Mieszkanie i ogrzewanie: Optymalna histereza
Regulacje ciagla w energetyce zaczeto stosowac na Zachodzie na przelomie lat 30/40. Od dawna wiadomo ze konfiguracja takiego systemu regulacji musi uwzgledniac procesy zachodzace w kotle. Pokazane juz schematy regulacji bloku energetycznego z systemem Teleperm C Siemensa oczywiscie to uwzgledniaja. Uwzgledniaja bilans energi i mas. System cechuja ladne odpowiedzi na zmiany obciazenia. Znaczny spadek cisnienia na przegrzewaczu jest proporcjonalny do kwadratu przeplywu i stad silna dynamiczna nieliniowosc.
Niestety w krajowych systemach "regulacji" do blokow mocy 200 MW ( takze innych ) zlekcewazono fizyke i bilanse w kotle. Na wykresach pokazano kluczowe stany przy zwiekszaniu obciazenia w tempie 10 % Pn / min przez 2 minuty. Powstaja koszmarne oscylacje polaczone z zasypywaniem mlynow weglowych powodujacym spadek ich wydajnosci i przeciazenie silnikow napedowych. Poniewaz takie oscylacje powoduja skrocenie zywotnosci kotla operatorzy prawie zawsze wylaczali automatyke i spokojnie prowadzili proces recznie. Czyli "automatyka" ta ma tylko jedna ale powazna wade – W ogole nie dziala. Ciekawe jest dlaczego autorami projektu i osobami ktore dopuszczaja takie monstrum do uzytku nie zajmuje sie prokuratura i sad. Przeciez zaplacono za cos co realnie nie zostalo dostarczone.
Wladze widzac te poczynania zdecydowaly awaryjnie zakupic ( glownie dla chemi ale nie tylko ) licencje na system automatyki od koncernu Honeywell. Krytyka masowego zakupywania licencji czesto jest niesluszna. Robiono to z desperacji widzac totalna nieudolnosc.
Nieudolnosc instytutow i "nauki" wynika ze sposobu kreacji miernych kadr przez PZPR i SB.
Czlowiek nad zwierzetami goruje zdolnoscia abstrakcyjnego myslenia i komunikacji. Mamuty nie czuly leku przed czlowiekiem i spotkal je oczywisty los. Zachodni kolonializm byl i jest gleboko rasistowski. Innowacja nazimu bylo dodatkowe zaliczenie do podludzi Zydow, Slowian i Cyganow. Propaganda odniesie sukces gdy ktos w nia uwierzy. Niemieccy zolnierze gdy tylko zobaczyli Polske uwierzyli ze zamieszkuja ja podludzie.
Wraz z koncem Fordyzmu zakonczylo sie na Zachodzie dobre placenie za prace fizyczna a zaczelo sie pogardzanie prosta praca. Jak widac to wpasowuje sie w kolonializm i rasizm. Oczywiscie im szybciej zaczniemy pracowac w Polsce glowa tym lepsza uzyskamy pozycje w swiecie.
Przeplywy w gospodarce podaje macierz Input – Output. Jej znajomosc jest podstawa dobrych, wspomaganych sytemem quasi - AI decyzji strategicznych dla kraju. Ale w swiecie dzialaja programowe modele gospodarki swiata z okolo 15 000 parametrami. Czesc parametrow jest z zgrubsza znana a model adaptacyjnie sie uczy, podstraja, trenuje. Ale na razie z miernymi efektami.
Na poczatku lat siedemdziesiatych przed decyzja prezydenta Nixona z 1971 o rezygnacji z wymiany dolara na zloto ropa kosztowala srednio 1.5 dolara. Ta cena taniej energii i surowca dla chemi dzis wydaje sie jak z bajki.
W Polsce brakuje minimalnych standardow dla "cieplych" budynkow. W dobie drogiej energii one sa bardzo pozadane.
W przyrodzie sprzezenia zwrotne sa powszechne. W elektronice wystepuja one masowo. We wzmacniaczu szerokopasmowym pozwalaja utrzymac plaska charakterystyke do czestotliwosci 2 GHz z dalszym pomyslnym rokowaniem. Wieloaspektowa przewaga szerokopasmowych dwojek ( a nawet trojek ) nad stopniami z lokalnymi sprzezeniami jest miazdzaca.
Wzmacniacz operacyjny zawsze pracuje z zewnetrznym sprzezeniem zwrotnym ale juz sam ma w srodku petle sprzezen formujace jego charakterystyke czestotliwosciowa.
Idea sprzezen zwrotnych jest wiec plynna w formie.
W literaturze swiatowej zebrano i usystematyzowano informacje o kilkuset typowych pod/systemach sterowania i regulacji. W obszarze rozwiazan standardowych nie trzeba wiec wywazac otwartych drzwi. Wiadomo w jakiej konfiguracji m.in. typowe regulatory maja pracowac ale nie wiadomo z jakimi parametrami ! Nawet dane orientacyjne sa wiec zbawieniem. Mozna aktywnosc skierowac na bardzo trudne petle regulacji gdzie regulator PI-PID nie moze byc uzyty.
Regulatory pracuja ze wzmocnieniem od 0.2 do okolo 200. Tak duze wzmocnienie ma ( wbudowany) serwomechanizmowa petla regulatora predkosci PID z "szerokopasmowym" ( mowa o czestotliwosci rezonansow mechnicznych ) silnikiem z sensorem predkosci.
Algorytmy regulacji samonastrajajacej sie i adaptacyjnej ( pochodne od Kalmana i najmniejszych kwadratow ) sa dalej doskonalone. Poniewaz wydajnosci procesorow i mikrokontrolerow szybko rosna a pamieci tanieja rokowania sa pomyslne.
W kategorii dezinformacji i wyglupu trzeba traktowac prostackie algorytmy strojenia bazujace na odpowiedzi na skok jednostkowy, ktorego przeciez w ogromnej wiekszosci przypadkow nie wolno jest podac.
Dobre rezultaty strojenia daje natomiast prosty algorytm Astroma – Hagglunda najlepiej z asysta operatora ktory tylko widzac przebiegi na ekranie komputera stwierdzi ze automatyczny przebieg byl poprawny. Jego mankamantem jest natomiast wielo - skokowy 0..100% sygnal wyjsciowy ( ale o wypelnieniu adekwatnym do zadanego poziomu wyjscia ) ktory nie zawsze przeciez jest dopuszczalny
Typowy czas probkowania dla programowych ukladow regulacji ( ang. Process control Sampling times ) cisnienia wynosi 1-5 sekund, przeplywu 1-3, poziomu 5-10, a temperatury 10-20 sekund.
Prezentowany wynik pomiaru z sensora jest w okreslonej jednostce ale w systemie jest w przedziale 0...100% czyli przykladowo 4..20 mA.
Przykladowo generalnie:
-Rzadko uzywamy rozniczkowania D czyli regulatora PID. Zatem dominuja regulatory PI. W ogromnej wiekszosci przypadkow szum procesu jest na tyle duzy ze psuje jakosc regulacji PID zamiast ja polepszac. Dodatkowo ciagla akcja aktuatora powoduje jego szybkie zuzycie wraz z organem wykonawczym
-Dla obiektu calkujacego musi byc uzyty odpowiedni regulator z podaniem tylko circa 0.45 sygnalu zadnego do akcji proporcjonalej lub konieczne jest wygladzenie sygnalu zadanego Rampingiem z inercja. Im parametrow do ustawienia jest wiecej tym jest gorzej i odpowiedni regulator ( z tym udzialem 0.45 ) jest dobrodziejstwem.
-Niektore algorytmy Anty Wind Up wymagaja podania kolejnych parametrow. Ich brak jest dobrodziejstwem. Optymalny algorytm AWU zalezy od miejsca regulatora w systemie. Mozliwosc wyboru algorytmu AWU ale bez parametrow jest wiec dobrodziejstwem.
-Poczatkowe wzmocnienie ( do dalszej optymalizacji ) regulatora PI ukladu regulacji poziomu w zbiorniku nalezy ustawic na 1 a czas calkowanie Ti rowny "czasowi odpowiedzi" czyli napelnienia zbiornika przy pelnym otwarciu zaworu. "Czasy odpowiedzi" sa czasem w materialach koncernow podane dla roznych urzadzen procesowych chemii. Optymalne wzmocnienie rzadko przekroczy 2 razy
-Poczatkowe wzmocnienie regulatora PI ukladu regulacji przeplywu nalezy ustawic na zaledwie 0.3. Optymalne wzmocnienie rzadko przekroczy 1. Czas calkowania winien wyniesc sume czasu odpowiedzi sensora oraz czasu przeplywu mediow plus czas reakcji zaworu.....
Pamietac nalezy ze wzmocnienie trzeba odniesc (powiekszyc ) do uzytego w obiekcie zakresu sensora a nie wiekszego, calego jego zakresu pomiaru !
Do pomyslenie jest wzglednie prosty program ekspertowy z baza danych, ktory po podaniu mu wymiarow / cech wybranego rodzaju obiektu probowalby oszacowac czas odpowiedzi naszego obiektu
Komputer z peryferiami bez programow jest malo uzyteczny lub bezuzyteczny. Sam system operacyjny tworzony przez producenta komputera ma latwo udostepnic zasoby systemu ( dyski FD i HD, wyswietlacz - monitor , klawiatura, drukarka... ) tworzonym przez uzytkownikow programom do pracy systemu.
W cyfrowych kontrolerach – regulatorach ale tez na komputerach dzialaja regulatory PI – PID. Moga miec sporo parametrow i konfiguracji do ustalenia.
Regulator analogowy i cyfrowy bez ustawienia tych parametrow przypomina komputer bez oprogramowania. Raczej przygnebiajaca norma a nie wyjatkiem sa ustawienia regulatorow obiektu takie jakie one mialy one opuszczajac fabryke !
Poprawne ustawienia parametrow regulatorow jest trudne, czasochlonne i po prostu drogie. Nic dziwnego ze wiekszosc regulatorow pracuje w trybie Manual jako ze automatyczna regulacja jest niedostateczna lub nawet niebezpieczna. W Polsce prawdziwa, dobrej jakosci ciagla regulacja automatyczna dopiero sie zaczyna.
Koncerny maja zakumulowana dekadami wiedze i doswiadczenie i one zawsze poprawnie ustawiaja regulatory i w dokumentacji podaja te ustawienia. Gdy wiec jest kupiona od zachodniego koncernu fabryka lub duza instalacja to jej dokumentacja jest bezcennym zrodlem wiedzy. Ta wiedza winna byc pubikowan a nie faktycznie utajniana. To utajnianie jest działeniem na nasza szkode.
Szkodliwe zjawisko nasycenia sie calkowania w regulatorze PI – PID zmusza do stosowania algorytmu "anty wind up". W regulatorach analogowych byl on slodka tajemnica producenta ale analizujac schemat ( o ile byl dostepny ) mozna bylo go odgadnac. W regulatorach programowych nie zawsze algorytm jest jawny. Algorytm moze miec jeden a wyjatkowo dwa porametry do ustawienia do walki z nasyceniem. Oczywiscie lepszy jest algorytm ktory nie wymaga parametru i zawsze daje satysfakcjonujacy rezultat.
Powinna byc w regulatorze dana konfiguracyjna do wyboru obiektu: Inercyjnego / Calkujacego a nie kolejne parametry do ustawienia regulatora dla obiektu calkujacego.
Optymalna histereza analogowego lub cyfrowego ukladu trojpolozeniowego w regulatorze krokowym.
Regulator krokowy razem z calkujacym aktuatorem jest systemem regulacji ciaglej lub niby ciaglej. System wystepuje w dwoch rozwiazaniach.
1.Silnik z przekladnia napedzajaca organ wykonawczy ma potencjometr polozenia lub inny sensor polozenia. Sygnal z ciaglego analogowego lub cyfrowego regulatora PI-PID oraz sygnal z potencjometru ( lub innego sensora ) podane sa do wewnetrznego w petli regulatora: wzmacniacza bledu E i ukladu trojpolozeniowego. Polozenie mierzone potencjometrem ze strefa nieczulosci sledzi sygnal wyjsciowy z regulatora PI-PID. Tak jest na przyklad w analogowym regulatorze krokowym autopilota koncernu Raytheon. W regulatorze cyfrowym Sipart DR20 mozna wybrac ta konfiguracje jako "Output configuration of three-position step controller with external position feedback "
Niesprawnosc sensora polozenia aktuatora powoduje ze niesprawny jest caly system regulacji co jest podstawowa wada. Sensor polozenia i ekranowane przewody polaczeniowe maja swoj koszt ale z drugiej strony jawne jest polozenie organu wykonawczego a jest to uzyteczna informacja. W tym rozwiazaniu regulator krokowy PI-PID jest bardziej skomplikowany od ciaglego regulatora PI-PID ktory zawiera w sobie. W szczegolnosci trzeba zapanowac nad calkowaniem w PI-PID implementujac algorytmy "anty wind up".
W istocie jest to system regulacji kaskadowej. Zaleta jest liniowosc ale takze przy wykorzystaniu sygnalow binarnych z przelacznikow krancowych samokontrola sprawnosci. Znane jest polozenie zaworu lub innego wykonawcy i mozliwa jest dobra praca w modzie Manual. Kolejna zaleta jest brak statycznej nieczulosci.Oczywiscie tylko przy aktywnym w regulatorze PI-PID calkowaniu I.
Z uwagi na czas reakcji wewnetrznej petli regulacji Histera ukladu przekaznika trojpolozeniowego musi byc znacznie mniejsza niz jego nieczulosc aby sygnal bledu osiagnal zero gdy silnik skonczy wybiega i ustablizuja sie ewentulane filtry .
2.W drugim rozwiazaniu analogowym lub programowym regulatora krokowego uklad inercyjny ( przy zabronionym ) nieskonczenie dlugim czasie calkowania regulatora PI-PID jest to integrator ) na bazie integratora do ktorego podano sygnaly wyjsciowe +1,0,-1 jednoczesnie niby odtwarza polozenie wyjscia aktuatora i pelni role integratora w regulatorze PI-PID. Regulator w tej topologii zawsze musi miec aktywne calkowanie czyli niemozliwa jest realizacja regulatora P lub PD. Uklad ma niestety tez statyczna nieczulosc. Tak jest w regulatorze Teleperm 20 i wiekszosci regulatorow analogowych i cyfrowych Siemensa a takze we wbudowanym regulatorze ASEA oraz krajowym regulatorze krokowym ARK-21.
Teleperm 20 i Asea nie maja regulacji wielkosci histerezy i sygnal bledu E doprowadzany jest do Zera. Natomiast krajowy regulator ARK-21 ma ( zbedna i szkodliwa w tym rozwiazaniu ) regulacje histerezy w przedziale 0.05-0.5.
W regulatorze cyfrowym Sipart DR20 mozna wybrac ta kofiguracje jako "configuration of three-position step controller with internal position feedback"
Na rysunku jest "Output configuration of three-position step controller with internal position feedback, manual mode has priority over blocking "
Optymalizujac kazdy system regulacji trzeba brac pod uwage takze koszt akcji sterujacej dlatego ze aktuator i wykonawca sie stopniowo zuzywaja a koszt energii tez moze byc niebagatelny, szczegolnie w systemach pneumatycznych i hydraulicznych. Rozruch kazdego silnika asynchronicznego aktuatora jest ciezki a pobierany jest poczatkowo prad 5.5-7 pradu nominalnego. Najwieksze silniki asynchroniczne mocy kilku megawatowej o szybkosci synchronicznej 3000 obr/min z typowym obciazeniem wolno jest uruchamiac tylko raz na godzine. Gdy zrobimy to czesciej taki silnik traci stopniowo zywotnosc. Przekaznik lub stycznik tez maja okreslona, nieduza zywotnosc. Z koniecznosci ograniczenia ilosci zalaczen wynika strefa nieczulosci regulatora krokowego.
Jaki powinien byc blad E po krokowej akcji korekcyjnej "+1 /-1" ? On powinien byc zerowy a to dlatego ze nie znamy nadchodzacej przyszlosci i predykujemy ja na Zero ! Zatem dlaczego w regulatorze krokowym z sensorem polozenia stosuje sie wzglednie male wartosci histerezy co sugeruje ze po kroku polowicznie zredukowany blad E ma nadal ten sam znak co przed krokiem . Dlatego ze silnik ma wybieg a sygnal opoznia tez filtracja w petli! Z uwzgledniem tej inercji i filtrujacej inercji wzmacniacza sygnalu bledu E blad faktycznie powinien dojsc do Zera i w poprawnie ustawionym systemie tak jest !
Zarowno regulator analogowy jak programowy powinny miec funkcjonalnosc umozliwiajaca poprawne nastawienie histerezy ukladu z serwo sensorem polozenia w petli. Niestety poza wyjatkami takiej funkcjonalnosci nie ma. W regulatorze programowym funkcja do automatycznego znalezienia optymalnej histerezy ( samonastrajanie ) nie jest skomplikowana a jest uzyteczna. Implementacja wykonana przez autora jest prosta. Funkcje ta trzeba uruchomic tylko przy samonastrojeniu.
W ukladzie z odtwarzaniem polozenia, histereza musi byc bliska maksymalnej i uwzgledniac tylko "opozniajaca" odpowiedz inercje - filtracje w petli wokol wzmacniacza sygnalu bledu ! Oczywiscie nie powinna byc ona ustawiania. Zatem dlaczego w krajowym regulatorze z odtwarzaniem ARK-21 dano jej regulacje mimo iz potezne zachodnie koncerny jej nie daja. Z niewiedzy !
Poprawne ustawienie regulatora PI-PID na realnym obiekcie wymaga sporej wiedzy, umiejetnosci, czasu i cierpliwosci co wszystko to kosztuje. W praktyce odpowiednie kompetencje maja tylko koncerny i jest to ich kolejna przewaga na mniejszymi firmami. Koncerny dysponuja szczegolowymi informcjami o dynamice obiektow miedzy innymi dlatego ze czesto same konstruuja i testuja te obiekty ! W praktyce ustawienia sa nieoptymalne a nierzadko nikt regulatorow nie ustawial i maja takie ustawienia jak opuszczajac fabryke. W praktyce systemy regulacji nie dzialaja poprawnie i 80% ich przestawionych jest na operacje wykonywane reczne przez operatora. Stad tak duze zainteresowanie teorii regulacji algorytmami samonastrajajacymi sie i adaptacyjnymi. W tym kontekscie danie do ustawiania kolejnego parametru, Histerezy w regulatorze ARK-21 z odtwarzaniem jest dywersja.
W znanych zachodnich regulatorach krokowych z "odtwarzaniem" polozenia nieregulowana (!) histereza jest poprawna czy wrecz idealna.
Osobno omowiono schematy regulatorow krokowych i systemow z nimi:
-Dwa firmy Siemens Panelowo - modulowy Teleperm C i samodzielny Teleperm 20
-ASEA wbudowany w system energetyczny
-Raytheon wbudowany w autopilota
-Krajowy regulator ARK-21
-Meramont KT-70M, odrysowany
-Cieplowniczy CO prod NRD R-302
-Schemat blokowy oraz psedokod regulatora krokowego.
W realizacji analogowej regulator krokowy z odtwarzaniem "polozenia organu wykonawczego" moze w ogole nie miec ukladu "anty wind up" co jest kolejna duza zaleta tego systemu !
W realizacji analogowej "przekaznik trojpolozeniowy" ma sporo elementow. W realizacji programowej jest prosty i szybki.
Gdy rozwazjac sprawe nie wiemy jaki uklad wybrac wybierzmy taki jaki sugeruja przeglady ukladow.
Zarowno w realizacji analogowej jak i programowej zwykle kosztowny jest Integrator. W ukladzie analogowym musi byc uzyty odpowiedni wzmacniacz operacyjny ( uklad BiFet jest z reguly troche drozszy od ukladu bipolarnego ale roznica ta przestaje byc istotna ) i duzy kondensator foliowy oraz rezystory o duzej wartosci. Odpowiedni musi byc material plyty drukowanej i jej zabezpieczenie powierzchni przed wilgocia.
W programie scalkowany sygnal jest 32 bitowy staloprzecinkowy lub zmiennoprzecinkowy !
Autor dla programowego regulatora krokowego PI stworzyl algorytm ( z odtwarzaniem ) nie wymagajacy ani zmiennego przecinka ani uzycia arytmetyki 32 bitowej. Jest przy tym bardzo szybki. Nie nawiazuje on wprost do ukladu analogowego i nie jest jego emulacja ! Dziala on inaczej ale efekt koncowy jest dokladnie taki sam !
Mnóstwo ciekawych informacji. Tego szukałam
OdpowiedzUsuńWitam Cieszę się że pomogłem
Usuń