Sterowanie adaptacyjne

Adaptacyjny dobór parametrów regulatora ułatwia sterowanie procesem, którego wzmocnienie i stała czasowa zmieniają się w zależności od jego stanu.
 Mechanizm adaptacyjnego wzmocnienia stanowi ulepszenie algorytmu PID (i wielu innych – przyp. tłum.) pracującego w pętli z procesem, którego wzmocnienie i stała czasowa zmieniają się w zależności od jego stanu. Algorytm adaptacyjny wykonywany przez mikroprocesor sterownika monitoruje aktualny stan obiektu i przyporządkowuje go do wcześniej określonych przedziałów, którym odpowiadają inne nastawy regulatorów. Nastawy te w poszczególnych przedziałach dobrane są optymalnie do aktualnego stanu obiektu.
Sterowanie adaptacyjne przynosi korzyści w procesach, które przyspieszają lub zwalniają, zależnie od wartości sterowanej zmiennej, a także w przypadku procesów, które w czasie pracy stają się bardziej lub mniej czułe na wysiłki regulatora.
Dobrym przykładem jest zbiornik o kształcie kuli przedstawiony na rysunku poniżej. Ponieważ przekrój poprzeczny zbiornika zmienia się wraz z wysokością, będzie on widziany przez regulator jako obiekt nieliniowy: gdy zbiornik będzie niemal pusty lub pełny, przepływ o danej wartości wywołała stosunkowo gwałtowną zmianę poziomu w stosunku do sytuacji, gdy zbiornik będzie wypełniony w połowie. Aby zapewnić stały przyrost poziomu, regulator musi więc zapewniać mały przepływ na początku i pod koniec napełniania oraz stosunkowo duży przepływ, gdy poziom w zbiorniku jest bliski połowie.
Tradycyjna pętla PID, której nastawy poszczególnych akcji są stałe, może nie sterować takim obiektem w zadowalający sposób, ponieważ nastawy te zostały zoptymalizowane do pracy w określonych warunkach (w tym przypadku poziomu napełnienia). Jeśli nastawy zostały dobrane do pracy w warunkach niemal pełnego napełnienia, to zmiana poziomu w pobliżu połowy zbiornika będzie trwać za długo. Jeśli natomiast nastawy dobrano na podstawie zmian poziomu w pobliżu środka, to gdy zbiornik będzie niemal pusty lub pełny, regulator będzie zachowywał się zbyt agresywnie, powodując oscylacje sygnału lub nawet przeregulowanie (przepełnienie).
Zalety sterowania adaptacyjnego
Sterowanie adaptacyjne łączy dwa światy: stałych i zmiennych nastaw. Nastawy regulatorów dla poszczególnych punktów pracy są stałe i wynikają z tradycyjnej analizy układu sterowania. Gdy punkt pracy się zmienia, na podstawie określonych wcześniej zasad zmieniają się aktualne nastawy regulatora.
Niestety, wymaga to dodatkowych czynności. Inżynier sterowania musi określić, w jaki sposób zakres punktów pracy obiektu zostanie podzielony na grupy, którym przyporządkowane będą odpowiednie nastawy regulatora. W przypadku zbiornika punkty pracy „niemal pusty”, „wypełniony w połowie” i „niemal pełny” są dość oczywiste, ale nie można wykluczyć innych punktów zależnych od innych parametrów, które wpływają na poziom wody w zbiorniku.
Automatyk będzie musiał przeprowadzić badanie poszczególnych stanów napełnienia zbiornika i dobrać dla każdego z nich nastawy regulatorów. Na tej podstawie buduje się tablicę nastaw regulatora, które odpowiadają określonym punktom pracy obiektu, i umieszcza się ją w sterowniku PLC. W przypadku omawianego zbiornika niezbędne będzie dobranie optymalnych nastaw dla małego napełnienia, zwiększenie poziomu, kolejne dobranie nastaw itd. (badania można, a czasem nawet trzeba przeprowadzić na drodze symulacji komputerowej – przyp. tłum.).
Dr Vance VanDoren jest redaktorem specjalistą CE controleng@msn.com. www.controleng.com
Artykuł pod redakcją mgr. inż. Łukasza Urbańskiego, doktoranta w Katedrze Automatyki Przemysłowej i Robotyki Wydziału Elektrycznego Zachodniopomorskiego Uniwersytetu Technologicznego w Szczecinie.
CE