PID

PID ist ein Modul, das nach dem P-I-D Algorithmus einen Regler realisiert.

Projekt-Status

Das neue Modul befindet sich in der Evaluations-Phase und ist noch nicht für produktiven Einsatz freigegeben. Die nachfolgenden Ausführungen dienen zur Spezifizierung der neuen geplanten Funktionalitäten.

Features

• einstellbarer Bewertungs-/Berechungszyklus
• Überwachung des Istwert-Gebers über dessen Zeitstempel (Sensorausfall)
• Skalierbarkeit der Ausgabehäufigkeit an das Stellglied über Zeit und Mindeständerung
• Zwangsausgabe an das Stellglied nach Ablauf eines einstellbaren Zeitintervalls
• Notstellung des Stellgliedes, falls Istwert-Geber ausgefallen ist
• Begrenzung des Stellbereiches nach oben und unten
• Festlegung der Nachkommastellen (0..5) des Ausgabewertes zum Stellglied
• Festlegen einer minimalen Regelabweichung, ab der der Regler aktiv wird
• Festlegen des Reading-Namens für den Sollwert
• Festlegen des Reading-Namens für den Istwert
• Invertierung des Reglerwirksinnes
• Festlegen der minimalen Aktualisierungsrate der Readings
• Festlegen der Proportionalitätskonstanten P,I,D

Define

bisher:

  define <name> PID sensor[:reading:regexp] actor[:cmd:min:max] [p i d]

neu:

 define <name> PID sensor[:reading:regexp] actor:cmd 

Begründung

• die p,i,d Faktoren werden in den Attributen definiert (pidFactor_P,pidFactor_I,pidFactor_D )
• min,max wird ebenfalls in den Attributen (pidActorLimitLower,pidActorLimitUpper)

Attribute

Parameter	Wertebereich	Default	Beschreibung
pidActorValueDecPlaces	[0..5]	0	Anzahl der Nachkommstellen für Ausgabewert zu Aktor
pidActorInterval	uint	180	minimale Wartezeit in Sekunden, bis eine neue Ausgabe an das Stellglied erfolgen kann
pidActorThreshold	uint	1	Notwendige minimale Änderung zum Altwert der Stellgliedausgabe, damit diese erneut erfolgt
pidActorErrorAction	[freeze, errorPos]	freeze	legt das Verhalten der Ausgabe zum Stellglied fest, wenn der Istwert nicht innerhalb von <pidSensorTimeout> aktualisiert wurde (Sensor-Ausfall) freeze: Position des Stellgliedes beibehalten ErrorPos: Position anfahren, die unter Attribut <pidActorErrorPos> angegeben ist."
pidActorErrorPos	int	0	Diese Position ist einzunehmen, wenn pidActorErrorAction auf errorPos steht und der Istwert-Geber ausgefallen ist.
pidActorKeepAlive	uint	1800	Spätestens nach dieser Zeit erfolgt eine Zwangsausgabe an das Stellglied (wenn PID nicht disabled und nicht stopped)
pidActorLimitLower	float	0	untere Begrenzung für das Stellglied
pidActorLimitUpper	float	100	obere Begrenzung für das Stellglied
pidCalcInterval	uint	60	Berechnungszyklus in Sekunden, nach dem die PID-Berechnung durchgeführt wird.
pidDeltaTreshold	uint	0	wenn die Regeldifferenz(delta) kleiner al pidDeltaThreshold,, dann wird der Regler eingefroren (state= idle)
pidDesiredName	string	desired	Name für das Reading, das den Sollwert für den Regler aufnehmen soll
pidMeasuredName	string	measured	Name für das Reading, das den Istwert für den Regler aufnehmen soll
pidSensorTimeout	uint	3600	Zeitlimit in Sekunden, nach dessen Überschreitung der Ausfall des Istwert-Gebers anzunehmen ist
pidReverseAction	[0,1]	0	Umgekehrter Wirksinn des Reglers
pidUpdateInterval	uint	300	Zeitlimit in Sekunden, nach der ein Zwangsupdate der Readings erfolgen muss (Kurvendarstellung).
pidFactor_P	pos. float	25	Proportionalitätskonstante für P-Anteil
pidFactor_I	pos. float	0,25	Proportionalitätskonstante für I-Anteil
pidFactor_D	pos. float	0	Proportionalitätskonstante für D-Anteil
disable	[0,1]	0	Freigabe/Sperren des Reglers

Readings

• actuation liefert den tatsächlichen Ausgabewert an das Stellglied
• actuationCalc liefert den internen Rechenwert des Ausgabewertes für das Stellglied(ohne Begrenzung)
• delta, die aktuelle Regeldifferenz
• desired (Name ist variabel), der Sollwert
• measured (Name ist variabel), der aktuelle Wert vom Istwertgeber
• p_p, der P-Anteil des Ausgabewertes für das Stellglied
• p_i, der I-Anteil des Ausgabewertes für das Stellglied
• p_d, der D-Anteil des Ausgabewertes für das Stellglied
• state, der Betriebszustand des Reglers

delta

  delta = desired - measured (also Sollwert-Istwert)

actuation

actuation = actuationCalc

jedoch begrenzt durch pidActorLimitLower und pidActorLimitUpper und formatiert via pidActorValueDecPlaces

actuationCalc

Der Ausgabewert für das Stellglied wird wie folgt berechnet

  actuationCalc = p_d + p_i + p_d

state

state	Erläuterung
disabled	PID-Instanz ist inaktiv
initializing	Modul wurde initialisiert
idle	Berechnung ist inaktiv
processing	Berechnung ist aktive, Normalbetrieb
alarm	Ausnahmezustand, z.B. Timout des Istwert-Gebers

Hintergrund-Informationen

list <pid-name>

Internals:

  DEF        DG.BAD.TF PID.Actor:state
  NAME       PID.PID
  NR         616
  NTFY_ORDER 50-PID.PID
  STATE      processing
  TYPE       PID
  Readings:
    2013-10-20 17:13:41   actuation       97
    2013-10-20 17:21:42   actuationCalc   97.2079999999999
    2013-10-20 17:21:42   delta           0.199999999999999
    2013-10-20 17:13:41   desired         22
    2013-10-20 17:13:41   measured        21.8
    2013-10-20 17:21:42   p_d             0
    2013-10-20 17:21:42   p_i             92.2079999999999
    2013-10-20 17:21:42   p_p             4.99999999999998
    2013-10-20 17:21:42   state           processing
  Helper:
    actor      PID.Actor
    actorCommand state
    actorErrorAction freeze
    actorErrorPos 0
    actorInterval 300
    actorKeepAlive 1800
    actorLimitLower 0
    actorLimitUpper 100
    actorThreshold 4
    actorTimestamp 2013-10-20 17:13:41
    actorValueDecPlaces 0
    calcInterval 60
    deltaGradient 0
    deltaOld   0.199999999999999
    deltaOldTS 2013-10-20 17:18:07
    deltaTreshold 0
    desiredName desired
    disable    0
    factor_D   0
    factor_I   0.25
    factor_P   25
    isWindUP   0
    measuredName measured
    reading    temperature
    regexp     ([\d\.]*)
    reverseAction 0
    sensor     DG.BAD.TF
    sensorTimeout 3600
    updateInterval 600
 Attributes:
  pidActorInterval 300
  pidActorTreshold 4
  pidActorValueDecPlaces 0
  room       PID
  verbose    4

Anti-WindUp-Strategie

Der integrale Anteil des PID-Reglers wird ohne Gegenmassnahmen auch dann weiter integriert, wenn das Stellglied bereits an seine Grenzen gestossen ist. Dies hat den Nachteil, dass nach einer Reduzierung der Regeldifferenz lange Wartezeiten entstehen können, bis das Stellglied reagiert. Dies nennt man den WindUP-Effekt. Hierzu wurde die folgende Strategie entwickelt:

Sobald das rechnerische Stellsignal (Ventilstellung Calc=actuationCalc) die obere Grenze des Stellgliedes überschreitet (pidActorLimitUpper) oder die untere Grenze unterschreitet (pidActorLimitLower), wird die Integration des I-Anteils eingefroren.

Am Beispiel:

An Position L1 überschreitet der rechnerische Ausgabewert des Stellgliedes die obere Grenze (100%). Der I-Anteil verändert sich nicht mehr bis zur Position L2. Hier unterschreitet der Augabewert die obere Grenze, der I-Anteil kann wieder verändert werden.

Weblinks

• Forumseintrag zur Überarbeitung des Moduls ab 2013/09
• Wikipedia Regler