Strategieën om overshoot te vermijden in PID-regeling

Strategieën om overshoot te vermijden in PID-regeling

Een veel voorkomende uitdaging bij PID-regelingen is overshoot, een fenomeen waarbij de geregelde variabele zijn setpoint overschrijdt. Dit kan al dan niet een probleem zijn, afhankelijk van het proces. Een voorbeeld van een proces waarbij overshoot een probleem kan zijn, is bij een temperatuur regeling. Dit artikel verkent enkele oplossingen om overshoot te voorkomen die we vaak in de industrie gebruikt zien worden (vaak een ‘duct-tape strategie’), en oplossingen die (in onze ogen) robuuster zijn. Het gebruiken van een goede strategie zorgt voor een soepelere en meer betrouwbare regelprestatie.

Voorbeeld van een optimaal ingestelde PI regelaar, met overshoot

In dit voorbeeld nemen we een optimaal ingestelde PID-regelaar waarbij de afgeleide term is ingesteld op nul, waardoor het effectief een PI (Proportioneel-Integraal) regelaar is. Voor sommige processen, zoals temperatuur loops kan het onmogelijk zijn om deze zonder overshoot op setpoint te krijgen wanneer een PI regelaar gebruikt wordt. Vaak lukt enkel een P, of een PD regelaar wel, maar de integrerende actie is vaak noodzakelijk om te zorgen dat de temperatuur op het setpoint terecht komt. Hoewel PI-regelaars eenvoudiger zijn en minder gevoelig voor ruis, leiden ze vaak tot aanzienlijke overshoot in systemen met aanzienlijke inertie of vertraging. Deze overshoot vertraagt niet alleen de insteltijd, maar kan ook ongewenste systeemreacties veroorzaken, waardoor het cruciaal is om dit aan te pakken. In ons voorbeeld hebben we een batch proces waarbij een product wordt verwarmd van kamertemperatuur tot 100°C. Dit moet voldoende snel gebeuren, terwijl de temperatuur niet hoger mag zijn dan 105°C.

Strategie 1: Setpoint Prefiltering

Setpoint Prefiltering houdt in dat het setpoint worden voorgefilterd voordat ze worden doorgegeven aan de PID-regelaar. Deze techniek vermindert de ‘agressiviteit’ van de respons van de regelaar op plotselinge setpoints verandering, waardoor overshoot wordt geminimaliseerd. Door een filter toe te passen, zoals een eerste-orde vertraging of een complexer algoritme, wordt de variatie van het setpoint geleidelijker, waardoor het systeem rustiger kan reageren en de kans op overshoot wordt verkleind.

Nadelen

Heel vaak is het niet triviaal hoe het setpoint gefilterd moet worden, en simulatietools zijn nodig om de setpointprofiel en/of het voorfiltertype te optimaliseren.

Strategie 2: Beperking van de gemanipuleerde variabele (MV)

Het beperken van de MV, de uitvoer van de PID-regelaar, is een eenvoudige aanpak om overmatige overshoot te voorkomen. We hebben gezien dat deze methode vaak wordt toegepast door onze klanten. Vaker wel dan niet leidt dit echter tot allerlei problemen op de lange termijn, waardoor ze ons om hulp vragen en een passende oplossing laten implementeren.

Strategie 3: Het tijdelijk uitschakelen van de integrator.

Het integrator onderdeel van een PID-regelaar ‘integreerd’ fouten in de tijd op, wat leidt tot een steeds sterker wordende regelactie. Echter, bij setpointswijzigingen kan dit leiden tot een overshoot. Een praktische oplossing is om de integrator tijdens deze omstandigheden uit te schakelen of te bevriezen, zodat de proportionele en, indien van toepassing, afgeleide acties het systeem kunnen stabiliseren zonder de extra agressieve duw van de integrator.

Nadelen

Dit kan erg lastig zijn, aangezien het uitschakelen van de integrator ertoe kan leiden dat de fout groot blijft, waardoor de integrator nooit wordt ingeschakeld. In ‘integrerende’ processen, zoals temperatuur regelkringen, kan dit echter een haalbare optie zijn.

Strategie 4: Setpoint Weighting

Een PID-regelaar met setpoint weighting biedt afzonderlijke parameters voor het volgen van het setpoint en het afwijzen van storingen. Deze ontkoppeling maakt een verfijndere regeling mogelijk, waarbij de agressieve respons die nodig is voor een snelle herstel van storingen in evenwicht kan worden gebracht met een zachtere aanpak voor setpoints veranderingen, waardoor overshoot effectief wordt verminderd terwijl de robuustheid tegen storingen wordt behouden.

De optie voor instelpuntweging in een PID-regelaar is eenvoudig te implementeren, en de meeste PID-regelaars hebben dit geïmplementeerd. Bijvoorbeeld, in de ‘PID_Compact’-blok in Siemens wordt dit aangeduid als:

  • Proportionele actieweging
  • Afgeleide actieweging

De optie voor setpoint weighting is ook geïmplementeerd in onze PID C-code implementatie. Tuning kan het beste worden gedaan met behulp van de PID Tuner, middels een simulatie.

Strategie 5: Smith Predictor

Voor systemen met aanzienlijke tijdvertragingen kan de Smith Predictor een krachtige oplossing zijn. Deze regelstrategie omvat een voorspellend model van het proces dat de toekomstige uitvoer schat op basis van de huidige regelacties. Door te compenseren voor de tijdvertraging, stelt de Smith Predictor de PID-regelaar in staat om te handelen op basis van de voorspelde toekomstige toestand in plaats van de vertraagde gemeten uitvoer, waardoor overshoot veroorzaakt door de vertraging aanzienlijk wordt verminderd. De PID-regelaar kan worden afgestemd alsof er geen vertraging was, met behoud van stabiliteit.

Nadelen

Het voorspellende model moet ‘voldoende’ nauwkeurig zijn. Als de modelfout te groot is, kan dit zelfs leiden tot instabiliteit. Het moet dus alleen worden gebruikt wanneer het proces nauwkeurig kan worden gemodelleerd voor alle procescondities – wat waar is voor de meeste processen.

Strategie 6: Model Predictive Control

Model Predictive Control (MPC) kan een zeer krachtige regelmethode zijn, omdat het in staat is om te ‘optimaliseren’ naar een gewenste respons met behulp van de procesdynamiek. Het kan de toekomst voorspellen en als zodanig kan het de overshoot voorspellen voordat deze daadwerkelijk optreedt, en dus de uitvoer van de regelaar optimaliseren om ervoor te zorgen dat er geen overshoot zal plaatsvinden.

Conclusie

Overshoot in PID-regelingen kan de prestaties en stabiliteit van het systeem ondermijnen, maar met de juiste strategieën kan het effectief worden verminderd. Van eenvoudige aanpassingen zoals setpoint pre-filtering en beperking van de uitstuuractie tot meer geavanceerde benaderingen zoals de 2-DOF-regelaar, een Smith Predictor of Model Predictive Control, zijn er talloze manieren om PID-regeling te verbeteren voor uiteenlopende toepassingen. Door de unieke kenmerken van het betreffende systeem te begrijpen en deze strategieën verstandig toe te passen, kunnen ingenieurs nauwkeurige, stabiele en efficiënte regeling bereiken.

Meer Informatie?

Als je meer informatie wilt hebben of hulp nodig hebt bij het afstemmen van PID, aarzel dan niet om contact met ons op te nemen via telefoon of e-mail op: info@dotxcontrol.com.

Meer informatie?

Stel uw vraag aan onze specialist!

Jelle Kalsbeek
Senior Control Engineer

j.kalsbeek@dotxcontrol.com

nl_NLDutch