Grundsätzliche Frage zu PID Regler

[Helix]

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Hallo alle zusammen.

Ich habe eine Pumpe, die den Inhalt eines Pumpensumpfes auf eine feste Hoehe halten soll.
Die Pumpe wird mit einem Frequenzumrichter gesteuert.

Der Programmierer hat mir 4 "Moeglichkeiten" zur Verfuegung gestellt, damit ich den Regler selber beeinflussen kann.
Den P, I und D Anteil sowie die Moeglichkeit, den D Anteil zu aktivieren bzw zu deaktivieren.


Was P,I und D machen ist mir einigermassen bewusst.
Habe dafuer X Seiten durchforstet, Diagramme geschaut und Simulatoren ausprobiert.

Dazu habe ich jetzt einige Fragen, die ich so richtig nirgends erklaert bekommen habe.
Mitlerweile habe ich auch das Gefuehl, dass ich zu kompliziert denke bzw. mich verrant habe, mit "meinem gefaehrlichen Halbwissen".

Alle Erklaerungen zur Einstellungen eines PID Reglers werden ja immer mit einem schoenen Diagramm erweiert.
Da ist ein Sollwert eingezeichnet, ein IST Wert und dann eben, wie sich die Regelgroesse verhaellt.
Aber in diesem Beispielen ist immer ein fester IST Wert als Basis dargestellt.
Wie macht man denn eine Anpassung, wenn der IST Wert sich laufend ändert, weil z.B. Wasser zu laeuft. Und das mal mehr und mal weniger.
Ich meine, wenn ich einen konstanten Zulauf haette, dann kann ich die gesamte Theorie anwenden, wie man einen Regler einstellt. Aber so?
Wie geht ihr da vor? In der Praxis?

Dann noch eine Frage zum D Anteil.

So wie ich es verstanden habe, ist der D Anteil ja sowas wie ein Booster, der mal kurz Schub gibt.
Also IST Wert ist kleiner als der Sollwert. Also gibt der D Atnei mal etwas Gas, damit der IST Wert schneller beim Sollwert ist.
Aber wie verhaellt sich der D Anteil, wenn der IST Wert groesserer als der Sollwert ist?
Der Regler also zurueckregeln muss?
"Boostet" er dann mal kurz in die andere Richtung?

Und meine letzte Frage zum I Anteil
Wärend der P Anteil ja eigentlich nur einen proportionalen Wert zur Differenz von Soll und IST Wert macht, "zieht" der I Anteil ja immer weiter, solange eine Abweichung da ist.
Was würde aber passieren, wenn ich so viel Zulauf habe, dass meine Pumpen es eine laengere Zeit nicht schaffen das Wasser auf dem Sollwert zu halten?
Der I Anteil würde ja dann theroretisch ins unendliche laufen. Oder?
Wenn dann dieser grosse Wasserzulauf geringer wird, wuerde es dann ja ewig dauern bis der Regler wieder runter gekommen ist.


Danke fuer eure Hilfe.
Ich hoffe, dass ihr meine Fragen nicht als allzu naiv empfindet

Gruss Helix

 

[Fireman_Frank]

Natürlich funktioniert ein Regler auch bei wechselndem Istwert, das ist ja praktisch immer der Fall. Der P-Anteil bezieht sich proportional auf die Soll-Ist-Abweichung, der I-Anteil integrierend darauf. Der D-Anteil bezieht sich auf die Änderungsgeschwindigkeit der Soll-Ist-Abweichung, und wirkt natürlich in beide Richtungen.
Das Problem mit dem ins unendliche laufenden I-Anteil gibt es tatsächlich bei einigen Reglern (Ich meine mich dunkel erinnern zu können daß mir das bei einer S5 mal passiert ist), bei z.B. einer S7-Steuerung wird aber die Summe aus P-, I- und D-Anteil durch die Stellwertgrenzen begrenzt.

 

[MasterOhh]

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Du kannst den Wert des I-Anteils einfach begrenzen. Ist in der Regelungstechnik sehr üblich und nennt sich "Anti-Windup".

 

[Helix]

Natürlich funktioniert ein Regler auch bei wechselndem Istwert, das ist ja praktisch immer der Fall.

Danke für die schnelle Antwort.
Klar regelt der Regler immer auf eintretenden Störungen. Deshalb ja ein Regler.

Meine Frage bezog sich auf die Inbetriebnahme und die Einstellung des PID Reglers.

Es gibt ja Einstellmöglichkeiten, indem man den Wendepunkt einer Kurve nimmt, eine Tangente anlegt usw. (z.B. Einstellung nach Ziegler/Nichols)
Aber das sind ja immer Berechnugen, Simulationen mit einem konstanten IST Wert.
Wie macht man es denn in der Praxis?

Ich stelle jetzt schon seit zwei Tagen an den Reglern rum und das Ergebnis wird zwar besser, bin aber weit davon entfernt das es zufriedenstellend ist.

Danke für eure Hilfe

 

[MasterOhh]

Du kannst deine Regler nach den gängigen Verfahren (Ziegler/Nichols oder Chien, Hrones, Reswick) einstellen, oder einfach Pi mal Daumen, wenn du eine Vorstellung davon hast, wie sich die einzelnen Parameter auf den Regelkreis auswirken. Oft muss man nur am P-Anteil drehen, wenn man den I-Anteil und D-Anteil schon halbwegs passend festgelegt hat.

Immer nur einen Wert ändern und dann schauen wie der Regler reagiert. Am besten den Regeler mit Sprüngen etwas stressen um zu schauen, ob er anfängt zu schwingen.

 

[Helix]

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Alles klar.
Also weiter so wie bisher

Danke für die Info.

 

[Heinileini]

Moin Helix,

in Deinem Post #1 zeigst Du, dass Du eigentlich schon bei ca. 7/8-Wissen angekommen bist!
Deine Bedenken bezüglich des Anwachsens des I-Anteils und seiner lästigen bis störenden "NachWirkung" sind absolut berechtigt.
Deine Bedenken bezüglich einer einseitigen Wirkung des D-Anteils sind jedoch unbegründet. Alle drei Anteile (P, I und D) wirken gleichermassen in beiden "Richtungen". [SUP]1[/SUP])
Ja, der "Booster" D-Anteil gibt Gas bzw. nimmt Gas weg, umso heftiger, je schneller sich die Differenz SollWert - IstWert ändert.
Das führt aber nicht einmalig zu einer Wirkung, wenn der Regler auf eine plötzlich festgestellte DifferenzVergrösserung reagiert, sondern ein zweites mal, wenn der Regler sieht, dass sein Ergebnis dazu führt, dass sich der IstWert zu schnell dem vorgegebenen SollWert annähert und deshalb überschwingen würde. Er lenkt rechtzeitig gegen. Diesen Aspekt seiner Wirkung halte ich für den eigentlich wesentlichen ... und das wird leider regelmässig übersehen bzw. unterschätzt bzw. verschwiegen.
Das Schöne an einem passend eingestellten D-Anteil ist: man kann den P-Anteil noch ein Bisschen erhöhen, ohne dass der RegelKreis wieder anfängt zu schwingen.
Du sagst, dass in Beispielen immer ein fester IstWert als Basis dargestellt wird?
Das scheint mir irgendwie eine FehlInterpretation zu sein. Wenn der SollWert fest vorgegeben ist und der Regler sehr gut arbeitet, dann ergibt sich daraus, dass der Regler es schafft, auch den Istwert konstant zu halten. Wenn der RegelKreis schnell ist - und das dürfte bei Deiner Anwendung so sein (praktisch keine Totzeiten und unmittelbar messbare Reaktion des Pegels auf zu schnelles Zufliessen oder Abfliessen) - sollte das auch gut funktionieren.
Natürlich kann es vorkommen, dass der RegelKreis an irgendeiner Stelle an seine Grenzen kommt und z.B. Deine Pumpe gar nicht so schnell das überschüssige Wasser abpumpen kann, wie es der Regler der Pumpe vorschreiben will.
Wenn es daran scheitert, dass der SollWert plötzlich um einen erheblichen Betrag verändert wird, dann sollte man dafür sorgen, dass sich der SollWert nur langsam ändert und ihn an einer Rampe hoch- oder runterfahren. So erspart man dem Regler die Verlegenheit, Dinge zaubern zu sollen, die der RegelKreis gar nicht leisten kann.

Gruss, Heinileini

PS:
[SUP]1[/SUP]): Der Regler arbeitet immer in beiden "Richtungen", aber oft nicht der RegelKreis.
So wie bei Deiner Anwendung: Wenn Pegel zu hoch, wird abgepumpt. Wenn Pegel zu niedrig, was dann??? Der Regler kann nichts ausrichten. Er muss abwarten, bis der Pegel wieder zu hoch wird.

 

[RGerlach]

Die Wendetangente (Wendepunkt) wird an der Istwert-Kurve berechnet. Die konstante Kurve sollte die des Sollwertes sein.
Kann es sein, dass Istwert- und Sollwert-Kurve verwechselt wurden?

 

[Helix]

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Die Wendetangente (Wendepunkt) wird an der Istwert-Kurve berechnet. Die konstante Kurve sollte die des Sollwertes sein.
Kann es sein, dass Istwert- und Sollwert-Kurve verwechselt wurden?

Puh,
ich habe mich nie ernsthaft mit dieser Art der Einstellung beschäftigt. Habe es nie auf die Praxis anwenden können.

@Heinileini,

danke für deine Ausführungen. Das hilft mir tatsächlich weiter.
Tja, was passiert wenn der Pumpensumpf leer ist?
Der Regler ist nimmt den Stellwert komplett zurück, bis der Pegel wieder über dem IST-Wert ist und fängt dann wieder an hoch zu ziehen.In einem Idealen System wird das ja nie funktionieren

Aktuell ist mein Regler stark am schwingen.
Mir fehlt total die Erfahrung, welche Strategie ich in meinem schnellen System einstellen soll.
Ŵelche Zahlen sind klein und welche groß.

P um 1 oder 2 zu erhöhen macht sich stark bemerkbar. Aktuell liege ich bei 0,4
Bei I Anteil habe ich alles durch. Von 5 bis 300. Nichts war so richtig zufriedenstellend.
Beim D Anteil fehlt mir jegliche Erfahrung. 1 oder 1000?

Gibt es heutzutage eigentlich nicht irgendwelche Programme, Hardware, Software, Funktionsbausteine usw, die den Regler automatisch einstellen?

Gruß Helix

 

[Onkel Dagobert]

Der Regelsinn muss natürlich negativ sein!

Hallo Helix,

ich verrate dir mal ein ganz großes Geheimnis .

Eine Füllstandsregelung, wie von dir beschrieben, realisiert man am einfachsten mit einem simplen P-Regler. Ich nehme an, eine Regelabweichung von wenigen Zentimetern kann man bei einem Pumpensumpf in Kauf nehmen? Die Verstärkung GAIN bzw. der P-Faktor ergibt, multipliziert mit der Regelabweichung, den Stellgrad für den FU. Wenn dir Soll- und Istwert z.Bsp. in Zentimetern vorliegen, dann hättest du bei einem GAIN von 20 eine maximale Regelabweichung von 5cm. Oder anders ausgedrückt, der Stellgrad von 0% bis 100% ergibt sich durch Überschreitung des Sollwertes um 0cm bis 5cm. Der Regelsinn muss natürlich negativ sein (Entleeren)! Möglicherweise ist ein positiver Regelsinn auch schon die Hauptursache für deine mißglückten Versuche.


In der Literatur wird für solche Fälle oftmals das Beispiel "Spülkasten" verwendet. Das ist nichts anderes, als ein simpler P-Regler. In dem Fall jedoch mit positivem Regelsinn (Befüllen).

 

[Heinileini]

In welcher GrössenOrdnung liegen denn überhaupt Deine Zahlen für Istwert, Sollwert und die AusgangsWerte des Reglers?
Wenn Du mit INT-Zahlen arbeitest, können sie im Bereich -32768 .. +32767 liegen. Wenn Du mit Siemens AnalogKarten arbeitest, stehen -27648 (bzw. 0) .. +27648 zur Verfügung.
Was liefert Dein PegelMesser für Werte? Für den MinimalWert ("leer")? Für den üblicherweise zu regelnden Istwert? Für den MaximalWert ("voll")?
Man kann hier den Fehler machen, die Werte ungünstig zu skalieren. D.h. man könnte sich Werte ausgucken, die einerseits gut zu den darzustellenden Grössen (MassEinheiten) passen, aber andererseits zu einer zu groben Abstufung der darstellbaren Werte führen. Will ich z.B. im Bereich von -10°C bis +40°C arbeiten, sollte ich als Einheit nicht °C, sondern mindestens 1/10 °C oder noch besser 1/100 °C wählen. Kann man auf eine einigermassen lesbare interne Darstellung verzichten, so kann man den zur Verfügung stehenden ZahlenBereich meistens noch besser "ausknautschen", um die zur Verfügung stehende Anzahl Stufen zu nutzen. REAL-Zahlen sind in dieser Beziehung natürlich angenehmer und "sorgloser" zu handhaben.
Vermutlich war die obige "Ausscheifung" überflüssig - ich war auf dieses Thema gekommen, weil mich die Bemerkung "P um 1 oder 2 zu erhöhen macht sich stark bemerkbar. Aktuell liege ich bei 0,4" darauf gebracht hatte. Na klar, wenn der optimale Wert für die P-Verstärkung nahe bei 0,4 liegt, dann ist 1 mehr schon mehr als dreimal soviel, um nicht zu sagen dreimal zuviel.

Den I-Anteil kannst Du nicht unwirksam machen, aber den D-Anteil?
Andersherum wäre mir lieber. Und für den Anfang natürlich beide unwirksam machen, um die P-Verstärkung und die SchwingungsDauer zu ermitteln.

"Welche Zahlen sind klein und welche groß." Damit habe ich auch zu kämpfen. Sehr wenig Erfahrung mit einem (selbst gebastelten) digitalen PID und lang, lang ist's her.
Beim I-Anteil ist vermutlich eine grosse Zahl diejenige, die wenig Wirkung produziert (lange IntegrationsZeit mit langsamem Anstieg)? Aber ganz unwirksam machen wäre noch schöner.
Du hast nämlich bei Deinem RegelKreis das Problem, dass der Regler lange Zeit nichts bewirken kann, wenn der Pegel zu niedrig ist. Dann wirkt der I-Anteil kontraproduktiv.
Hast Du wirklich nur die 4 "Moeglichkeiten", die Dir der Programmierer zur Verfuegung gestellt hat?
Kannst Du evtl den Regler komplett abschalten, wenn der IstWert den SollWert unterschreitet?

 

[Heinileini]

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Möglicherweise ist ein positiver Regelsinn auch schon die Hauptursache für deine mißglückten Versuche.

Wenn zu geringer Pegel, dann munter noch heftiger abpumpen, wenn zu hoher Pegel, dann nichts tun und tatenlos Pegel weiter steigen lassen?
Das wäre doch die Wirkung bei einem falschen Regelsinn! Das hätte der TE sicherlich bemerkt und zum Schwingen kriegt er den RegelKreis damit auch nicht.

 

[Onkel Dagobert]

Heinileini,

wenn die Regelgröße den Sollwert überschreitet, dann muss zum Entleeren die Stellgröße größer werden. Das ist wie bei einer Temperaturregelung der Kühlbetrieb. Das bedeutet negativer Regelsinn!
Siehst du das tatsächlich anders?

 

[Heinileini]

wenn die Regelgröße den Sollwert überschreitet, dann muss zum Entleeren die Stellgröße größer werden. Das ist wie bei einer Temperaturregelung der Kühlbetrieb. Das bedeutet negativer Regelsinn!
Siehst du das tatsächlich anders?

Nein, das sehe ich nicht anders, Dagobert! Ich wollte doch nur sagen, wenn der TE sich für den falschen Regelsinn entschieden hätte, dann würde sich seine "Regelung" in dem einen oder anderen Extrem festfressen (Pumpe pumpt bis Becken leer und hört selbst dann nicht auf zu pumpen oder Pumpe denkt nicht daran, etwas gegen den steigenden Pegel zu tun und lässt das Becken überlaufen).
Der TE beklagt jedoch das Schwingen seines RegelKreises. Daraus schliesse ich, dass er sich nicht mit dem Regelsinn vertan hat.

 

[Helix]

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Guten Morgen alle zusammen.

erstmal Danke an jeden hier, der sich beteiligt.
Ich habe einige wertvolle Tips bekommen.

Gestern Abend hatte ich DEN Durchbruch.
Meine Frau war BigBrother am gucken und mir war langweillig. Also habe ich mir den blöden Regler nochmals angeschaut. Der nervt mich nämlich
Bin dann auf folgenden Lösungsansatz gekommen.

Zur Erinnerung. Aus Mangel an Erfahrung habe ich wild hin und her probiert, dabei nur auf das Verhalten des FU und den Höhenstand im Pumpensumpf geschaut.
4 Tage verschenkt.

Meine Idee war, daß ich mir NUR den P Regler anschaue. Da dieser ja eigentlich nichts selber macht, außer sich proportional zur Differnez von IST und SOLL - Wert zu verhalten, sollte sich dieser sich ja möglichst nie verändern.
Dabei lasse ich jetzt mal komplett außer acht, daß ich meinen Sollwert vllt. nie richtig erreiche.
Ich habe also in meinem Prozessleitsystem eine Variable angelegt die folgenden Wert berechnet (ich glaube man nennt das die Regelabweichung, oder???):
(IST-Wert - SOLL-Wert) * P-Anteil

Mit dem P Anteil spiele ich dann rum und beobachte, wie sich die berechnete Variable verhällt.

Um es besser beurteilen zu können, habe ich mir noch einen Graphen angelegt.
10 Minuten Darstellung, Sekündliche Abtastrate.
Kurve A Soll-Wert (ändert sich nicht, dient nur als Referenzlinie)
Kurve B IST Wert
Kurve C Regelabweichung (also der berechnete Wert)

Dann habe ich mit P=5 angefangen.
Die Regelabweichung bildete Sinuskurven.
War also nix.
P verkleinert
Sinus Kurve wurde flacher (Flattering the Curve )
Bei einem P Anteil von 0,35 war die Regelabweichung ein gerader Strich.
Das war erstmal ein Voller erfolg für mich.
Heute Morgen habe ich dann von Onkel Dagoberts Geheimnis gelesen *ROFL*

Allerdings, wenn ich mir jetzt die Fördermenge bzw. das Verhalten des FUs anschaue.....:sm14:
Der Höhenstand hällt sich wie ein Strich. Die Fördermenge geht allerdings wirklich extrem hoch und runter.
Da hatte ich im Vorfeld ganz andere Vorstellungen.
Ich hatte eine schöne sanfte Regelung im Kopf, wo der Umrichter mal ein paar Hz hoch oder runter fährt.
So ist es definitiv nicht. Dafür ist der Zufluss wirklich zu unkonstant.

Trotz Onkel Dagoberts Tip, das man wahrscheinlich nur den P Anteil benötigt, werde ich mit der o.g. "Apperatur" dennoch mit I und D rumspielen, um zu lernen wie diese Parameter sich auswirken.

Ich muß auch sagen, daß ich im Netz eine tolle Darstellung gefunden habe, die mir beim interpretieren des Regelverhaltens geholfen hat:
Leider habe ich nur einen undefinierten Link zur Hand, der eine pdf anzeigt.
https://www.belektronig.de/web/content/1292?unique=dce691b6283fa7a3c9bce3b0347aeab35a8f4049

Der Link ist sauber, jedoch kann ich verstehen wen ihr ihn nicht anklicken wollt.
Ich habe aber drei Screenshots davon gemacht.
Diese kann ich aber wegen fehlender Berechtigungen nicht hochladen.
Wenn ihr diese haben wollt, dann lasst mir eine PN zukommen.

Gruß Helix

 

[Fireman_Frank]

Dann mach doch noch mal eine Kurve D Stellwert, schreibe für jeden Wert auch den Wertebereich dazu (Alles 0..100%?), und poste mal ein Bild von deinen Kurven.

Es gibt auch Systeme die sich nicht oder kaum regeln lassen. Wenn in deinem Fall z.B. der Zulauf ein Feuerwehrschlauch und der Pumpensumpf ein Eimer wäre

 

[Onkel Dagobert]

Ist ja auch viel interessanter als BigBrother. Wusste gar nicht, dass das wieder läuft.

.. (ich glaube man nennt das die Regelabweichung, oder???):
(IST-Wert - SOLL-Wert) * P-Anteil ..

Fast richtig. Die Regelabweichung wäre regulär SOLL-Wert - IST-Wert. Durch das Vertauschen der beiden Werte ergibt sich bei dir der negative Regelsinn. Multipliziert mit dem Faktor "P-Anteil" ergibt sich der P-Anteil des Stellgrades.

Bei einem P Anteil von 0,35 war die Regelabweichung ein gerader Strich...

Nur interessehalber, welche Einheit verwendest du als Messwert für den Füllstand? Das muss wohl eine sehr kleine Einheit sein?

Heute Morgen habe ich dann von Onkel Dagoberts Geheimnis gelesen *ROFL*

Du lachst mich aus ?​

 

[Helix]

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Dann mach doch noch mal eine Kurve D Stellwert, schreibe für jeden Wert auch den Wertebereich dazu (Alles 0..100%?), und poste mal ein Bild von deinen Kurven.

Es gibt auch Systeme die sich nicht oder kaum regeln lassen. Wenn in deinem Fall z.B. der Zulauf ein Feuerwehrschlauch und der Pumpensumpf ein Eimer wäre

Ähm, dafür muss ich mir nochmal genau die Formel für den D Wert anschauen.
Bin aber jetzt eine Woche lang im Homeoffice und kann nur per Remote auf die Steuerung zugreifen. Das geht zwar, aber der Laptopmonitor ist mir etwas zu klein, um im Prozessleitsystem rum zu machen.
Aber es juckt in den Fingern

Eine Regelung nur mit D Anteil, also P = 0) oder eine Kurve von einem PD Regler?

@Dagobert,
natürlich lache ich dich nicht aus. War nur lustig, das ich fast zeitgleich die selbe Idee hatte.

Generell regel ich auf REAL Werte. Also in meinem Fall für den Pegel als Meter.

Messbereich 0-4,50m
Sollwert 1m

Zwei Pumpen regeln parallel (jeder mit eigenen FU), zwischen 40 und 55Hz macht ca. 60m³/h - 240m³/h pro Pumpe!
Der Pumpensumpf hat zwei Zuläufe.
Einer bringt ziemlich gleichmäßig konstanterń Zulauf von ca. 350 m³/h. Das ist übrigens der Hauptkanal von einer Kläranlage.
Ein Nebenkanal bringt allerdings intervallmäßig 50 -100 m³. Das macht dann die Probleme.

 

[Fireman_Frank]

Ähm, dafür muss ich mir nochmal genau die Formel für den D Wert anschauen.
Eine Regelung nur mit D Anteil, also P = 0) oder eine Kurve von einem PD Regler?

Das 'D' meinte ich als Erweiterung zu deinen Kurven. Also zusätzlich zu den von dir schon eingerichteten:

Kurve A Soll-Wert (ändert sich nicht, dient nur als Referenzlinie)
Kurve B IST Wert
Kurve C Regelabweichung (also der berechnete Wert)

noch eine vierte Kurve:

Kurve D Stellwert

 

[Thomas_v2.1]

@Helix
Wie setzt du denn die Reglerstellgröße in eine entsprechende Pumpendrehzahl um? Und was machst du beim Zu- und Abschalten der zweiten Pumpe?

Wenn du schreibst du hast einen konstanten Zulauf von 350 m³/h und eine Pumpe fördert max. 240 m³/h, dann musst du eigentlich immer mit 2 Pumpen fahren.

So eine Regelstrecke kann man auch relativ einfach einmal simulieren. Füllvolumen = Qzufluss - Qabfluss, und Höhenstand ist dann Füllvolumen / Grundfläche.
Das reicht für eine ideale Simulation eigentlich schon aus. Näher an der Realität ist dann eine leichte Totzeit beim Qabfluss z.B. über Rampenzeiten am FU.