Regulatory adaptacyjne

Adaptacyjna technika regulacji obejmuje szeroki zakres metod matematycznych i empirycznych, umożliwiających regulatorowi ze sprzężeniem zwrotnym automatyczną aktualizację nie tylko kolejnego sygnału wyjściowego, ale całej strategii regulacji, w celu dostosowania się do zmian w zachowaniu się regulowanego procesu. Jako pierwsze trafiły na rynek regulatory adaptacyjne, zdolne do ustawiania
swoich własnych parametrów, tj. zakresu proporcjonalności – wzmocnienia (P) oraz funkcji całkowania (I) i różniczkowania (D).

Ich zadanie jest proste – obserwować zachowanie się regulowanego procesu i dostrajać parametry P, I oraz D do chwili, aż system pętli zamkniętej osiągnie żądane parametry pracy. Niestety, dostrajanie PID jest częściej sztuką niż nauką (zob. „Podstawy dostrajania pętli”, Control Engineering, lipiec 2003 r.).

Rys. Regulator obserwuje różnicę pomiędzy wartością zadaną a zmienną procesu w celu obliczenia następnej akcji regulacji. Tuner określa odpowiednie nastawy parametrów pracy regulatora poprzez analizę najnowszej historii operacji regulacji, tj. sygna łów wejściowych i wynikających z nich wartości sygna łów wyjściowych.

 

Adaptacyjne regulatory PID upraszczają te zagadnienia poprzez automatyczne wykonywanie niezbędnych procedur dostrajania. Większość z nich obserwuje reakcję obiektu na zakłócenie i odpowiednio ustawia swoje parametry regulacji. Każdy regulator realizuje to zadanie w inny sposób.

 

Techniki są różne

Na przykład heurystyczne tunery automatyczne próbują powielać sposób podejmowania decyzji przez doświadczonego operatora. Ustawiają strojone parametry zgodnie z serią sprawdzonych zasad, takich jak „JEŻELI regulator reaguje zbyt gwałtownie na nagłe zakłócenia, NALEŻY zmniejszyć parametry członu różniczkującego”.

Bardziej powszechne jest dobieranie parametru z wykorzystaniem matematycznego modelu obiektu – równania, które wiąże wartość bieżącą sygnału wyjściowego z historią poprzednich sygnałów wyjściowych oraz sygnałów wejściowych zadanych przez regulator. Jeżeli model jest dokładny, regulator może przewidzieć skutek swoich działań i odpowiednio się dostroić.

Na przykład obiekt powoli reagujący na skokową zmianę sygnału wejściowego może być opisany za pomocą równania, które określi kolejny sygnał wyjściowy jako sumę ważoną tylko z dwóch pomiarów – ostatniego sygnału wejściowego i ostatniego sygnału wyjściowego. Tuner automatyczny może wybrać wagi w tej sumie, aby dało się matematycznie dopasować związek wejścia/wyjścia do zachowania, które obiekt wykazał w przeszłości.

Mając gotowy modelmatematyczny, auto-tuner może wtedy określić, jakie działanie proporcjonalne, całkowania i różniczkowania może tolerować obiekt. W przypadku wolno reagującego obiektu model wykaże, że regulator może swobodnie zastosować agresywną taktykę regulacji. Tuner automatyczny może nadać parametrom P, I oraz D względnie wysokie wartości.

 

Zagadnienia eksploatacyjne

To, czy regulator ustawia wysokie, czy niskie wartości parametrów P, I, D zależy od warunków określonych przez operatora. Jeżeli na przykład czas ustalania się należy ograniczyć do pewnej wartości maksymalnej, to wymagane parametry dostrajania można określić poprzez analizę stałej czasowej i czasu zwłoki modelu matematycznego obiektu. Z drugiej strony, jeżeli największe znaczenie dla operatora ma nadmierne przeregulowanie, można tak skonfigurować regulator, aby dobierał parametry dostrajania, które ograniczą szybkość zmian wartości regulowanej.

Regulatory adaptacyjne różnią się również pod względem wykorzystywanych metod zbierania danych. W niektórych przypadkach do obiektu wprowadzana jest seria sztucznych zakłóceń w celu obserwowania jego reakcji. Inne regulatory wykonują swoje zadanie za pomocą danych zebranych podczas normalnego działania w obwodzie regulacji. W ostatniej z wymienionych metod ogranicza się marnotrawstwo i niedogodności powodowane przez umyślne zakłócanie procesu, ale tworzony w niej zestaw zawiera znacznie mniej użytecznych informacji o zachowaniu obiektu.

Która metoda strojenia jest odpowiednia dla danego zastosowania? To zależy od wymaganego sposobu działania systemu w obwodzie zamkniętym oraz czy wymagane działanie jest fizycznie możliwe do zrealizowania.

Vance VanDoren, redaktor konsultujący controleng@msn.com