Złudna odwrócona odpowiedź

Większość procesów przemysłowych odpowiada na akcję korygującą regulatora, zmieniając regulowaną zmienną w kierunku zgodnym ze zmianą sygnału wyjściowego regulatora. Temperatura wzrasta, gdy regulator wymusi podanie większej ilości paliwa do palnika w piecu; natężenie przepływu spada, jeśli regulator przymyka zawór w rurociągu; prędkość rośnie w przypadku, kiedy regulator zwiększy obroty silnika napędzającego podajnik. Niektóre procesy będą oscylowały to w dół, to w górę od teoretycznej, zadanej przez regulator wartości parametru, lecz pierwszy impuls w zmianie wartości regulowanej zmiennej jest skierowany w tę samą stronę, w którą nakazał regulator zmianą wartości swojego sygnału wyjściowego.

 

Odpowiedź poziomu wody w walczaku na korygujący sygnał regulatora – "podnieś poziom" 

 

Kiedy regulator wprowadza do wody wrzącej w walczaku kotła parowego pewną ilość zimnej wody, poziom cieczy wewnątrz walczaka od razu spada, aby po chwili zacząć wzrastać do zadanej docelowej wartości

Regulator ignoruje odwróconą odpowiedź, jeśli jest nastrojony do właściwego czasu reakcji równego czasowi trwania odwróconej odpowiedzi obiektu 

Istnieją jednak rzadkie przypadki, w których regulowana wielkość w procesie najpierw zmniejsza swoją wartość, choć regulator wysyła sygnał do jej zwiększenia.

Rozważmy przypadek przemysłowego walczaka kotła parowego. Gdy para opuszcza zbiornik walczaka zgodnie z zapotrzebowaniem, do walczaka dopływa woda uzupełniająca ubytek (obniżenie poziomu cieczy), jaki w postaci pary odpłynął z walczaka, starając się utrzymać właściwy, stały poziom. Dzieje się to na skutek działania regulatora, który otrzymuje sygnał sprzężenia zwrotnego od przetwornika poziomu. Regulator oddziaływuje na zawór regulujący dopływ wody do walczaka, utrzymując poprzedni, pożądany poziom cieczy.

Dopływająca do walczaka woda jest zimna, przez co schładza nieco wrzącą wodę wewnątrz walczaka, zatem wzrasta jej gęstość i natychmiast skutkuje obniżeniem się poziomu cieczy, nawet gdy dodano więcej wody.

Opisany problem może stać się ostrzejszy, jeżeli metoda działania czujnika poziomu traktuje pianę na powierzchni wody jako lustro wody. Ten sposób pomiaru poziomu wody będzie wykazywał tendencje do widzenia „skurczonej” warstwy piany, jakby jej większego zwilżenia, czyli dodatkowo będzie sprawiał obniżanie się rzeczywistego poziomu cieczy w walczaku, wyolbrzymiając ten i tak widoczny spadek poziomu.

Błędny kierunek

Opisany powyżej przypadek odwróconej odpowiedzi jest zilustrowany wykresem. Po wygenerowaniu przez regulator sygnału korygującego nakazującego zwiększenie dopływu wody do walczaka ta zmienna procesowa, jaką jest poziom wody, początkowo wykazuje lekki spadek, zanim zacznie ujawniać się wzrost tego poziomu.

Odwrócona odpowiedź okłamuje regulator, sugerując, że obiekt podąża w niewłaściwym kierunku. Zanim regulator doczeka się sygnału o poprawnym kierunku zmian wartości regulowanego parametru, może starać się wysłać korektę w kierunku przeciwnym do poprzedniego i pogłębić błąd w prowadzeniu procesu, a następnie mylnie odczytując odwróconą odpowiedź, znowu zmienić kierunek sygnału korygującego. W rezultacie będziemy mieli do czynienia z nieustającymi oscylacjami w przebiegu regulowanego procesu.

„Cierpliwy” regulator

Dlatego regulator współpracujący z obiektem charakteryzującym się odwróconą odpowiedzią powinien być w stanie odczekać pewien krótki czas, czyli wykazać się cierpliwością, aby pozwolić obiektowi ujawnić zasadniczy trend zmian, zgodny z wysłanym uprzednio sygnałem z regulatora. W przypadku klasycznego regulatora PID mamy taką możliwość podczas jego strojenia, nastawiając parametry jego pracy, jak dla obiektu z długim czasem zwłoki. Dokonując takich nastaw, czynimy regulator wystarczająco powolnym, aby zignorował chwilowe, w niewłaściwą stronę skierowane zmiany – poprzez wydłużenie czasu reakcji regulatora na sygnał zmian w regulowanym procesie i w ten sposób doprowadzenie go do właściwej wartości.

ce

Artykuł pod redakcją Józefa Czarnula,
specjalisty automatyka z wieloletnim
doświadczeniem w projektowaniu
i uruchamianiu układów automatyki


Komentarz redaktora

Opisanemu tutaj problemowi pewnej pikanterii dodaje fakt, że walczak kotła parowego jest jednym z najszybszych obiektów przemysłowych, gdzie odpowiedzi na zakłócenia następują w pojedynczych sekundach. Jeśli przy tym weźmiemy pod uwagę, że w stanie ustalonym utrzymywana jest równowaga między poziomem cieczy, ciśnieniem, temperaturą oraz odbiorem pary i dopływem świeżej wody, to każde zakłócenie któregokolwiek z tych parametrów powoduje natychmiastowe naruszenie tej równowagi. Przypomnijmy sobie też, że temperatura wrzenia jest zależna od ciśnienia, zatem naruszenie ciśnienia wynikłe z dopływu innej niż w stanie stabilnym ilości wody natychmiast skutkuje zmianą ciśnienia, za nim zmianą temperatury wrzenia i w rezultacie zmianą intensywności odparowania wody. W takiej sytuacji zbyt szczodre wprowadzanie „powolniejszej” akcji regulatora, jako sposobu na przeczekanie odwróconej odpowiedzi obiektu, jest bardzo ryzykowne. Wiedzą o tym doskonale automatycy w zakładach energetycznych. Nauczeni są już bardzo uważnego działania przy strojeniu regulatorów dla walczaka kotła parowego.


<//font><//font></><//>