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Stop the Madness: el método de ajuste del controlador Zeigler-Nichols

Ingeniero de sala de control de planta

Si usted es un ingeniero de control o de procesos, entonces probablemente haya pasado más tiempo del que le importa admitir el ajuste de los bucles PID, ¡desde luego que sí! Me estremezco al recordar algunos de los diferentes métodos que probé: una combinación de procedimientos de prueba y prueba pasados ​​o recogidos de un trabajo a otro. Afortunadamente, me presentaron técnicas adecuadas antes de dañar algo ... ¡o a alguien!

La mayoría de las veces, Process Control se enseña en la universidad como parte del plan de estudios de Ingeniería Química. Si bien la mayoría de los ingenieros se gradúan con otro título, como Eléctrico o Mecánico, una buena parte de esos mismos estudiantes finalmente encuentra un controlador PID. Ese curso de control puede marcar una gran diferencia ya que puede delinear una variedad de métodos para realizar pruebas efectivas, calcular un modelo de proceso y ajustar un objetivo de control específico. Estos métodos tienden a ser muy calculados y no se enfocan en el mundo real. Un enfoque que siempre me parece peculiar es Zeigler-Nichols (ZN).

Es curioso cómo el método ZN aparece de forma rutinaria en las discusiones mantenidas entre y entre los ingenieros de proceso, como si fuera su enfoque de partida para cada ciclo. Por buenas razones, algunas muy obvias, no debería ser el método correcto, sin importar cuán simples sean los pasos, los resultados rara vez son lo suficientemente buenos. Considere estas tres razones (3) en cuanto a por qué ese es el caso:

  • Desafío Quarter Decay

    La mayoría de las veces, los practicantes se refieren al método ZN en términos de su resultado objetivo: ¼ decaimiento. Básicamente, el método ZN comienza con el exceso, lo que significa que acepta el exceso como punto de partida. Solo entonces busca reducir el nivel de sobreimpulso, disminuyéndolo en 25% con cada ciclo.

    Para muchos procesos, el rebasamiento simplemente no es aceptable. Como un ejemplo: considere los procesos de biorreactor donde los organismos cultivados son susceptibles a picos de temperatura significativos. ZN no cumple el requisito de rechazo de perturbaciones asociado con esos y otros procesos sensibles. Demasiadas veces he visto un decaimiento en el cuarto en una respuesta al proceso: ya no es lo suficientemente bueno ya que cualquier sobreimpulso está desperdiciando una combinación de energía, tiempo y materiales y lo desperdicia en cada respuesta sin importar cuán pequeña sea.
zeigler nichols control guru

La tendencia anterior muestra la duplicación repetida de la ganancia del controlador del bucle para inducir oscilaciones que finalmente limitan con la inestabilidad. Tal enfoque de prueba y error puede ser costoso.

  • Costos de prueba y error

    Al calcular los parámetros del modelo usando ZN, es necesario identificar primero el punto de inflexión a lo largo de una curva de respuesta. Usando ese punto, se usa una línea tangente que representa la pendiente máxima de la variable de proceso para estimar el valor de ganancia de proceso (KP). Entonces la ganancia de controlador asociada (KC) se debe aumentar metódicamente para inducir un comportamiento oscilatorio casi inestable.

    Dado el estado actual de la técnica con el proceso y el software, parece contradictorio que los profesionales deban confiar en una práctica de prueba y error como esta. Cuando un método establece la expectativa de que se deben esperar múltiples intentos, es cuando un técnico o ingeniero debe comenzar a buscar otras opciones. Eso debería ser especialmente cierto cuando se trata de procesos lentos, ya que la prueba y el error pueden ser costosos.
  • Inestabilidad o locura

    Revisemos este último: para sintonizar un bucle, el método ZN dirige a los profesionales a llevar sus procesos al borde de la inestabilidad. Con una comprensión del punto de inflexión entre la estabilidad y la inestabilidad, esos mismos profesionales deberían ajustar el valor de KP para que las oscilaciones disminuyan constantemente y el proceso finalmente llegue a un estado estable.

    Permítanme simplemente preguntar: ¿Qué podría salir mal? Si bien el método busca establecer el punto de ruptura entre un proceso estable y otro inestable, poner en riesgo un proceso, o incluso toda la planta, no es una práctica aceptable. Lo que puede salir mal será y ... ¡Normalmente lo hace! Dejar un proceso justo fuera de su punto de inflexión de estabilidad necesita una buena justificación y comprensión de su ubicación en el proceso general, no solo porque estaba "en el método".

Haga una búsqueda rápida en Internet de artículos sobre ZN y es probable que descubra que la mayoría comienzan con advertencias. No aplique el método ZN si el proceso tiende a oscilar cuando el ciclo se opera en modo manual. No aplique el método ZN para bucles de temperatura u otros que puedan considerarse inestables. No aplique ZN si el elemento de control final asociado está sujeto a Stiction. Lo que probablemente no encontrará es un artículo que aboga por el uso de ZN. Intentar aplicar un método que genere tantas señales de alarma debería usarse con extrema precaución con una comprensión y consideración de sus impactos.

En publicaciones anteriores que escribí sobre la importancia de buenos datos al ajustar los PID y he esbozado un método simple y repetible para ajustar los PID. Antes de dañar algo, o alguien, ¡considere este enfoque!

Damien Munroe

http://www.controlstation.com

Damien ofrece una visión del control de procesos y la automatización que nace de sus experiencias en aviación militar, petróleo y gas en alta mar, productos farmacéuticos de precisión y fabricación de semiconductores. Su educación en el

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