En PID-regulator er en type kontinuerlig regulator, den gjør altså justeringer i pådraget hele tiden. Dette kan gjøres i små steg, ikke bare av eller på. For å få til dette må man også ha et pådragsorgan som kan justeres i små steg. Det hjelper for eksempel ikke å sette en PID-regulator på en panelovn dersom ovnen bare kan være enten av eller på!

Det finnes flere ulike typer av kontinuerlige regulatorer, men PID-regulatoren er den aller mest brukte typen i prosessindustrien. Derfor skal vi gå ekstra grundig gjennom hvordan en PID-regulator fungerer.

Bokstavene i PID står for “proporsjonal”, “integrering” og “derivering”. Dette er betegnelsene på ulike matematiske metodene som brukes i en PID-regulator. Og så uttales det “pe-iii-de”, ikke “pid”!

Virkemåte

En PID-regulator jobber hele tiden med avviket i reguleringssløyfen. Den bryr seg altså ikke om hva er-verdien er, men prøver heller å få avviket mellom skal-verdi og er-verdi så lite som mulig.

Avviket regnes ut først (sirkelen i figuren nedenfor), deretter sender PID-regulatoren beskjed til pådragsorganet i prosessen om hva som må gjøres for å få avviket mindre.

Du kan tenke deg en PID-regulator som tre ulike typer operatører, med hver sin personlighet. Alle tre sitter inne i boksen som er merket “PID-regulator” i figuren over. Vi skal ta en titt på personligheten til alle tre.

P-operatøren er en temmelig firkantet type. Når han får beskjed om hva avviket er ganger han det bare med et tall og sender det videre. Han grubler ikke på om det kunne vært lurt å gjøre noe annet, han utfører bare samme gangestykket hele tiden.

I-operatøren er en skikkelig rolig og avslappet fyr. Han tar ikke helt av, selv om avviket plutselig skulle bli stort. I steden justerer han litt og litt, og vet at han ordner sakene bare han får litt tid på seg.

Til slutt har vi D-operatøren. Han er en skikkelig kvikk og ivrig fyr. Så fort han ser at avviket øker skrur han pådraget opp. Om han oppdager at avviket minker skrur han pådraget ned. Men han gjør bare noe når han ser at avviket endrer seg. Om avviket er det samme hele tiden, gjør han ikke noe.

Hver av disse tre typene har altså sine styrker og svakheter, men når de jobber sammen blir resultatet veldig bra!

Regulatorparametre

Det er tre parametere man kan endre på, for å få en PID-regulator til å fungere så godt som mulig. Vi ønsker at reguleringssløyfen skal komme seg til skal-verdi så raskt som mulig, og at den skal holde seg akkurat der.

En parameter er et tall i en matematisk formel som egentlig er konstant, men som allikevel går an å endre på. I en PID-regulator er det tre parametre. De er vanligvis konstante, men vi kan endre på dem om vi ikke er fornøyd med hvordan regulatoren fungerer.

Hvis vi tenker oss at vi bruker en PID-regulator som cruise-control på en bil vil P-operatøren styre forgasseren med et pådrag som er proporsjonalt med avviket. Tenk deg at cruise-kontrollen er stilt til 60 km/t og at den virkelige farten din er 50 km/t. Avviket er da 10, dette tilsvarer en viss stilling på spjeldet i forgasseren. Så øker farten til 55 km/t, da halveres avviket til 5. Dermed blir også pådraget halvparten av hva det var tidligere.

I-operatøren tar tiden til hjelp, og i en cruise-control sammenlikner han tiden det tar å kjøre en viss distanse (for eksempel 100 m) med tiden det ville ha tatt dersom bilen hadde kjørt i den farten som er stilt inn (skal-verdien). Om de ikke er like forsøker han å korrigere for dette.

Til slutt har vi D-operatøren, han følger med på akselerasjonen. Når bilen beveger seg i jevn fart er akselerasjonen lik 0. Hvis den ikke er 0 betyr det at farten øker eller minker. Dette prøver D-operatøren å kompensere for. Dersom det tar veldig lang til å komme seg til skal-verdi eller om reguleringssløyfen hele tiden svinger over og under skal-verdien må vi justere regulatoren (vi sier at vi “tuner” regulatoren). De tre parametrene vi kan justere på, er:

  • Kp – dette er forsterkningen av P-leddet i regulatoren, eller for å si det på en annen måte: dette er tallet P-operatøren ganger med når han gjør jobben sin.
  • Ti – denne parameteren kalles for integraltid. Om du setter denne til et stort tall, slår du av I-operatøren slik at han ikke får noe å si lenger(10.000 er et stort og fint tall). Om du setter Ti til et lite tall vil PID-regulatoren raskt komme til skal-verdi. Bruker du et for lite tall vil regulatorsløyfen svinge mye.
  • Td – denne parameteren kalles for derivattid. Om du setter denne til 0 (null), slår du av D-operatøren slik at han ikke får noe å si lenger. Når Td har en passelig verdi, vil reguleringssløyfen komme mer presist inn på skal-verdi (ikke gå så mye over eller under). Men om verdien for Td er for høy kan reguleringssløyfen bli veldig ustabil! Det er ikke alltid nødvendig å bruke D-operatøren og ofte lager han mye uroligheter. Han blir derfor ofte slått av.
En PID-regulator er den mest brukte typen av kontinuerlige regulatorer i prosessindustrien. Regulatoren består av tre ulike deler: et P-ledd, et I-ledd og et D-ledd.

Egentlig kunne man godt tenke seg at man bare brukte P-operatøren for å regulere. Da hadde jo regulatoren blitt mye enklere fordi man bare hadde hatt ett ledd å forholde seg til.
P-operatøren jobber altså på den måten at han ganger avviket med en konstant og sender resultatet videre til pådragsorganet:

P = K_p * {avvik}

Ser du nøye på formelen oppdager du kanskje et problem. P-operatøren vil bare endre pådraget dersom avviket endrer seg. Om avviket er det samme hele tiden, vil også pådraget være det samme hele tiden. Og så lenge pådraget er det samme, vil ikke avviket bli mindre!

Direkte- og reversvirkning

I tillegg til at man kan stille på disse tre delene i PID-regulatoren er det en annen innstilling som er veldig viktig. Når avviket i reguleringssløyfen blir større, hvilken retning skal pådragsorganet gå i da? Er det en ventil som skal åpne mer når temperaturen i ovnen på mursteinsfabrikken blir for høy eller skal den stenge?

Disse to måtene å styre pådragsorganet på kalles direktevirkende og reversvirkende. La oss se på hvordan dette fungerer i forhold til nivåregulering av en tank. Vi bruker en ventil for å regulere nivået i tanken, og dette kan gjøres på to ulike måter.

I figuren nedenfor renner det hele tiden litt ut av tanken (forbruk). For å holde nivået konstant, har vi en reguleringssløyfe som sørger for en passende tilførsel av væske. Dersom reguleringsventilen åpnes mer vil nivået i tanken øke. Dette er et eksempel på en reversvirkende regulator.

En reversvirkende regulator er satt opp slik at pådraget øker når er-verdien er mindre enn skal-verdien.

En annen mulighet er å ha en jevn tilførsel av væske inn på tanken og så regulere mengden som går ut av tanken. Da vil det være slik at dersom reguleringsventilen åpnes mer vil nivået i tanken synke. Ser du at dette er motsatt av det forrige eksemplet? Nå har vi en direktevirkende regulator.

En direktevirkende regulator er satt opp slik at pådraget øker når er-verdien er større enn skal-verdien.

Manuell og auto

Regulatorer har som regel ulike typer tilstander (modus) som vi kan sette dem i. Dette er de to vanligste tilstandene:

  • Manuell – Når en regulator er satt til manuell betyr det at du kan sette verdien på utgangen fra regulatoren (pådraget). Om det er en regulator som styrer en ventil betyr det at du kan styre ventilåpningen direkte når regulatoren er satt til manuell.
  • Auto – Om en regulator er satt til auto betyr det at det er regulatoren som beregner hva utgangen skal være. Du taster inn skal-verdi, så ordner regulatoren resten!

I denne boka kaller vi det manuelle pådraget for u0, denne må vi justere på når vi skal tune (justere) regulatoren.

Dele/Lagre