PID-säädön ja ennustavan prosessimallipohjaisen säädön vertailu lämmönvaihdinprosessissa
Tamminen, Joel (2019)
Tamminen, Joel
2019
All rights reserved. This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:amk-2019081217792
https://urn.fi/URN:NBN:fi:amk-2019081217792
Tiivistelmä
PID-säädin on teollisuudessa yleisimmin käytetty säädin. Jos prosessin vasteessa on pitkä viive suhteessa aikavakioon, on tavanomaisen PID-säädön virittäminen optimaaliseksi
vaikeaa. Smithin prediktori on yksi ratkaisu viiveen kompensointiin. Jyväskylän Ammattikorkeakoulun energiatekniikan laboratorion lämmönvaihdinprosessissa tätä ilmiötä voitiin tutkia ja rakentaa demonstraatio Smithin ennustajasta, sillä prosessissa on pintalämpötilamittaus pitkällä mittausviiveellä. Tavoitteena oli mallintaa koulun lämmönvaihdinprosessi kokeellisesti, todeta mallin hyvyys, toteuttaa simulaatio prosessista, toteuttaa mahdollisimman hyvä PI-säätö ja Smithin prediktori, sekä virittää säätimet. Lopuksi säätimien toimintaa verrattiin keskenään sekä simuloituja tuloksia todellisen prosessin tuloksiin. Säätöihin päätettiin myös lisätä adaptiivinen säätöparametrien päivittäminen.
Lämpötilan prosessimalli mallinnettiin useilla askelvastekokeilla ja Excelin kaavaansovitusta hyödyntäen. Lisäksi askelvastekokeilla mallinnettiin simulaattoria varten virtauksen prosessimalli. Säätöpiirit suunniteltiin Matlab- ja Simulink-ohjelmistoilla. Käytännön säätöpiirit ja valvomo tehtiin koulun Metso DNA järjestelmän FBCad- ja Picture Designer työkaluilla. Prosessi saatiin mallinnettua melko hyvin prosessissa esiintyviä häiriöitä lukuun ottamatta. Tuloksena saatiin aikaan melko hyvä simulaatio prosessista sekä toimiva demonstraario Smithin prediktorista. Säätimien viritys jäi hieman kesken, sillä adaptiivisuus ei toiminut odotetusti. Smithin prediktori kompensoi viiveen hyvin JAMK:n lämmönvaihdinprosessissa. Pitkän mittausviiveen aiheuttama epästabiilisuus tavanomaisessa PID-säädössä oli huomattavissa ja Smithin prediktorilla säätöstä saatiin stabiilimpi ja nopeampi. Käytännön tulokset vastasivat aikaisempia tutkimuksia ja kirjallisuutta aiheesta. Opinnäytetyön tuloksena saatu säätöratkaisu on sovellettavissa opetuskäyttöön, sekä esimerkiksi teollisuuden prosesseihin, joihin liittyy mittausteknisiä rajoitteita. PID controller is the most common controller used in industry. If the process has long
delay time in feedback, the tuning of a basic PID controller becomes difficult. Smith predictor is the solution for compensating the delay in feedback. For studying energy technology, JAMK has laboratory giving opportunity to demonstrate Smith predictor and research the effect of feedback delay in PID controller because the heat exchanging process includes temperature measurement with a long feedback delay. The objective was to create experimentally a process model for the heat exchanging process, examine how good the process model is, design a simulation of the control loop, design a basic PI controller loop, design Smith predictor and tune controllers. Both controllers were compared as well the results of the simulator compared to the real process. Adaptive tuning parameters were added to both controllers.
The model for temperature process was created with step response tests and using “add trendline” function in Excel. Step response tests were also used for creating a model of the flow process for the simulator. Control loops were designed using Matlab and
Simulink programs. Control loops and control room pictures for the process were created using FbCAD and Picture designer tools included in Metso DNA automation system in JAMK.
As a result, the process model of the heat exchanging process worked fine as did the
created simulation (exluding simulation and modeling of disturbances that were present in process). Tuning of control was not finished, because the adaptive control did not work like expected. Smith predictor compensated the feedback delay well in heat exchanging process. The instability of the basic PI control loop caused by feedback delay was
noticeable, and the control with Smith predictor was more stable and faster. The results corresponded to the earlier studies of this subject. The result of this thesis is applicaple for educational purposes and real-world systems with limitations in measurements.
vaikeaa. Smithin prediktori on yksi ratkaisu viiveen kompensointiin. Jyväskylän Ammattikorkeakoulun energiatekniikan laboratorion lämmönvaihdinprosessissa tätä ilmiötä voitiin tutkia ja rakentaa demonstraatio Smithin ennustajasta, sillä prosessissa on pintalämpötilamittaus pitkällä mittausviiveellä. Tavoitteena oli mallintaa koulun lämmönvaihdinprosessi kokeellisesti, todeta mallin hyvyys, toteuttaa simulaatio prosessista, toteuttaa mahdollisimman hyvä PI-säätö ja Smithin prediktori, sekä virittää säätimet. Lopuksi säätimien toimintaa verrattiin keskenään sekä simuloituja tuloksia todellisen prosessin tuloksiin. Säätöihin päätettiin myös lisätä adaptiivinen säätöparametrien päivittäminen.
Lämpötilan prosessimalli mallinnettiin useilla askelvastekokeilla ja Excelin kaavaansovitusta hyödyntäen. Lisäksi askelvastekokeilla mallinnettiin simulaattoria varten virtauksen prosessimalli. Säätöpiirit suunniteltiin Matlab- ja Simulink-ohjelmistoilla. Käytännön säätöpiirit ja valvomo tehtiin koulun Metso DNA järjestelmän FBCad- ja Picture Designer työkaluilla. Prosessi saatiin mallinnettua melko hyvin prosessissa esiintyviä häiriöitä lukuun ottamatta. Tuloksena saatiin aikaan melko hyvä simulaatio prosessista sekä toimiva demonstraario Smithin prediktorista. Säätimien viritys jäi hieman kesken, sillä adaptiivisuus ei toiminut odotetusti. Smithin prediktori kompensoi viiveen hyvin JAMK:n lämmönvaihdinprosessissa. Pitkän mittausviiveen aiheuttama epästabiilisuus tavanomaisessa PID-säädössä oli huomattavissa ja Smithin prediktorilla säätöstä saatiin stabiilimpi ja nopeampi. Käytännön tulokset vastasivat aikaisempia tutkimuksia ja kirjallisuutta aiheesta. Opinnäytetyön tuloksena saatu säätöratkaisu on sovellettavissa opetuskäyttöön, sekä esimerkiksi teollisuuden prosesseihin, joihin liittyy mittausteknisiä rajoitteita.
delay time in feedback, the tuning of a basic PID controller becomes difficult. Smith predictor is the solution for compensating the delay in feedback. For studying energy technology, JAMK has laboratory giving opportunity to demonstrate Smith predictor and research the effect of feedback delay in PID controller because the heat exchanging process includes temperature measurement with a long feedback delay. The objective was to create experimentally a process model for the heat exchanging process, examine how good the process model is, design a simulation of the control loop, design a basic PI controller loop, design Smith predictor and tune controllers. Both controllers were compared as well the results of the simulator compared to the real process. Adaptive tuning parameters were added to both controllers.
The model for temperature process was created with step response tests and using “add trendline” function in Excel. Step response tests were also used for creating a model of the flow process for the simulator. Control loops were designed using Matlab and
Simulink programs. Control loops and control room pictures for the process were created using FbCAD and Picture designer tools included in Metso DNA automation system in JAMK.
As a result, the process model of the heat exchanging process worked fine as did the
created simulation (exluding simulation and modeling of disturbances that were present in process). Tuning of control was not finished, because the adaptive control did not work like expected. Smith predictor compensated the feedback delay well in heat exchanging process. The instability of the basic PI control loop caused by feedback delay was
noticeable, and the control with Smith predictor was more stable and faster. The results corresponded to the earlier studies of this subject. The result of this thesis is applicaple for educational purposes and real-world systems with limitations in measurements.