PID-regelaar uitgelegd: wat hij doet en hoe u ziet dat hij verkeerd staat

Een PID regelaar vormt de koppeling tussen wat een proces moet doen en wat het proces daadwerkelijk doet. De gewenste waarde is het setpoint (SP), de gemeten proceswaarde is de PV en met de regeluitgang (MV of output) wordt het proces bijgestuurd. Het verschil tussen SP en PV vormt de regelafwijking waarop de regelaar reageert.

Hoe die correctie eruitziet, wordt bepaald door de P, I en eventueel D actie. Maar een goede regeling begint niet bij het aanpassen van Kp, Tn of Td. De instellingen moeten passen bij de dynamiek van het proces dat erachter zit. Dode tijd, procesversterking, tijdconstanten en verstoringen bepalen uiteindelijk hoe snel en hoe agressief een regelkring kan reageren.

Daarom zegt een set PID instellingen op zichzelf nog weinig. Om te beoordelen of een regelaar goed staat, moet u kijken naar de regelaar én het gedrag van het proces.

Wat doet een PID-regelaar?

Een PID regelaar werkt continu in een gesloten regelkring. Daarbij worden steeds dezelfde vier stappen doorlopen:

Meten. Een transmitter meet de proceswaarde (PV), bijvoorbeeld druk, flow, niveau of temperatuur.

Vergelijken. De regelaar vergelijkt de PV met het ingestelde setpoint (SP). Het verschil tussen beide is de regelafwijking.

Corrigeren. Op basis van die regelafwijking berekent de regelaar hoeveel de regeluitgang (MV of output) moet worden aangepast.

Opnieuw meten. De aanpassing beïnvloedt het proces, de PV reageert en de regelaar beoordeelt opnieuw de afwijking.

Deze terugkoppeling vormt de basis van de regeling. De PID regelaar reageert op het verschil tussen de gewenste en gemeten proceswaarde, maar hoe het proces op een correctie reageert wordt bepaald door de procesdynamiek. Daarom kunnen dezelfde PID instellingen in twee verschillende processen totaal ander regelgedrag opleveren.

Waar P, I en D voor staan

P: de versterking

De proportionele actie reageert direct op de actuele regelafwijking tussen setpoint en proceswaarde. Hoe groter deze afwijking, hoe groter de correctie van de regelaar. De sterkte van deze reactie wordt bepaald door de proportionele versterking Kp.

Een hogere Kp zorgt ervoor dat de regelaar sterker reageert op dezelfde afwijking. Dit kan de regeling sneller en nauwkeuriger maken, maar een te hoge versterking kan leiden tot overshoot en oscillaties. Bij een lage Kp reageert de regelaar juist minder sterk, waardoor de regeling traag kan worden en afwijkingen langzamer worden gecorrigeerd.

Met alleen P actie blijft bij veel processen een blijvende afwijking tussen PV en setpoint bestaan. Voor een constante regeluitgang is namelijk een bepaalde regelafwijking nodig. Dit noemen we de statische regelafwijking of offset. De I actie zorgt ervoor dat deze blijvende afwijking uiteindelijk wordt weggewerkt.

I: de integratietijd

De integrerende actie telt de afwijking op over de tijd. Zolang er een verschil is, blijft de correctie oplopen, tot de PV precies op het setpoint ligt. De I-actie is dus wat de regeling nauwkeurig maakt.

De sterkte legt u vast in de integratietijd Tn (afhankelijk van het systeem ook nasteltijd, hersteltijd of Ti genoemd), in seconden of minuten. Let op de richting: een kleinere Tn betekent een sterkere I-actie. Dat is voor veel mensen contra-intuïtief en het is een van de meest gemaakte fouten bij handmatig afstellen.

Staat Tn te klein, dan blijft de regelaar corrigeren op afwijkingen die het proces nog moet verwerken en gaat de kring oscilleren. Staat hij te groot, dan duurt het onnodig lang voordat een afwijking is weggewerkt.

D: de differentiatietijd

De differentiërende actie kijkt naar de snelheid waarmee de afwijking verandert en remt af zodra het proces hard de goede kant op beweegt. Zo dempt hij het doorschieten. De sterkte is de differentiatietijd Td.

D-actie is nuttig bij trage processen met veel thermische massa of transportvertraging. Bij flow- en drukregelingen staat Td in de praktijk vaak op nul, en met reden: die metingen zijn snel en ruisig, en de D-actie versterkt precies die ruis. Een regelaar die op meetruis reageert, stuurt de klep de hele dag heen en weer op signalen die in het proces niet bestaan.

Wat het proces zelf bepaalt

De juiste instellingen volgen niet uit de regelaar, maar uit het proces. Elke regelkring heeft drie eigenschappen die bepalen wat er kan:

• De procesversterking. Hoeveel verandert de PV als de klepstand een stukje verandert.
• De tijdconstante. Hoe traag het proces daarop reageert.
• De dode tijd. Hoe lang het duurt voordat er überhaupt iets van die verandering te zien is, bijvoorbeeld doordat medium een leiding door moet.

Vooral de verhouding tussen dode tijd en tijdconstante bepaalt hoe lastig een kring is. Veel dode tijd ten opzichte van de tijdconstante betekent dat de regelaar per definitie voorzichtig moet zijn, want hij stuurt op informatie die al verouderd is. Wie in zo’n kring de versterking opvoert om hem sneller te maken, krijgt gegarandeerd oscillatie terug.

Deze drie eigenschappen zitten gewoon in uw trenddata. Ze zijn af te leiden uit stapresponsies, oscillaties en normale procesbewegingen, en daarmee zijn de regelinstellingen een berekening in plaats van een gok. Op waarom het werkt staat die redenering stap voor stap uitgewerkt.

Zo ziet u aan uw eigen trend dat de regelaar verkeerd staat

Hier komt het praktische deel. U hebt geen speciale software nodig om de meest voorkomende problemen te herkennen. Zet PV, SP en klepstand van dezelfde kring onder elkaar in één trend en kijk naar het volgende.

De regelaar staat te agressief

De PV slingert om het setpoint met een tamelijk vaste periode, en de klepstand beweegt onafgebroken mee. Vaak is er geen enkele verstoring aan te wijzen die de beweging veroorzaakt.

De test die het snelst uitsluitsel geeft: zet de kring even in handbediening en laat de klepstand staan. Komt het proces daarna tot rust, dan kwam de onrust niet uit het proces maar uit de regelaar. Dat is een van de meest voorkomende situaties die wij tegenkomen, en meestal ook een van de makkelijkst op te lossen.

De regelaar staat te traag

De PV keert na een verstoring maar langzaam terug naar het setpoint, of blijft er structureel net onder of boven hangen. De klepstand beweegt rustig, maar te weinig en te laat.

Dit valt zelden op, want er gebeurt niets alarmerends. Toch draait de installatie hierdoor voortdurend net naast het optimum, en dat is precies het soort verlies dat maandenlang onopgemerkt doorloopt.

De I-actie loopt vol

Bij een lange verstoring loopt de klepstand naar 0% of 100% en blijft daar hangen. Ondertussen blijft de I-actie optellen. Zodra de verstoring voorbij is, moet die opgebouwde correctie er eerst weer uit, en schiet het proces flink door voordat het terugkomt.

Herkenbaar aan een klepstand die lang tegen een grens aan ligt, gevolgd door een forse overshoot. Dit is een instelling- en begrenzingskwestie, geen defect.

De D-actie versterkt meetruis

De klepstand maakt kleine, snelle bewegingen die niet passen bij wat de PV doet. Zoom in op de trend: volgt de klepstand de ruis op de meting in plaats van de beweging van het proces, dan staat Td te hoog voor dit signaal, of ontbreekt er filtering.

Dit kost geen productie, maar wel kleppen. Het is slijtage waar geen enkele procesmatige reden voor is.

En soms ligt het niet aan de afstelling

Eén nuance die vaak wordt overgeslagen: niet elke oscillatie is een tuningprobleem. Een klep die blijft plakken door wrijving geeft een heel karakteristiek beeld. De klepstand loopt op, er gebeurt niets, de klep schiet los, het proces schiet door, en dat herhaalt zich. De PV krijgt dan een zaagtandvorm in plaats van een vloeiende golf.

Wie in zo’n kring aan de instellingen gaat draaien, lost niets op en maakt het meestal erger. Hetzelfde geldt voor kringen die elkaar beïnvloeden, waarbij de oorzaak van de onrust een kring verderop ligt. Onderscheid maken tussen deze gevallen is het echte werk, en het is de reden dat wij eerst analyseren en pas daarna iets veranderen.

Waarom een afstelling verloopt

De meeste regelaars zijn ingesteld bij inbedrijfstelling en daarna nooit meer geëvalueerd, terwijl het proces wel verandert. Warmtewisselaars vervuilen en de tijdconstante loopt op, kleppen slijten en de karakteristiek verschuift, de installatie draait op een ander werkpunt, of er is een pomp of een productmix vervangen. De instellingen zijn dan nog dezelfde, maar het proces waarop ze waren afgestemd bestaat niet meer.

Dat valt zelden op, want er gaat geen alarm af. De rekening loopt ondertussen door in verbruik, in slijtage aan kleppen en pompen, in procesmarge die opgaat aan onrust, en in variatie in het eindproduct. Een afstelling is daarom geen eenmalige klus.

Hoe u een PID-regelaar goed instelt

Er zijn ruwweg drie routes:

• Op gevoel. Draaien tot het er goed uitziet. Werkt soms, is niet herhaalbaar, en het resultaat hangt volledig af van wie er die dag stond.
• Met een klassieke methode. Ziegler-Nichols is de bekendste. Prima op papier, maar de klassieke variant vraagt dat u de kring tot aanhoudende oscillatie drijft. Op een installatie die gewoon moet blijven produceren is dat zelden een optie.
• Uit een berekening op procesdynamiek. Bepaal versterking, tijdconstante en dode tijd uit bestaande trenddata en reken de instellingen daaruit door. Geen experimenten op de installatie, en het resultaat is navolgbaar voor uw eigen engineers.

Die laatste route is waar wij mee werken. Hoe dat traject eruitziet, van kennismaking tot verificatiemeting, staat op onze aanpak.

Veelgestelde vragen

Waar staat PID voor? Proportioneel, Integrerend en Differentiërend. Dat zijn de drie manieren waarop de regelaar naar de regelafwijking kijkt: hoe groot ze nu is, hoe lang ze al duurt, en hoe snel ze verandert.

Wat is het verschil tussen PI en PID? Bij een PI-regelaar staat de D-actie op nul. Dat is in de procesindustrie eerder regel dan uitzondering, vooral bij flow- en drukregelingen, omdat D-actie meetruis versterkt. Bij trage processen met veel dode tijd of thermische massa kan D-actie wel meerwaarde hebben.

Kan ik een PID-regelaar zelf instellen? Voor een eenvoudige, snelle kring vaak wel. Lastig wordt het bij veel dode tijd, bij kringen die elkaar beïnvloeden, en bij installaties die tijdens het afstellen gewoon moeten doorproduceren. Dan is afstellen op gevoel duur, omdat u het resultaat niet kunt onderbouwen en niet kunt herhalen.

Hoe weet ik of het aan de regelaar ligt of aan de klep? Zet de kring in handbediening. Blijft het proces dan onrustig, dan ligt de oorzaak buiten de regelaar. Komt het tot rust, dan houdt de regelaar de beweging zelf in stand. Een zaagtandvormige PV bij een rustig setpoint wijst meestal op een klep die blijft plakken.

Benieuwd wat er in uw eigen kringen te halen valt?

Wij analyseren bestaande trenddata en rekenen door wat de optimale instellingen zijn. Geen extra hardware, geen stilstand, en u betaalt uit de besparing die daaruit volgt. Levert het niets op, dan betaalt u niets.

Plan een gesprek en we kijken samen naar uw situatie. U hoort binnen één à twee werkdagen van ons.