Прямое и обратное действие

Введение

PID-контроллер может иметь как прямое, так и обратное действие. При этом крайне важно выполнить правильную настройку его действия, так как неверный выбор приведет к потере управления.

Рассмотрим пример контроллера уровня в баке.

Когда измеренный уровень в баке, PV, превышает уставку, SP, контроллер должен увеличить положение клапана регулирования расхода на выходе. Это необходимо для того, чтобы увеличить расход жидкости на выходе и понизить уровень.

В данном случае выход контроллера увеличивается вместе с увеличением измеренного значения, PV.

Такой тип действия называют прямым.

Про контроллер говорят, что у него "прямое действие", если значение выхода увеличиваетсявместе с увеличениемзначения измеренной переменной (PV).

Таким образом, контроллер уровня в баке является контроллером прямого действия.

Про контроллер говорят, что он "обратного действия", если значение его выхода уменьшаетсяпри увеличениизначения измеренной переменной (PV).

Рассмотрим пример контроллера температуры на выходе печи.

Когда измеренная температура на выходе, PV, больше уставки, SP, контроллер должен уменьшить положение клапана регулировки расхода топлива, чтобы уменьшить расход топлива.

В этом случае, когда измеренное значение, PV, увеличивается, выход контроллера должен уменьшиться.

Таким образом, данный контроллер должен быть контроллером обратного действия.

Некоторые практические рекомендации

В ходе прошлых дискуссий мы делали допущение о том, что при увеличении выхода контроллера, положение клапана увеличивается, и в результате увеличивается расход. В условиях реальной установки такое допущение не всегда будет верным.

Прежде всего мы должны учитывать эксплуатационную безопасность, когда определяют отношения между выходом контроллера и положением клапана. Затем, требуется определить, следует ли настроить данный прибор как контроллер прямого или же обратного действия.

Постараемся понять, каким образом выходной сигнал контроллера используется для приведения в действие клапана.

Выходной сигнал контроллера, MV, который обычно имеет диапазон от 0 до 100 %, сначала преобразуется в электрический сигнал. Обычно значение MV от 0 до 100% соответствует 4 - 20 мА электрического сигнала. Данный электрический сигнал затем передается на регулирующий клапан.

Регулирующие клапаны, как правило, имеют пневматический привод с помощью давления воздуха, но некоторые из них могут также иметь прямой привод от электрического сигнала с помощью электродвигателя. Для пневматических регулирующих клапанов электрический сигнал сначала требуется преобразовать в сигнал воздушного давления. Обычно он преобразуется в давление 3 - 15 фунтов/кв.дюйм (изб.) или 0,2 - 1,0 кг/см2 (изб.). Диапазон воздушного давления примерно соответствует полному диапазону физического положения открытия регулирующего клапана.

Преобразование достигается с помощью электромеханического устройства, которое называется преобразователем или позиционером. Позиционер корректирует пневматический сигнал и посылает его на исполнительное устройство, чтобы открыть/закрыть клапан.

Пневматическое или воздушное давление обеспечивает достаточное усилие, чтобы перемещать шток клапана. Когда шток клапана поднимается, увеличивается отверстие в клапане, и в результате расход в клапане возрастает. И наоборот, когда отверстие штока клапана уменьшается, расход понижается.

Увеличение воздушного давления может перемещать шток клапана либо вверх, либо вниз, в зависимости от конфигурации данного регулирующего клапана. Если увеличение воздушного давления ведет к увеличению отверстия клапана, то клапан называют "нормально закрытым".

В этом случае клапан закрывается, когда происходит отказ подачи воздуха из-за неисправности в оборудовании. Поэтому действие клапана также называют "закрытие при отказе".

Если увеличение воздушного давления ведет к уменьшению открытия клапана, такой клапан называют "нормально открытый".

В этом случае клапан полностью открывается при отказе подачи воздуха. То есть, его действие называют "открытие при отказе".

Действие регулирующего клапана, как закрытие, так и открытие при отказе, следует выбирать, исходя из желательного положения клапана, если произойдет отказ входного сигнала. Отказ входного сигнала может произойти из-за отказа воздуха КИПиА или электрического сигнала.

Пример

В нашем предыдущем примере с регулированием уровня в баке, когда измеренный уровень в баке, PV, превышает уставку, SP, контроллер должен увеличить положение клапана регулирования расхода, чтобы увеличить расход на выходе. За счет этого уровень в баке опускается.

В данном случае мы приняли, что увеличение воздушного давления, которое эквивалентно выходу контроллера, ведет к увеличению отверстия в клапане. Другими словами, мы приняли, что регулирующий клапан является нормально закрытым. По определению, контроллер уровня является регулятором прямого действия, так как для положительного изменения отклонения нам нужно, чтобы клапан открывался.

Допустим, что из соображений безопасности мы хотим, чтобы клапан регулирования расхода на выходе был полностью открыт в случае отказа подачи воздуха КИПиА. Это подразумевает, что регулирующий клапан должен быть нормально открытым и иметь действие на открытие при отказе.

Это значит, что воздушное давление или выход контроллера, должно снижаться, чтобы клапан открывался. Достичь этого можно, инвертировав действие контроллера, т.е. действие контроллера уровня следует изменить с прямого на обратное.

Таким образом, контроллер имеет конфигурацию прямого или обратного действия в зависимости от:

- Желаемого действия контроллера и

- Конфигурации регулирующего клапана, т.е. "нормально закрытая" или "нормально открытая".