PID Regler bei Rampenfunktion tunen -- B&R

[LaLiLu]

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Hallo zusammen,

ich bin aktuell dabei ein System mit zwei PID Reglern auszulegen. Es wird dafür der Baustein LCRPID von B&R verwendet, der ist eigentlich sehr solide.
Das System besteht aus einem Drucktank, der abwechselnd mit Dampf und mit Vakuum ausgesetzt wird. Die Vorgaben setzten eine sehr hohe Genauigkeit einer Druckänderungsgeschwindigkeit voraus. Es sollen sehr oft positive und negative gerade und fixe Druckänderungsgeschwindigkeiten nachgefahren werden.

Es gibt jeweils ein Proportionalventil für Dampf und Vakuum und nen Drucksensor. Der Regler läuft im 10ms Takt, die Ausgabe ebenfalls. Der Aufruf vom Baustein sowie die Rate der Ausgabe können jedoch eingestellt werden. Aktuell addiere ich den neuen Sollwert jede 100 ms neu und schlage den auf den Sollwert des Regler auf. So entsteht quasi diese Rampe
Mein Problem ist noch, dass der Regler wirklich sehr schlecht arbeitet, wenn man sich einmal den Fehler über der Zeit anschaut. Durch die Rampe eskaliert irgendwann der I-Anteil und wird immer größer und größer erreicht recht schnell 100. Die ist bei sehr kleinen Werten sehr brutal.
Der Regler hat folgende Neigung: Am Anfang überschießt er und flacht dann langsam ab. Ab einem gewissen Fehler regelt er fast ausschließlich entweder 0 oder 100%, dadurch schaukelt er sich nach Betriebspunkt sehr stark hoch. Problem ist auch die Strömungsmechanik dahinter: Wenn ein Ventil für etwas länger 100% offen ist, dann baut sich die Strömung erst richtig auf und dann reagiert das System deutlich schneller als vom Regler erwartet.

Ich habe in der Thematik seit ein paar Tagen keine Fortschritte mehr gemacht, habe mit einem P-Regler angefangen, aber so richtig richtig will es einfach nicht werden.
Habt ihr etwas Input für mich? Danke im Vorraus.

 

[Plan_B]

Durch die Rampe eskaliert irgendwann der I-Anteil

Kann das System der Rampe physikalisch überhaupt folgen?

 

[winnman]

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Hast du das bei Druck und Vakuum oder nur bei einem?
Ev. zwei getrennte Regler (Parameter) verwenden einen für Druck und einen für Vakuum bei o bar (ev. Hysterese) dann umschalten

 

[Onkel Dagobert]

... Der Aufruf vom Baustein sowie die Rate der Ausgabe können jedoch eingestellt werden.

Ich kenne die B&R-Programmierung nicht. Es sollte aber sichergestellt sein, dass der Regler mit der tatsächlichen Abtastzeit arbeitet.

.. Durch die Rampe eskaliert irgendwann der I-Anteil und wird immer größer und größer ...

Ich glaube kaum, dass die Rampe dafür verantwortlich ist. Im Gegenteil, eine Sollwert-Rampe kommt der Stabilität der Regelung bestens entgegen, da die Regelabweichung dadurch stoßfrei gehalten wird.

erreicht recht schnell 100. Die ist bei sehr kleinen Werten sehr brutal.

Meinst du mit "kleinen Werten" den Stellgrad? Wie werden die Proportionalventile angesteuert? Gewöhnlich haben diese eine Totzone. Das heißt, sie machen von 0V bis beispielsweise 1V erst einmal gar nichts. Wenn das bei der Stellgradausgabe nicht berücksichtigt wird, regelt der Regler zunächst erst einmal ins Leere, wodurch die Regelabweichung ungehindert ansteigt. Das würde das Verhalten bei "kleinen Werten" erklären. Wobei sich bei "kleinen Werten" ohnehin immer das ungünstigste Regelverhalten einstellt. Vielleicht ist der Regler auch einfach nur "zu zornig" eingestellt.

Der Regler hat folgende Neigung: Am Anfang überschießt er und flacht dann langsam ab...

Naja, so lange er nicht dauerhaft schwingt, ist das erst einmal nicht völlig verkehrt. Falls das nicht gewünscht ist, was ich mir bei Druckregelung mit Dampf gut vorstellen könnte, dann muss der Regler so optimiert werden, dass er nicht überschwingt.

Ab einem gewissen Fehler regelt er fast ausschließlich entweder 0 oder 100%, dadurch schaukelt er sich nach Betriebspunkt sehr stark hoch. Problem ist auch die Strömungsmechanik dahinter: Wenn ein Ventil für etwas länger 100% offen ist, dann baut sich die Strömung erst richtig auf und dann reagiert das System deutlich schneller als vom Regler erwartet...

Falls das Schwingen nicht vom Regler selbst erzeugt wird, dann ist das wirklich ein Problem. Vielleicht kannst du uns ja mal eine Skizze zu dem System liefern?


Ach ja, falls hier jemand kommt und dir auf exaltierte Weise den D-Anteil zelebriert, sei vorsichtig damit!

 

[LaLiLu]

Hallo,
vielen Dank für die Antworten

Kann das System der Rampe physikalisch überhaupt folgen?

In den meisten Fällen hoffe ich, dass er es kann, bei tiefem Vakuum schafft er es nicht ganz genauso wie bei hohem Dampf

Hast du das bei Druck und Vakuum oder nur bei einem?
Ev. zwei getrennte Regler (Parameter) verwenden einen für Druck und einen für Vakuum bei o bar (ev. Hysterese) dann umschalten

Ja es gibt zwei Regelkreise und zwei Regelbausteine, die mit Unterschiedlichen Parametern bestückt werden können. Und es kommt entweder Dampf oder Vakuum. Ich hab auch schon überlegt, dass ich mit dem anderen dagegen regel, nur erwarte ich eine noch größere Schwingung.


@Onkel Dagobert,

vielen Dank für die ausführliche Antwort.
Ja tatsächlich bin ich mir sicher, dass Regler auch so oft aufgerufen wird und der Ausgang wird auch entsprechend oft neu aktualisiert. Ich denke, dass B&R dort einen sehr soliden Regler hat, hier kann man auch allerhand einstellen. Zuletzt habe ich mit mit dY_max (einer maximalen Y Änderung in %/s ) und einem Totband gespielt, so mit mäßigem Erfolg - die Schwingungsneigung bleibt nach wie vor.

Meinst du mit "kleinen Werten" den Stellgrad? Wie werden die Proportionalventile angesteuert? Gewöhnlich haben diese eine Totzone. Das heißt, sie machen von 0V bis beispielsweise 1V erst einmal gar nichts. Wenn das bei der Stellgradausgabe nicht berücksichtigt wird, regelt der Regler zunächst erst einmal ins Leere, wodurch die Regelabweichung ungehindert ansteigt. Das würde das Verhalten bei "kleinen Werten" erklären. Wobei sich bei "kleinen Werten" ohnehin immer das ungünstigste Regelverhalten einstellt. Vielleicht ist der Regler auch einfach nur "zu zornig" eingestellt.

Das mit der Totzone ist sehr gut vorstellbar, genauso habe ich eine gewisse Trägheit angenommen. Die Ventile werden mit 4..20mA angesteuert und wird über den Regelbaustein ausgegeben. Ich meinte hier: bei kleinen Regelabweichungen ist der I-Anteil des Reglers sehr hoch und P und Arbeiten immer um diesen Teil

Richtig überzeugend war bisher nichts davon.
Zur Regelgenauigkeit gibt es eine Norm, dessen technische Umsetzung generell fragwürdig ist. Das Ding muss quasi permanent Strich laufen und mir ist auch klar, dass das quasi technisch höchst schwierig sein dürfte das umzusetzen. Trotzdem glaube ich hier ist noch mehr drin.

Bei den Parametern habe ich schon einiges mehrfach durch: Nur P-Regler, dann PI-Regler, D-Anteil dazu.
Zusammenfassend ist folgendes für mich quasi sicher: Der D-Anteil muss sehr sehr klein gehalten werden (>0.01). Kp darf nicht allzu hoch werden, zwischen 0.7 und 1.7 bei beiden Systemen.
Beim I-Anteil habe ich schon alles ausprobiert, von super agil (0.01 bis moderat (~50s) und sehr langsam >120s). So richtig überzeugend ist das alles nicht.

Falls das Schwingen nicht vom Regler selbst erzeugt wird, dann ist das wirklich ein Problem

Ich fürchte das hier kann etwas damit zu tun haben. Was mich am meisten stört, ist dass der Regler quasi nur Auf-Zu- fährt, was wirklich zu einem größeren Überschwingen führt. Irgendwann wird dieser Zustand leider erriecht.

Anbei habe ich hier eine sehr simple Skizze des Systems, ist - so viel darf ich verraten - für die Lebensmittelbranche.
Zudem ist hier ein Chart vom Fehlerverhalten e des Reglers in den letzten 20s. Wie man sieht ist es nicht sehr sauber.

VG

 

[Onkel Dagobert]

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Nehmen wir mal an, wir haben die ganze Zeit von dem Überdruck-Regler (Dampf) geredet. Wenn dieser, wie von dir beschrieben, überschwingt,

1. wie baut sich dieser Überdruck dann wieder ab?
2. Der Behälter ist doch sicherlich ein geschlossenes System?
3. Wie ist ein Druckabbau bzw. Ausgleich möglich, nur durch abkühlen?
4. Wie entsteht nach dem Überdruck der Unterdruck?
5. Und was ist das für eine Einheit an der rechten Achse, Pascal, Bar?

 

[LaLiLu]

Hallo,

1. Der Überdruck wird über Vakuum abgeführt
2. Ja der Behälter ist ein geschlossenes System
3. Man kann es abkühlen lassen, dann fällt der Behälter jedoch ins Vakuum durch die Selbstabkühlung. Es gibt noch ein belüftungsventil, sodass man nach einem Produkt den Behälter kurz ins Vakuum zieht und dann belüftet.
4. Es wird immer Dampf bis etwa 6 bar und Vakuum bis etwa 100 mbar erreicht.
5. An der rechten Seite sind es Millibar.

Ich habe mich damit noch einmal genauer befasst: ich glaube tatsächlich dass die Eigenfrequenz des Systems durch das Öffnen bzw. Schließen der Ventile dazu führen kann, dass er nur noch am Schwingen ist - vielleicht habe ich mit dem klassichen Ansatz nicht gut genug durchgeführt.
Man sagt ja: P so einstellen, dass das System, dass es gerade noch so schwingt, i und d sind dabei aus. Es schwingt aber durch die Rampe leider immer...

 

[Onkel Dagobert]

1. Der Überdruck wird über Vakuum abgeführt ..

Demnach sind beide Regler ständig aktiv und regeln auf den selben Sollwert? Es darf natürlich nicht vorkommen, dass sich beide unkontrolliert abwechseln und aufschaukeln. Entweder du gibst ihnen leicht verschiedene Sollwerte oder du spendierst zusätzlich einen Zweipunktregler mit Hysterese für die Freigaben der beiden Regler. Das wäre wahrscheinlich mein Favorit. Für die Umschaltung über den Zweipunktregler würde ich den Istwert möglichst stark dämpfen, je nach dem, was der Prozess hergibt.

Sinnvoll wäre es zudem, erst einmal einen Regler zu sperren und den anderen ohne Überschwingen als PI-Regler stabil zum Laufen zu bringen.

 

[Onkel Dagobert]

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Wie sieht eigentlich die Rampe bzw. der Sollwert in dem Chart aus #5 aus? Wenn es dir möglich ist, dann nimm doch mal so einen Verlauf mit Sollwert, Istwert und den Stellsignalen auf.