Automatic re-tuning of poor-performing PI-based control systems

Abstract

The goal of the work is to create a new method for automatic re-tuning of PI controllers. It is achieved by solving the following problems. The first problem is to develop a method to identify a FOPDT estimation model by analyzing the dynamics of a control loop with a PI controller. The second problem is to demonstrate that the use of the estimated model allows to obtain better processes in control systems with PI controllers by comparing the resulting FOPDT model with a number of reduced models. The third problem is to develop a five-stage algorithm for automatic re-tuning of PI controllers. The fourth problem is to verify the software implementation of the developed algorithm. The most significant result was that the basis for estimating the FOPDT model in a loop with a Ziegler-Nichols tuned PI controller was the estimation the ratio of the delay to the time constant of the FOPDT model based on an assessment of the process overshoot. When the real control plant dynamics did not match with the dynamics of the FOPDT model this way was found effective for finding the optimal tuning of the PI controller. The significance of the results obtained was a structural robustness in case of estimated FOPDT model usage. The effectiveness of the procedure has been demonstrated on both linear and nonlinear models. The developed procedure is proposed to be used to automate the procedure of re-tuning SISO control systems when the control loop performance degradation has been detected.

Scopul lucrării este de a crea o nouă metodă de reglare automată a controlerelor PI. Se realizează prin rezolvarea următoarelor probleme. Prima problemă este elaborarea unei metode de identificare a unui model de estimare FOPDT prin analiza dinamicii unui contur de control cu un controler PI. A doua problemă este de a demonstra că utilizarea modelului estimat permite obținerea unor procese mai bune în sistemele de control cu controlere PI prin compararea modelului FOPDT rezultat cu un număr de modele reduse. A treia problemă este elaborarea unui algoritm în cinci etape pentru reglarea automată a controlerelor PI. A patra problemă este verificarea implementării software a algoritmului elaborat. Cel mai semnificativ rezultat a fost că baza pentru estimarea modelului FOPDT într-un contur cu un controler PI reglat Ziegler-Nichols a fost estimarea raportului dintre întârzierea și constanta de timp a modelului FOPDT pe baza unei evaluări a depășirii procesului. Atunci când dinamica reală a centralei de control nu se potrivea cu dinamica modelului FOPDT, acest mod a fost gasit eficient pentru găsirea reglajului optim al controlerului PI. Semnificația rezultatelor obținute a fost o robustețe structurală în cazul utilizării estimate a modelului FOPDT. Eficacitatea procedurii a fost demonstrată atât pe modele liniare, cât și pe cele neliniare. Procedura elaborată este propusă pentru a fi utilizată pentru a automatize procedura de reajustare a sistemelor de control SISO atunci când a fost detectată degradarea performanței conturului de control.

Целью работы является создание нового метода автоматической перенастройки ПИ-регуляторов. Поставленная цель достигается за счет решения следующих задач. Первая задача состоит в разработке метода идентификации оценочной модели в виде звена первого порядка с запаздыванием (FOPDT), анализируя динамику контура управления с ПИ-регулятором. Вторая задача состоит в сравнении полученной FOPDT модели с рядом редуцированных моделей, с целью демонстрации того, что использование оцененной модели дает возможность получения лучших процессов в системах управления с ПИ-регуляторами. Третья задача состоит в разработке пятиэтапного алгоритма автоматической перенастройки ПИ-регуляторов. Четвертая задача состоит в проверке функционирования программной реализации разработанного алгоритма. Наиболее существенными результатом является то, что. основой для оценки FOPDT модели в контуре с ПИ-регулятором, настроенным по Циглеру-Николсу, является оценка величины отношения времени запаздывания к постоянной времени FOPDT модели на основе оценки перерегулирования процесса. При несовпадении реальной динамики объекта управления с динамикой FOPDT модели именно полученное таким образом отношение является эффективным для поиска оптимальных настроек ПИ-регулятора. Значимость полученных результатов состоит в том, что сравнение динамики системы управления при использовании FOPDT модели, полученной из замкнутой системы управления с ПИ-регулятором, и динамики систем управления, в которых ПИ-регулятор управляет моделями высокого порядка, показывает выраженную структурную робастность, по сравнению с использованием для настройки моделей, полученной методами редукции. Эффективность процедуры показана как на линейной, так и на нелинейной моделях. Предложенную процедуру предлагается использовать для автоматизации процедуры перенастройки одноконтурных систем управления при выявлении факта деградации качества управления в процессе ее функционирования на технологическом объекте.