Indirect Frequency Optimality Indicators for Automatic Tuning of Controllers: Consideration of the Dependence on the Process Model Parameters
DOI:
https://doi.org/10.24160/1993-6982-2019-6-106-114Keywords:
automatic closed-loop control system, PID controller, PI controller, frequency responses, automatic tuning, indirect optimality indicators, approximation, process modelAbstract
The problem of tuning automatic closed-loop control systems equipped with PI and PID controllers with applying indirect optimality conditions based on the general properties of the frequency responses of typical control systems around the resonance frequency is considered. The above mentioned conditions boil down to the requirement according to which the complex frequency responses of the systems around the resonance frequency must have certain specified values of the parameters, called indirect frequency optimality indicators. The advantages of these optimality conditions are that they implement a systems approach to the tuning of controllers proceeding from the requirements for the system as a whole; in addition, they are convenient for adjustment subject to specific requirements for the system stability margin and the kind of quality indicator. The article presents calculation and approximation formulae for calculating the optimal values of indicators as functions of the parameters of the second-order process model with a time delay, which are obtained from accomplishing the first step of the automatic controller tuning algorithm. The calculation formulae are obtained proceeding from the primary optimality conditions that imply minimizing the integral control quality indicator subject to a constraint imposed on the frequency oscillatory indicator. Examples of calculating the tuning of PI and PID controllers using the indirect frequency indicators are given.
References
1. O'Dwyer A. Handbook of PI end PID Controller Tuning Rules. London: Imperial College Press, 2009.
2. Pereira R., Veronesi M., Visioli A., Normey-Rico J., Torrico B. Implementation and Test of a New Autotuning Method for PID Controllers of TITO Processes // Control Engineering Practice. 2017. V. 58. Pp. 171—185.
3. Kula K.S. The Autotuned Dead-time Compensating Control System with Improved Disturbance Rejection // IFAC-Papers. 2016. V. 49. Iss. 25. Pp. 529—534.
4. Berner J., Soltesz K., Hagglund T., Astrom K.J. Autotuner Identification of TITO Systems Using a Single Relay Feedback Experiment // IFAC-Papers. 2017. V. 50. Iss. 1. Pp. 6619—6623.
5. Болдинов И.А. Автоматизация настройки двухконтурной системы регулирования со сложным дифференциатором // Вестник МЭИ. 2015. № 3. С. 16—21.
6. Алексеев А.С., Замятин С.В. Параметрическая автонастройка регуляторов многоконтурных систем автоматического регулирования // Известия Томского политех. ун-та. 2010. Т. 316. № 5. С. 21—25.
7. Кожевников А.В. Оптимизация автонастройки модальных регуляторов электроприводов // Вестник Череповецкого гос. ун-та. 2015. № 5. С. 17—20.
8. Кожевников А.В., Кочнева Т.Н., Кочнев Н.В. Модальное управление с автонастройкой регулятора в линеаризованных двухмассовых электромеханических системах // Проблемы управления. 2015. № 6. С. 2—9.
9. De Keyser R., Muresan C.I., Ionescu C.I. Autotuning of a Robust Fractional Order PID Сontroller // IFAC- Papers. 2018. V. 51. Iss. 25. Pp. 466—471.
10. Jahanshahi E., Sivalingam S., Schofield J.B. Industrial Test Setup for Autotuning of PID Controllers in Large-scale Processes: Applied to Tennessee Eastman Process // IFAC-Papers. 2015. V. 48. Iss. 8. Pp. 469—476.
11. Киркхов Ю. и др. Автоматическая настройка систем позиционирования при использовании алгоритмов адаптивной фильтрации // Компоненты и технологии. 2011. № 5. С. 140—145.
12. Akshay N., Subbulekshmi D. Online Auto Selection of Tuning Methods and Auto Tuning PI Сontroller in FOPDT Real Time Process – pH Neutralization // Energy procedia. 2017. V. 117. Pp. 1109—1116.
13. Ротач В.Я. Теория автоматического управления. М.: Издат. дом МЭИ, 2008.
14. Ротач В.Я. и др. Автоматизация настройки систем управления. М.: Энергоиздат, 1984.
15. Кузищин В.Ф., Царев В.С. Алгоритмы ускоренной автоматической настройки регуляторов с оценкой модели объекта по его реакции на импульсное воздействие и в режиме автоколебаний // Теплоэнергетика. 2014. № 4. С. 35—44.
---
Для цитирования: Кузищин В.Ф., Мерзликина Е.И., Хоанг Ван Ва. Косвенные частотные показатели оптимальности для автоматической настройки регуляторов: учет зависимости от параметров модели объекта // Вестник МЭИ. 2019. № 6. С. 106—114. DOI: 10.24160/1993-6982-2019-6-106-114.
#
1. O'Dwyer A. Handbook of PI end PID Controller Tuning Rules. London: Imperial College Press, 2009.
2. Pereira R., Veronesi M., Visioli A., Normey-Rico J., Torrico B. Implementation and Test of a New Autotuning Method for PID Controllers of TITO Processes. Control Engineering Practice. 2017;58:171—185.
3. Kula K.S. The Autotuned Dead-time Compensating Control System with Improved Disturbance Rejection. IFAC-Papers. 2016;49;25:529—534.
4. Berner J., Soltesz K., Hagglund T., Astrom K.J. Autotuner Identification of TITO Systems Using a Single Relay Feedback Experiment. FAC-Papers. 2017;50;1: 6619—6623.
5. Boldinov I.A. Avtomatizatsiya Nastroyki Dvukhkonturnoy Sistemy Regulirovaniya So Slozhnym Differentsiatorom. Vestnik MEI. 2015;3:16—21. (in Russian).
6. Alekseev A.S., Zamyatin S.V. Parametricheskaya Avtonastroyka Regulyatorov Mnogokonturnykh Sistem Avtomaticheskogo Regulirovaniya. Izvestiya Tomskogo Politekh. Un-ta. 2010;316;5:21—25. (in Russian).
7. Kozhevnikov A.V. Optimizatsiya Avtonastroyki Modal'nykh Regulyatorov Elektroprivodov. Vestnik Cherepovetskogo Gos. Un-ta. 2015;5:17—20. (in Russian).
8. Kozhevnikov A.V., Kochneva T.N., Kochnev N.V. Modal'noe Upravlenie s Avtonastroykoy Regulyatora v Linearizovannykh Dvukhmassovykh Elektromekhanicheskikh Sistemakh. Problemy Upravleniya. 2015;6:2—9. (in Russian).
9. De Keyser R., Muresan C.I., Ionescu C.I. Autotuning of a Robust Fractional Order PID Сontroller. IFAC- Papers. 2018;51;25:466—471.
10. Jahanshahi E., Sivalingam S., Schofield J.B. Industrial Test Setup for Autotuning of PID Controllers in Large-scale Processes: Applied to Tennessee Eastman Process. IFAC-Papers. 2015;48;8:469—476.
11. Kirkkhov Yu. i dr. Avtomaticheskaya Nastroyka Sistem Pozitsionirovaniya pri Ispol'zovanii Algoritmov Adaptivnoy Fil'tratsii. Komponenty i Tekhnologii. 2011;5: 140—145. (in Russian).
12. Akshay N., Subbulekshmi D. Online Auto Selection of Tuning Methods and Auto Tuning PI Сontroller in FOPDT Real Time Process – pH Neutralization. Energy procedia. 2017;117:1109—1116.
13. Rotach V.Ya. Teoriya Avtomaticheskogo Upravleniya. M.: Izdat. Dom MEI, 2008. (in Russian).
14. Rotach V.Ya. i dr. Avtomatizatsiya Nastroyki Sistem Upravleniya. M.: Energoizdat, 1984. (in Russian).
15. Kuzishchin V.F., Tsarev V.S. Algoritmy Uskorennoy Avtomaticheskoy Nastroyki Regulyatorov s Otsenkoy Modeli Obyekta po Ego Reaktsii na Impul'snoe Vozdeystvie i v Rezhime Avtokolebaniy. Teploenergetika. 2014;4: 35—44. (in Russian).
---
For citation: Kuzishchin V.F., Merzlikina E.I., Hoang Van Va. Indirect Frequency Optimality Indicators for Automatic Tuning of Controllers: Consideration of the Dependence on the Process Model Parameters. Bulletin of MPEI. 2019;6:106—114. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2019-6-106-114.
2. Pereira R., Veronesi M., Visioli A., Normey-Rico J., Torrico B. Implementation and Test of a New Autotuning Method for PID Controllers of TITO Processes // Control Engineering Practice. 2017. V. 58. Pp. 171—185.
3. Kula K.S. The Autotuned Dead-time Compensating Control System with Improved Disturbance Rejection // IFAC-Papers. 2016. V. 49. Iss. 25. Pp. 529—534.
4. Berner J., Soltesz K., Hagglund T., Astrom K.J. Autotuner Identification of TITO Systems Using a Single Relay Feedback Experiment // IFAC-Papers. 2017. V. 50. Iss. 1. Pp. 6619—6623.
5. Болдинов И.А. Автоматизация настройки двухконтурной системы регулирования со сложным дифференциатором // Вестник МЭИ. 2015. № 3. С. 16—21.
6. Алексеев А.С., Замятин С.В. Параметрическая автонастройка регуляторов многоконтурных систем автоматического регулирования // Известия Томского политех. ун-та. 2010. Т. 316. № 5. С. 21—25.
7. Кожевников А.В. Оптимизация автонастройки модальных регуляторов электроприводов // Вестник Череповецкого гос. ун-та. 2015. № 5. С. 17—20.
8. Кожевников А.В., Кочнева Т.Н., Кочнев Н.В. Модальное управление с автонастройкой регулятора в линеаризованных двухмассовых электромеханических системах // Проблемы управления. 2015. № 6. С. 2—9.
9. De Keyser R., Muresan C.I., Ionescu C.I. Autotuning of a Robust Fractional Order PID Сontroller // IFAC- Papers. 2018. V. 51. Iss. 25. Pp. 466—471.
10. Jahanshahi E., Sivalingam S., Schofield J.B. Industrial Test Setup for Autotuning of PID Controllers in Large-scale Processes: Applied to Tennessee Eastman Process // IFAC-Papers. 2015. V. 48. Iss. 8. Pp. 469—476.
11. Киркхов Ю. и др. Автоматическая настройка систем позиционирования при использовании алгоритмов адаптивной фильтрации // Компоненты и технологии. 2011. № 5. С. 140—145.
12. Akshay N., Subbulekshmi D. Online Auto Selection of Tuning Methods and Auto Tuning PI Сontroller in FOPDT Real Time Process – pH Neutralization // Energy procedia. 2017. V. 117. Pp. 1109—1116.
13. Ротач В.Я. Теория автоматического управления. М.: Издат. дом МЭИ, 2008.
14. Ротач В.Я. и др. Автоматизация настройки систем управления. М.: Энергоиздат, 1984.
15. Кузищин В.Ф., Царев В.С. Алгоритмы ускоренной автоматической настройки регуляторов с оценкой модели объекта по его реакции на импульсное воздействие и в режиме автоколебаний // Теплоэнергетика. 2014. № 4. С. 35—44.
---
Для цитирования: Кузищин В.Ф., Мерзликина Е.И., Хоанг Ван Ва. Косвенные частотные показатели оптимальности для автоматической настройки регуляторов: учет зависимости от параметров модели объекта // Вестник МЭИ. 2019. № 6. С. 106—114. DOI: 10.24160/1993-6982-2019-6-106-114.
#
1. O'Dwyer A. Handbook of PI end PID Controller Tuning Rules. London: Imperial College Press, 2009.
2. Pereira R., Veronesi M., Visioli A., Normey-Rico J., Torrico B. Implementation and Test of a New Autotuning Method for PID Controllers of TITO Processes. Control Engineering Practice. 2017;58:171—185.
3. Kula K.S. The Autotuned Dead-time Compensating Control System with Improved Disturbance Rejection. IFAC-Papers. 2016;49;25:529—534.
4. Berner J., Soltesz K., Hagglund T., Astrom K.J. Autotuner Identification of TITO Systems Using a Single Relay Feedback Experiment. FAC-Papers. 2017;50;1: 6619—6623.
5. Boldinov I.A. Avtomatizatsiya Nastroyki Dvukhkonturnoy Sistemy Regulirovaniya So Slozhnym Differentsiatorom. Vestnik MEI. 2015;3:16—21. (in Russian).
6. Alekseev A.S., Zamyatin S.V. Parametricheskaya Avtonastroyka Regulyatorov Mnogokonturnykh Sistem Avtomaticheskogo Regulirovaniya. Izvestiya Tomskogo Politekh. Un-ta. 2010;316;5:21—25. (in Russian).
7. Kozhevnikov A.V. Optimizatsiya Avtonastroyki Modal'nykh Regulyatorov Elektroprivodov. Vestnik Cherepovetskogo Gos. Un-ta. 2015;5:17—20. (in Russian).
8. Kozhevnikov A.V., Kochneva T.N., Kochnev N.V. Modal'noe Upravlenie s Avtonastroykoy Regulyatora v Linearizovannykh Dvukhmassovykh Elektromekhanicheskikh Sistemakh. Problemy Upravleniya. 2015;6:2—9. (in Russian).
9. De Keyser R., Muresan C.I., Ionescu C.I. Autotuning of a Robust Fractional Order PID Сontroller. IFAC- Papers. 2018;51;25:466—471.
10. Jahanshahi E., Sivalingam S., Schofield J.B. Industrial Test Setup for Autotuning of PID Controllers in Large-scale Processes: Applied to Tennessee Eastman Process. IFAC-Papers. 2015;48;8:469—476.
11. Kirkkhov Yu. i dr. Avtomaticheskaya Nastroyka Sistem Pozitsionirovaniya pri Ispol'zovanii Algoritmov Adaptivnoy Fil'tratsii. Komponenty i Tekhnologii. 2011;5: 140—145. (in Russian).
12. Akshay N., Subbulekshmi D. Online Auto Selection of Tuning Methods and Auto Tuning PI Сontroller in FOPDT Real Time Process – pH Neutralization. Energy procedia. 2017;117:1109—1116.
13. Rotach V.Ya. Teoriya Avtomaticheskogo Upravleniya. M.: Izdat. Dom MEI, 2008. (in Russian).
14. Rotach V.Ya. i dr. Avtomatizatsiya Nastroyki Sistem Upravleniya. M.: Energoizdat, 1984. (in Russian).
15. Kuzishchin V.F., Tsarev V.S. Algoritmy Uskorennoy Avtomaticheskoy Nastroyki Regulyatorov s Otsenkoy Modeli Obyekta po Ego Reaktsii na Impul'snoe Vozdeystvie i v Rezhime Avtokolebaniy. Teploenergetika. 2014;4: 35—44. (in Russian).
---
For citation: Kuzishchin V.F., Merzlikina E.I., Hoang Van Va. Indirect Frequency Optimality Indicators for Automatic Tuning of Controllers: Consideration of the Dependence on the Process Model Parameters. Bulletin of MPEI. 2019;6:106—114. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2019-6-106-114.
Downloads
Published
2019-02-20
Issue
Section
Automation and Control of Technological Processes and Production (05.13.06)
