szakik nagyon jól ismerik azokat a köröket, ahol munkát (pénzt) lehet spórolni. Érdemes velük is szót váltani mielőtt neki mérnökösködnénk egy szabályozókörnek.
Általános minőségi követelmények:
Minimális elvárás, hogy a szabályozó egyáltalán stabil legyen, azaz értéktartó szabályozásnál beálljon valahová, követőnél pedig adott hibasávon belül kövesse a vezetőjelét.
A szabályozókör minőségét legszemléletesebben a szabályozott jellemző időfüggvényéből - azaz atrend-jéből állapíthatjuk meg. Nagyon fontos kiemelni, hogy minden szabályozókörnél más és más a minőségi követelmény. Jó ha tudjuk: A szabályozás minőségi vizsgálatának vannak más módszerei is, pl. a frekvenciatartományban vagy operátortartományban való vizsgálatok. Ezekkel sokkal kifinomultabb elemzések végezhetőek, de alkalmazásukhoz sok-sok matek kell...
A teljesség igénye nélkül nézzünk néhány beállítási példát:
Gyors beállás:
Ha olyan körünk van, ahol az állandósult érték körüli hibasávba mihamarabb be kell állnunk, és ott maradni, (mert azon kívül selejtet gyártunk) az elsődleges szempont a Ts beállási idő. Gyors körök általában nagy érzékenységet igényelnek, ami túllövést okoz. Ez látható a baloldali ábrán.
Túllövés elkerülése:
Ha technológiai okból nem megengedhető, hogy Xs jelentősen meghaladja az állandósult értéket (mert pl. kinyit a biztonsági szelep, vagy a robot belever a munkadarabba), kisebb erősítést állítunk, így egyszer csak elérjük az aperiodikus beállást: Ennek nem csak az aperiodikus beállás az előnye, hanem a nyugodt viselkedés is. Ha a technológiánk érzékeny a lengésekre, vagy a beavatkozó szerv élettartamát a folyamatos működés jelentősen csökkenti, célszerű ilyet állítani.
Pontos beállás:
Ha az a legfontosabb, hogy Xs minél többet tartózkodjon XA (az alapérték) közelében, (mert pl. a hiba többlet-energiafogyasztást jelent) az integrálkritériumok fognak érdekelni bennünket. Ezek sokan vannak, legáltalánosabb az ún. abszolút integrálkritérium.
Ez azt jelenti, hogy a jobboldali ábrán bekékített területek összegét igyekszünk minimalizálni. Ennek módszere a közepes érzékenység és jól behangolt integrálási idő. Egy csipetnyi differenciáló hatással a végeredmény legtöbbször javítható, de ezzel bánjunk igen óvatosan, mert mint az erős fűszer, túladagoláskor hamar megvadítja ételünket.
Mint láthattuk, a különböző viselkedéseket leginkább a szabályozó erősítése befolyásolja. Javasoljuk, hogy soha ne tekerje fel az erősítést a próbálkozásokkal kikísérletezett maximum-ig, mert egy alattomos, nagy értékű, gyors zavarás hatására kör belenghet. Visszább az erősítést, és szépen beállítani az integrálást. Ez a szabályozókörök lelki békéjének titka.
Ma már a legtöbb PID szabályozó rendelkezik önhangoló (autotuner) képességgel. Fontos tudnunk, hogy az autotuner milyen beállítást végez. Ne érjük be azzal, hogy összeállítjuk a szabályozókört, lefuttatjuk az önhangolást és már megyünk is. Várjunk meg egy-két beállást a nyugodt vacsora érdekében.
A kaszkád szabályozás:
Eddigi példáinkban olyan egyszerű szakaszok szabályozását vizsgáltuk, ahol a szabályozott jellemző Xs változását egyetlen zavaró jellemző változása okozta. (Pl. a tartályból elvett folyadék térfogatárama változik.) Ilyen esetekben jól elboldogultunk egykörös szabályozással. Akkor sincs gond, ha több zavaró változás hat a körünkre, de a szabályozással szemben nem kell szigorú minőségi követelményeket támasztanunk. Egy szem szabályozó is elboldogul a feladattal, legfeljebb nagyobb lesz a hibasáv, lassabb a beállás, stb.
A technológiák nem mindig tűrik a lazaságot. Vannak esetek, mikor a szakaszt érő több, sebességében erősen eltérő zavarás ellenére a technológus olyan kis hibasávot enged meg, amit a világ legjobban beállított PID szabályozója sem képes teljesíteni. Ennek elméleti oka van, tehát nem az általunk eszközölt hangolásban keresendő a hiba.
Példa kaszkád szabályozás igényre:
A baloldali ábrán egy víz-víz hőcserélő látható. A kilépő szekunder víz hőmérsékletét kell szigorúan állandó értéken tartanunk. Ez öt dologtól függ:
- a primer (fűtő) víz belépő hőmérséklete
- a primer (fűtő) víz belépő térfogatárama
- a hőcserélő hatásfoka
- a szekunder (fűtött) víz belépő hőmérséklete
- a szekunder (fűtött) víz térfogatárama.
A többit most hanyagoljuk el. Nyilvánvaló, hogyha ezeket az értékeket mind-mind szigorúan azonos értéken tartanánk, a kilépő fűtött víz hőmérséklete állandó lenne.
Tegyük fel, hogy a következőket állandónak vehetjük:
- a hőcserélő hatásfoka
- a primer víz belépő hőmérséklete
- a szekunder víz belépő hőmérséklete.
Két változó paraméterünk maradt, aminek hatását korrigálnunk kell:
- A primer víz térfogatárama
- A szekunder víz térfogatárama.
A primer víz térfogatáramára tegyünk egy saját szabályozót, aminek alapjelét egy másik - olyan - szabályozó végrehajtó jele adja, mely a kilépő szekunder víz hőmérsékletét figyeli! A jobboldali ábrán látható a vázlat. Ezt az elrendezést nevezzük kaszkádnak.
Az ábrán látható áramlásszabályozó kört (FT-FC-FV) belső, vagy követő körnek, a hőmérséklet szabályozó kört (TT-TC-FC-FV) külső, vagy vezető körnek nevezzük.
Miért kellett két szabályozó?
Gyakorlatias elmék azonnal látják, hogy a primer víz mennyiségváltozását a belső kör azonnal kiszabályozza, nem fogjuk megvárni, míg a kilépő hőfok megváltozik. Sokkal stabilabb kilépő hőfokunk lesz.
Elméletiesebb kollégák pedig az előző cikkekből tudják, hogy a szabályozónk Ti integrálási idejét a szakasz időállandójához kell igazítani, ha tisztességes szabályozást akarunk. Most azonban két időállandónk van:
- T1 időállandó, mely a primer víz szabályozó szelep állítása és az okozott mennyiségváltozás jellemzője.
- T2 időállandó, mely a szekunder víz áramló mennyiségének megváltozása és a kilépő hőmérsékletének megváltozása közötti jellemző.
A két időállandó nagyságrendekkel különbözik egymástól, hiszen a szelep állításával gyakorlatilag egyidőben csökken a primer víz térfogatárama, a szekunder víz térfogatáram változásait viszont a méretektől függő, akár perces időállandóval követi a kilépő víz hőmérsékletének megváltozása.
Ha csak egy szabályozónk lenne, hova állítanánk az integrálási időt? Ezért kell kettő.
Arról nem is beszélve, hogy az erősítéseket is különbözőképpen kell beállítani...
A beállítás:
A kaszkád kör hangolásához úgy kell hozzáállni, mint jól nevelt gyereknek a görögdinnye evéshez: A közepével (a belső körrel) kezdünk, s kifelé haladunk.
Nagyon fontos, hogy a két kör sebessége nagyságrendekkel (legalább tízszeres arány) térjen el egymástól, különben belengetik egymást!
A kaszkád kör dinamikus viselkedését, egyéb vonatkozásait e cikksorozatban nem ismertetjük. Cikk-tárunkban Ön is talál ennél jóval komolyabb szakirodalmat ajánló anyagokat. E cikk csak az alapokat ismerteti. Ne feledjük azonban: Egy újszülöttnek minden vicc új, márpedig mindannyian voltunk újszülöttek...