Dopředné řízení: Opět ne tak populární, jak se očekávalo

Obrázek 1: U klasického tříprvkového řízení výšky hladiny v nádobě slouží průtok páry jako dopředné řízení k regulaci výšky hladiny, takže průtok napájecí vody okamžitě kompenzuje změny požadavku na páru. Jedná se o běžné a oblíbené použití dopředného řízení v průmyslu, zejména díky jednoduchému modelu dopředného řízení, který má zisk 1,0 a okamžitou dynamiku. Ilustrace poskytla společnost APC Performance Obrázek 1: U klasického tříprvkového řízení výšky hladiny v nádobě slouží průtok páry jako dopředné řízení k regulaci výšky hladiny, takže průtok napájecí vody okamžitě kompenzuje změny požadavku na páru. Jedná se o běžné a oblíbené použití dopředného řízení v průmyslu, zejména díky jednoduchému modelu dopředného řízení, který má zisk 1,0 a okamžitou dynamiku. Ilustrace poskytla společnost APC Performance

Dopředné a zpětnovazební řízení: Víceparametrového řízení, jako je řízení s jednou smyčkou, lze dosáhnout primárně pomocí zpětnovazebního řízení a selektivního (nikoli plošného) použití dopředného řízení.

Všichni řídící technici se o dopředném řízení dozvěděli už na začátku svého vzdělávání a kariéry. Není složité a má potenciál bezproblémově potlačovat narušení procesu, aby neměla žádný vliv na regulovanou veličinu. To nedokážou ani ty nejlépe vyladěné zpětnovazební řídicí prvky.

U dopředného řízení se narušení procesu měří a převádí na změnu výstupu regulátoru, která je implementována ve fázi s narušením, čímž tento výstup narušení potlačí a regulovaná veličina pokračuje bez ovlivnění, v podstatě aniž by zaregistrovala tuto pomoc pozadí.

Bez dopředného řízení by stejné narušení procesu pohnulo s regulovanou veličinou, což by mělo za následek odchylku (chybu) procesu od požadované hodnoty a vyžadovalo by regulační zásah zpětnovazebního řízení, aby se postupem času narušení potlačilo, obvykle za použití známého algoritmu PID (proporcionální – integrační – derivační). To je přirozené omezení zpětnovazebního řízení: aby fungovalo, vyžaduje odchylku procesu. Naproti tomu dopředné řízení má v první řadě potenciál vzniku odchylky zabránit.

Dopředné řízení je silným nástrojem a základním konceptem řízení procesů, který podporuje téměř každý procesní řídicí prvek ve zpracovatelském průmyslu. Schopnosti dopředného řízení však využívá jen méně než 5 % všech nainstalovaných regulačních smyček. Proč se tak silný a dostupný nástroj tak málo využívá?

Procesní průmysl oceňuje spolehlivost: Dopředné řízení zvyšuje riziko

Zkušenosti s dopředným řízením v průmyslu za posledních 50 až 75 let nám říkají, že provozy průmyslových procesů kladou značný důraz na spolehlivost. Dopředné řízení, navzdory svým přednostem, zvyšuje u řídicí smyčky náklady, riziko a nároky na údržbu. Zvyšuje výdaje, protože je třeba poskytnout dopředné vstupy a modely (překlady výstupu). Zvyšuje riziko, protože výkon závisí na spolehlivosti přidaných vstupů a modelů, přičemž zejména modely se ukázaly jako obecně problematické a nespolehlivé.

Dopředné řízení zvyšuje nároky na údržbu vstupů a modelů a problémy s výkonem je obtížnější odstranit a diagnostikovat ve srovnání se samotnou smyčkou PID. Naproti tomu výkon zpětnovazebního řízení PID bez dopředného řízení je téměř vždy považován za uspokojivý, navzdory přirozené přechodové odchylce.

Vyvažováním těchto kompromisů v průběhu času se dospělo k tomu, že dopředné řízení se využívá jen zřídka a v průmyslu je značně opomíjeno. Vstupy používané pro dopředné řízení musejí být spolehlivé, stejně tak musejí být spolehlivé i modely a dopředné řízení musí přinášet významnou hodnotu. V celém procesním průmyslu běžně splňuje tato kritéria jedna aplikace: učebnicový příklad tříprvkové regulace výšky hladiny v nádobě kotle. V této aplikaci je vstupem rutinní měření průtoku páry. Model je mimořádně robustní (má pevný zisk 1,0 a okamžitou dynamiku, takže neexistuje žádný potenciál pro chybu zisku ani dynamiky) a přidaná hodnota je vysoká zejména proto, že zmírňuje obtížné dopady „zmenšování a zvětšování“ nádoby kotle v této kritické smyčce.

Při dopředném řízení, pokud dynamika modelu dopředného řízení není správná, existuje potenciální riziko, že se narušení zdvojnásobí namísto jeho potlačení, anebo riziko ještě horších výsledků, pokud není přesný ani zisk modelu. K ochraně před těmito nežádoucími důsledky se často využívá snížený zisk dopředného řízení, nicméně přesná a spolehlivá dynamika modelu je nenahraditelná.

CTL2009 MAG2 F1 APC AK Fig2 FiredHeaterTemperatureControlObrázek 2: Regulace teploty ohřívače s dopředným řízením na bázi vstupního průtoku teploty je v zásadě dobrým příkladem dopředného řízení, ale používá se jen zřídka kvůli obtížnosti spolehlivého poznání modelů dopředného řízení (prvního řádu plus doba nečinnosti /First‑Order Plus Deadtime – FOPDT/) a zavedení dalších vysílačů do kritické řídicí smyčky. Lidé obecně raději akceptují další přechodovou odchylku teploty při změně vstupních podmínek, než aby přijali zvýšené riziko a údržbu u dopředného řízení

Historie se opakuje: Víceparametrové řízení na bázi modelu

Zkušenosti s víceparametrovým řízením na bázi modelu (MPC) již od 80. let 20. století zdůrazňují tyto historické lekce dopředného řízení s jednou smyčkou. MPC lze považovat za dopředné řízení na steroidech – využívá dopředné modely pro každé umístění matice. Tam, kde procesní průmysl na základě zkušeností tradičně využívá modely dopředného řízení z méně než 5 %, MPC je využívá ze 100 %.

Stejně jako dříve u dopředného řízení s jednou smyčkou byla i u MPC zpočátku vysoká očekávání, že jednou provždy vyřeší spolehlivost výkonu řízení procesu. Namísto toho navýšilo nároky na podporu a údržbu na úroveň, o které dříve nikdo ani nesnil. Procesní průmysl s tím dodnes zápasí a shledává úroveň podpory a údržby MPC téměř neudržitelnou, nicméně není ochoten vzdát se příslibu víceparametrového řízení s uzavřenou smyčkou. Naštěstí si procesní průmysl uvědomuje, že u víceparametrového řízení, stejně jako u řízení s jednou smyčkou, lze spolehlivosti dosáhnout primárně pomocí zpětnovazebního řízení a selektivního (nikoli plošného) použití dopředného řízení.

Allan Kern, PE, je vlastník společnosti APC Performance. Upravil Mark T. Hoske, obsahový ředitel časopisu Control Engineering, CFE Media and Technology, 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