Co je to rychlostně prediktivní řízení?

Rychlostně prediktivní řízení (RPC) používá přednastavenou rychlost pohybu a zpomaluje pohyb na základě predikované (zjevné nebo již projevené) hodnoty RV. Americký úřad pro patenty a ochranné známky (USPTO) má stovky patentů pro řízení procesů. V okamžiku tvorby tohoto článku je RPC jediným přirozeně adaptivním algoritmem. Obrázek poskytla společnost APC Performance Rychlostně prediktivní řízení (RPC) používá přednastavenou rychlost pohybu a zpomaluje pohyb na základě predikované (zjevné nebo již projevené) hodnoty RV. Americký úřad pro patenty a ochranné známky (USPTO) má stovky patentů pro řízení procesů. V okamžiku tvorby tohoto článku je RPC jediným přirozeně adaptivním algoritmem. Obrázek poskytla společnost APC Performance

Nový řídicí algoritmus, rychlostně prediktivní řízení (Rate-Predictive Control – RPC), nevyužívá PID a je adaptivní vůči změnám procesního zesílení, což je užitečné vzhledem ke komplikované průmyslové historii ladění smyček, automatického ladění a údržby modelů.

Většina lidí ve sféře řízení procesů se smířila s tím, že algoritmus PID (proporcionální – integrační – derivační), navzdory všem jeho vrtochům, pravděpodobně nikdy nic nenahradí na pozici průmyslového standardu řízení s jednou smyčkou. Nedávno patentovaný vynález, označovaný jako rychlostně prediktivní řízení (Rate-Predictive Control – RPC), z mnoha důvodů vyvolává zájem akademické obce i odborníků z praxe. Algoritmus RPC je:

  • nový a inovativní řídicí algoritmus (nikoli variace PID) s pozoruhodnými výhodami;
  • adaptivní vůči změnám procesního zesílení, což je mezníkem vývoje vzhledem k dlouhé a komplikované historii ladění smyček, automatického ladění, údržby modelů a souvisejících výzev;
  • vhodný jako bezmodelový zpětnovazební víceparametrový řídicí algoritmus, což je něco, co v současnosti stále chybí; víceparametrovým řízením se bude zabývat další článek.

Jak RPC funguje?

RPC je jednodušší a intuitivnější než PID. Klíčem k pochopení RPC je vnímat jeho jednoduchý mechanismus, není nutné rozebírat jeho matematický aparát. Nicméně jeho matematický aparát je jednodušší než u PID nebo řízení na bázi modelu.

Grafika znázorňuje, jak RPC funguje. V čase nula se žádaná hodnota zvýší o 10 %. V reakci na to začne RPC zvyšovat výstup s přednastavenou rychlostí pohybu (v tomto příkladu 1 % za sekundu). Při každém regulačním zásahu RPC vypočítá aktuální rychlost změny regulované veličiny (RV) a predikovanou budoucí hodnotu. S tím, jak se predikovaná hodnota blíží žádané hodnotě, se pohyby zpomalují a jsou zastaveny, aby se RV nakonec ustálila přesně na cílové hodnotě na základě procesní dynamiky prvního řádu.

Predikční doba RPC je parametr ladění nastavený podobným způsobem jako integrační doba (nebo lambda) a je často roven nebo o něco delší než skutečná 63% časová konstanta procesu (T63) pro zajištění plynulého a spolehlivého přibližování k žádané hodnotě s malým nebo žádným přejetím nebo oscilací.

Přednastavená rychlost pohybu je zvolena na základě zkušeností a bezpečné provozní praxe a může být považována za rychlostní limit procesu nebo bezpečný jízdní návyk, i když RPC není omezeno na jednu rychlost. Rychlost pohybu může být dynamicky nastavena tak, aby splňovala různá kritéria pro chování řízení. Lze například aplikovat násobitel rychlosti pohybu, když jsou překročeny limity omezení a rychlost pohybu je dynamicky upravována v pásmu zpomalování RPC.

Jakmile se predikce blíží žádané hodnotě, je míra zaoblování ve výstupním trendu funkcí pásma zpomalování RPC. Pásmo zpomalování slouží ke snižování rychlosti pohybu, když se predikovaná hodnota blíží žádané hodnotě, takže rychlost pohybu jde k nule, když se odchylka blíží k nule.

Je to analogické způsobu, jakým by operátor při regulaci v manuálním režimu snižoval velikost kroku při přibližování k žádané hodnotě. Pásmo zpomalování RPC přináší spolehlivé chování řízení i při nelineárních faktorech praktického provozu, jako je variabilita odezvy procesu, doba necitlivosti, inverzní odezva apod.

Algoritmus RPC je ovlivněn dobou necitlivosti v zásadě stejným způsobem jako PID, takže smyčky s dominantní dobou necitlivosti (doba necitlivosti >> T63) zůstávají speciální výzvou. Dynamické řízení doby necitlivosti algoritmem RPC je však novou metodou, která může zlepšit řízení smyček s dominantní dobou necitlivosti.

Na první pohled je patrné, že mechanismus RPC je přirozeně adaptivní vůči změnám procesního zesílení. Pokud se například procesní zesílení zvýší, odezva procesu bude větší, predikční vektory budou zasahovat dále a pohyby budou náležitě zpomaleny a zastaveny dříve, takže se regulovaná veličina ustálí přímo na cílové hodnotě. Ze stejného důvodu je algoritmus RPC přirozeně adaptivní vůči změnám přednastavené rychlosti pohybu, takže může být libovolně manuálně laděn nebo dynamicky upravován tak, aby splňoval různá kritéria na vysoký výkon.

Za zmínku stojí několik výhod algoritmu RPC pro řízení procesů.

RPC je přirozeně adaptivní vůči změnám procesního zesílení. To je důležité pro průmysl, kde se výrazy ladění, přeladění a odladění používají zhruba ve stejné míře. Automatické ladění zdaleka nesplnilo naděje a očekávání průmyslu. Řízení na bázi modelu se asi nejvíce proslavilo svými vysokými nároky na údržbu modelu.

Všechny tyto neslavné zkušenosti vycházejí ze stejné příčiny – často a dynamicky se měnící procesní zesílení, pro které může být přínosná přirozeně adaptivní metoda.

RPC je také přirozeně adaptivní vůči změnám rychlosti pohybu, což znamená, že rychlost pohybu lze libovolně manuálně ladit podle požadovaného chování smyčky nebo dynamicky upravovat pomocí vestavěných doplňkových funkcí RPC pro dosažení různých kritérií na vysoký výkon.

RPC je citlivější na počáteční chybu a je stabilnější, když se RV vrací na žádanou hodnotu, protože používá predikovanou (zjevnou nebo již projevenou) hodnotu RV, nikoli pouze aktuální hodnotu.

Například běžný regulátor PID může vidět malou počáteční chybu, zatímco RPC může vidět větší chybu a udělat mnohem větší pohyb dříve tím, že vezme v úvahu rychlost změny RV a predikovanou hodnotu. Ze stejného důvodu je RPC stabilnější a spolehlivější při návratu RV na žádanou hodnotu s malým nebo žádným přejetím nebo oscilací. Pro operátory řídicího systému vypadá RPC stejně jako tradiční regulátor PID, tj. má RV, žádanou hodnotu, výstup a režim, takže jej lze bezproblémově zavést do provozu a prostředí řídicího systému. Pro řídící techniky je snazší a intuitivnější naučit se pracovat s řízením RPC.

Další aplikace ladění

Řízení RPC je univerzální a lze jej naladit na jiné typy chování. Například klasická minimalizace chyb nebo čtvrtinové tlumení amplitudy může být zajištěno použitím vysoké rychlosti pohybu a krátké predikční doby. RPC (podobně jako PID) funguje „tak, jak je“ pro integrační a neintegrační proměnné. Pro smyčky, kde je skutečně velmi vysoké „rychlostní omezení“ (není neobvyklé u řízení s jednou smyčkou, ale vzácné u víceparametrového řízení), lze velkou rychlost pohybu kombinovat se širokým pásmem zpomalení pro dosažení velké odezvy daleko od žádané hodnoty a zpomalovat na bezpečnou rychlost při přibližování k žádané hodnotě.

Algoritmus RPC je „bezmodelový“, což je jiný způsob, jak říci, že je přirozeně adaptivní. Nepoužívá procesní model (ani se nesnaží „zavést svůj vlastní“, jako například u automatického ladění nebo adaptivního modelování). RPC se opírá pouze o směr zesílení, což je ekvivalentní řídicímu zásahu PID (přímé nebo zpětné) nebo znaménku zesílení (kladné nebo záporné). Směr zesílení je nejzákladnější a neměnný aspekt každého modelu.

RPC využívá čas odezvy procesu (T63), ale ten může být laděn intuitivně (podobně jako integrační doba, lambda nebo doba odezvy uzavřené smyčky) spíše než detailně (jako u řízení na bázi modelu). Výkon RPC je mírně ovlivněn změnou skutečné hodnoty T63.

Směr zesílení a přibližná rychlost odezvy jsou minimální informace nezbytné pro efektivní řízení jakékoli smyčky. Podrobnější informace o modelu mohou být zavedeny pro získání další výhody, ale zároveň to přináší větší náklady, rizika a nutnost údržby. Z tohoto hlediska poskytuje řízení RPC obezřetný a robustní kompromis mezi jednoduchostí, výkonem a spolehlivostí.

Allan Kern je vlastník a konzultant společnosti APC Performance. Upravil Mark T. Hoske, obsahový ředitel, Control Engineering, CFE Media, Tato e-mailová adresa je chráněna před spamboty. Pro její zobrazení musíte mít povolen Javascript..

Control Engineering Česko

Control Engineering Česko je přední časopis o průmyslové automatizaci. Je vydáván v licenci amerického Control Engineering, které poskytuje novinky z této oblasti více než 60 let.

www.controlengcesko.com