PID’s afledte term kan forbedre reguleringsloopets ydeevne, men ofte med en omkostning

Derivativ er den tredje term i PID-regulatoren. I matematiske termer er ordet derivativ defineret som hældningen af en kurve. Set i sammenhæng med bånddiagramdata repræsenterer derivativ ændringshastigheden i fejl – forskellen mellem procesvariablen (PV) og setpunktet (SP). Ligesom de proportionale og integrale udtryk i en PID-regulator søger det afledte udtryk at korrigere for fejl. Selv om den tredje term kan være værdifuld med henblik på at opretholde en effektiv regulering, viser erfaringen, at det ikke er helt klart, hvordan derivativ skal anvendes.

Hver term i PID-regulatoren søger at supplere de andre og tilføjer gradvis værdi til styring af procesdynamikken. Mens den proportionale term måler, “hvor langt” PV er væk fra SP, og den integrale term summerer fejl for at bestemme, “hvor længe” PV har været væk fra SP, vurderer den afledte term, “hvor hurtigt” fejlen i processen ændrer sig. Efterhånden som fejlhastigheden enten øges eller mindskes, øges eller mindskes også størrelsen af den afledte respons. Dette aspekt af derivativ gør den ideel til nogle anvendelser, men den samme egenskab gør den helt upraktisk til de fleste industrielle anvendelser.

Når man overvejer brugen af derivativ, er det nyttigt at huske på følgende:

  • Målingens matematik

Og selv om “derivativ på fejl” er teknisk korrekt, er “derivativ på måling” den mere hensigtsmæssige form af PID-ligningen til industrielle anvendelser. Ud fra et praktisk synspunkt kan den matematik, der er forbundet med “derivative on error”, resultere i overdreven volatilitet – spidser i reguleringsudgangens adfærd, der ofte omtales som derivative kick. I modsætning hertil anvender “derivativ på måling” et niveau af følsomhed over for ændringer i SP, som er mere passende til praktiske anvendelser.

  • Turn Down the Noise

Støj er en tilfældig fejlkilde i PV-signalet. Støj udgør en betydelig udfordring for derivatet, da den ekstra, ophidsede variabilitet i PV-signalet resulterer i lige så ophidsede, derivatdrevne reaktioner på CO. Slutresultatet er typisk overdreven slitage på det tilknyttede reguleringssløjfs endelige reguleringselement (FCE). For de fleste praktikere overstiger omkostningerne ved det accelererende slid enhver forbedring af reguleringsloopets ydeevne, der opnås ved brug af derivat.

  • En lille verden

Da PV-volatilitet udgør praktiske udfordringer for derivat, bliver området for industrielle anvendelser ret snævert. Blandt de egnede sløjfer er de sløjfer, der anvendes til temperaturregulering, nogle sløjfer, der anvendes til pH-regulering, samt andre sløjfer, der kan karakteriseres som havende en høj grad af inerti. Dynamikken i sådanne sløjfer er langsom, og de gør det muligt for derivativ at korrigere fejl på passende vis. De fleste andre sløjfer – flow, tryk, niveau osv. – kan være for dynamiske, således at derivativ påvirker FCE og anden procesinstrumentering negativt.

  • For meget kompleksitet

Mens det er forholdsvis enkelt og ligetil at indstille en regulator, der kun anvender proportionale og integrale termer, er det vanskeligt at tilføje derivativ, hvis man tilføjer derivativ. Tilføjelsen af en tredje variabel udvider rækken af muligheder eksponentielt. Som følge heraf er der normalt behov for yderligere testning, hvilket kan medføre spild af begrænsede ressourcer og tab af produktivitet. Ofte er omkostningerne større end fordelene, men på trods af disse udfordringer kan afledte variabler spille en betydningsfuld rolle for at forbedre reguleringsloopens ydeevne. For at hjælpe med at evaluere fordelene og ulemperne ved afledning simulerer forskellige PID tuning softwarepakker responsen af de forskellige former for regulering (dvs. P-Only, PI, PID og PID med filter) og vurderer virkningen på den tilknyttede FCE. Det er dog vigtigt at bemærke, at de fleste softwareprodukter til justering af reguleringsloopet kæmper med at modellere støjende procesdata nøjagtigt. Det gælder især for produkter, der anvender frekvensbaseret modellering.

Med hensyn til den ekstra kompleksitet kan det være nyttigt med uddannelsesworkshops om best-practices for regulatorafstemning. De fleste beskriver i detaljer udfordringerne ved afledning og tilbyder samtidig løsninger, der er både gennemprøvede og praktiske. Og igen kan kommerciel tuningssoftware være nyttig og afbøde den ekstra vanskelighed. Især et produkt har vist sig at kunne håndtere støjende, stærkt svingende procesdynamik og kan levere forbedrede parametre til regulatorafstemning ved hjælp af procesdata i enten åben eller lukket kredsløb.