Integráló szakaszok szabályozása:

hitag

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:

tulloves

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:

aperiodikus

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:

periodikus

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:

hocserelo

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.


kaszkad

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...