Scenario 1 består i en störning av systemet när det befinner sig i ett stationärt läge. Parametervärden och detaljerad beskrivning återfinns i avsnitt 2.4.1.
6.2.1
Resultat
Resultatet av störningen blir att vätskeflödet in i tanken ökar. För att upprätthålla koncentrationen krävs att flödet av koncentrat ökar proportionellt mot det okon- trollerade flödet. För att bibehålla vätskenivån i tanken måste flödet ut ur tanken öka. Målsättningen med regleringen är att minimera avvikelsen i koncentration i tanken medan nivån inte sjunker under 20% eller över 80% av tankens höjd.
I figur 6.1 framgår det karaktäristiska förloppet för koncentrationen och i fi- gur 6.2 förloppet för vätskenivån, för de två regulatorvarianterna. Numeriska vär- den från simuleringar med S7-PLCSIM presenteras i tabell 6.1.
Mätpunkt PID PFC
Max avvikelse koncentration [%-enh.] 0.4784 0.2832 Max avvikelse nivå [m] 2.256745 0.701379 Insvängningstid koncentration [s] 94 125 Insvängningstid nivå [s] 2448 1270
Tabell 6.1. Resultat från Scenario 1.
6.2.2
Utvärdering
I figur 6.1 ses att både PID-reglering och PFC klarar av att reglera bort störningen men med lite olika karaktär. Numeriska värden i tabell 6.1 bekräftar skillnaderna från figuren. PID-regulatorn är snabbare på att återställa koncentrationen efter det att systemet störts medan PFC-regulatorn bättre klarar att hålla den maxi- mala avvikelsen låg. Figur 6.2 visar att ingen av regulatorerna har något problem med att hålla vätskenivån inom gränserna som är satta för detta scenario. Även nivåregleringen visar dock på stora skillnader i hur regulatorerna fungerar.
Eftersom nivån varierar kraftigt mellan de olika regulatortyperna kan det vara på sin plats att undersöka om detta har någon märkbar inverkan på koncentra- tionsregleringen. I figur 6.5 presenteras kurvor för alla fyra kombinationerna av regulatorer. Där framgår att vätskenivån i tanken inte har någon större inverkan på koncentrationsregleringen för detta scenario.
6.3
Scenario 2
Scenario 2 består i en ändring av referensvärdet för koncentrationen när syste- met befinner sig i ett stationärt läge. Parametervärden och detaljerad beskrivning återfinns i avsnitt 2.4.2.
6.3 Scenario 2 43
6.3.1
Resultat
Referensändringen får den direkta inverkan att koncentratflödet behöver ökas för att uppnå den nya koncentrationen i tanken. Denna flödesändring medför att även flödet ut ur tanken behöver ökas för att hålla nere vätskenivån. Målsättningen med regleringen är en så kort insvängningstid som möjligt till den nya referensnivån utan för stor översläng. Det enda krav som ställs på nivåregleringen är att nivån ska hållas mellan 20% och 80% av tankens höjd.
I figur 6.3 framgår det karaktäristiska förloppet för koncentrationen och i fi- gur 6.4 förloppet för vätskenivån, för de respektive kombinationerna av regulatorer. Numeriska värden från simuleringar med S7-PLCSIM presenteras i tabell 6.2.
Mätpunkt PID PFC
Högsta koncentration [%] 20.0586 20.1441 Max avvikelse nivå [m] 0.457210 0.252106 Stigtid koncentration [s] 80 73 Insvängningstid koncentration [s] 190 239 Insvängningstid nivå [s] 994 178
Tabell 6.2. Resultat från Scenario 2.
6.3.2
Utvärdering
Flödesförändringen i detta scenario är inte lika stor som i Scenario 1 vilket åter- speglas tydligt i figur 6.4 där avvikelsen i vätskenivå är betydligt mindre än den i Scenario 1. Koncentrationsregleringen förefaller i figur 6.3 och tabell 6.2 skilja sig något för de olika regulatorvarianterna.
Figur 6.6 presenterar alla regulatorkombinationer i en närbild av det parti där kurvorna skiljer sig som mest. Ur denna figur kan utläsas att variationen i stigtid som återfinns även i figur 6.3 tycks bero på nivåregleringen snarare än koncent- rationsregleringen. I samma figur ses även ett mönster där PID-regleringen har betydligt kortare insvängningstid men oscillerar något. Den kortare insvängningen kan även ses i tabell 6.2 men dessa värden blir något mindre tydliga då de olika stigtiderna har stor inverkan den totala tiden.
Figur 6.1. Koncentrationsvariantion i Scenario 1. Hela systemet kontrollerat med PFC
jämfört med hela systemet kontrollerat med PID.
Figur 6.2. Nivåvariantion i Scenario 1. Hela systemet kontrollerat med PFC jämfört
6.3 Scenario 2 45
Figur 6.3. Koncentrationsvariantion i Scenario 2. Hela systemet kontrollerat med PFC
jämfört med hela systemet kontrollerat med PID.
Figur 6.4. Nivåvariantion i Scenario 2. Hela systemet kontrollerat med PFC jämfört
Figur 6.5. Koncentrationsreglering Scenario 1, samtliga regulatorkombinationer.
Kapitel 7
Diskussion och slutsatser
Utgångspunkten för detta arbete har varit att utvärdera möjligheterna att imple- mentera mer avancerade reglermetoder i en PLC. En slutsats som kan dras tidigt, baserad på såväl tidigare arbeten som resonemang i avsnitt 3.3, är att det finns ett flertal olika avancerade reglermetoder som går att implementera i en PLC.
Den främsta skillnaden mellan de metoder som studeras, inbördes och i jämfö- relse med PID-reglering, framstår som en fråga om metodik. Valet av metod blir främst ett avvägande mellan praktiska egenskaper, i fråga om programmering, im- plementering och inställningar, vägt mot reglerteknisk optimalitet. Valet av PFC för implementering grundar sig främst på en önskan att hålla arbetets fokus på reglertekniska aspekter och undvika allt för avancerad PLC-programmering.
Valet av parametrar för PID-regulatorerna har stor inverkan både på prestanda och robusthet. Ytterligare en faktor som påverkar jämförelsen mellan PID och PFC är att betydligt mer tid har lagts på konstruktionen av PFC-systemet än på att utvärdera möjligheterna att utveckla PID-regleringen. Utifrån detta är en kvalitativ diskussion mer relevant än en kvantitativ jämförelse av prestanda, då en kvantitativ jämförelse på dessa grunder har mycket små möjligheter att ge en rättvis bild av den verkliga situationen.
7.1
Jämförelse mellan PID och PFC
Resultaten som presenteras i kapitel 6 visar på vissa karaktäristiska skillnader mellan regulatorerna. Fokus i båda scenariona ligger på koncentrationsregleringen och därför diskuteras denna först.
7.1.1
Koncentrationsreglering
Scenario 1
I figur 6.1 för Scenario 1 är en tydlig skillnad att systemet med PFC-regulatorer har en mindre avvikelse men en långsammare insvängning än systemet med PID- reglering. Att avvikelsen blir mindre med PFC beror troligtvis på att störningen
mäts och kompenseras för så snart den uppstår, medan PID-regulatorn inte har någon möjlighet till detta.
Scenario 2
I figur 6.3 och tabell 6.2 framgår att PFC har en något kortare stigtid men en klart längre insvängningstid.
Tester med andra regulatorkombinationer, som visas i figur 6.6, pekar på att den kortare stigtiden snarare har att göra med nivåregleringen än med koncentra- tionsregleringen. I avsnitt 3.1 presenteras ett kort resonemang om hur vätskenivån påverkar koncentrationen i tanken.
Slutsatsen blir att PID-regleringen presterar klart bättre än PFC i detta sce- nario.
7.1.2
Nivåreglering
Reglering av nivån är inte bedömt som en högt prioriterad uppgift i något av de scenarion som används för utvärdering. Med tanke på detta är inte heller va- let av parametrar till regulatorerna lika noggrant gjort som för koncentrationsre- gleringen. Att dra några slutsatser från de resultat som presenteras för nivån, i tabell 6.1-6.2 och figur 6.2 respektive figur 6.4, är därför mycket vanskligt.
Mer generellt skulle ett, för nivåregleringen, mer krävande scenario ha stor potential att påvisa fördelar med PFC framför PID-reglering, med tanke på att de mätbara störningarna är så centrala i dynamiken. Den mer komplexa PFC- regulatorn har dock i detta fall tagit lång tid att designa utan någon vinst i de scenarion som använts. Detta åskådliggör hur viktigt det är att välja metod och strategi utifrån målsättningen med regleringen och inte bara baserat på systemets struktur.
7.1.3
Känslighet och robusthet
Som tidigare nämnt i avsnitt 5.3.2 har systemet med PID-reglering en tydlig topp medan PFC-systemet har höga singulära värden över ett bredare frekvensband. Detta är en fördel för PFC-systemet i de flesta tänkbara tillämpningar, men ef- tersom de singulära värdena i stor utsträckning beror på regulatorparametrarna kan inte allt för långtgående slutsatser dras.
7.1.4
Slutsats
Sammantaget kan konstateras att regleringen med PFC har likvärdig prestanda och något bättre känslighet och robusthet. Balansen mellan dessa fördelar kan förändras genom ett annat val av regulatorparametrar men PFC kommer troligtvis att ha en fördel sammantaget.
Förbättringarna är dock inte stora i vare sig reglerprestanda eller känslighet och att dra några definitiva slutsatser utifrån denna jämförelse är vanskligt. Det kan dessutom finnas undantag där PID presterar bättre i alla aspekter, exempelvis