Monimuuttuja-PI-säätö automaatiojärjestelmässä

Abstract

Monimuuttujaprosesseissa esiintyvät ristikkäisvaikutukset haittaavat prosessin säätöä, koska ne aiheuttavat säädettäviin suureisiin epätoivottavia muutoksia. Ristikkäisvaikutukset syntyvät siitä, kun muutos tai häiriö yhdessä säätöpiirissä häiritsee toisen säätöpiirin toimintaa. Tässä työssä selvitetään SISO- ja MIMO-säädön periaatteellisia eroja ja niiden käyttöä paperikoneen perälaatikkoprosessissa, jossa esiintyy vahvat ristikkäisvaikutukset. Työn tavoitteena on selvittää, kuinka MIMO-säädöllä voidaan ottaa huomioon prosessissa olevat ristikkäisvaikutukset ja näin parantaa säätöä.

Paperikoneen säädön täytyy olla tarkkaa, koska valmiin paperin on täytettävä sille asetetut laatuvaatimukset. Perälaatikko on paperikoneen alkupäässä ja sen tehtävänä on paperimassan tasainen ja oikealla nopeudella tapahtuva levittäminen paperikoneen viiralle. Paperikoneen perälaatikossa on kaksi säädettävää suuretta: paine ja pinnankorkeus. Näitä säätävillä ohjaussuureilla on voimakkaat ristikkäisvaikutukset toisiinsa, mikä vaikeuttaa perälaatikon tarkkaa säätöä.

SISO-säädön toiminta perustuu yhteen sisäänmenoon ja yhteen ulostuloon, kun taas MIMO säädössä on useita sisäänmenoja ja useita ulostuloja. Monimuuttujaprosesseissa käytetään molempia säätömenetelmiä eri käyttökohteesta riippuen. SISO-säädössä, eli käytettäessä yksikkösäätimiä, säätimet eivät ole tietoisia toisten yksikkösäätimien toiminnasta, minkä takia säätimet kilpailevat keskenään ja huonontavat näin säätöä.

Yksikkösäätimiä käytettäessä tämä ongelma ratkaistaan niin, että tärkeämpi piiri viritetään halutuksi ja toissijainen piiri viritetään hitaaksi, jolloin sen toiminta vaikuttaa vähemmän tärkeämpään piiriin. Tällöin säätö ei voi olla lähelläkään ideaalista tilannetta. Yksikkösäätimiä käytettäessä monimuuttujaympäristöissä on myös huomioitava, miten eri sisäänmeno-ulostulo parit on kytkettävä, jotta säätö olisi paras mahdollinen. MIMO-säätöä voidaan soveltaa monin eri tavoin, mutta sen yleisperiaatteena on säädin, joka kykenee hallitsemaan useita sisäänmeno ulostulo-pareja. Tällöin säädin kykenee huomioimaan paremmin samanaikaisesti säädettävien suureiden vaikutukset toisiinsa kuin SISO-säädin. Tässä työssä selvitetään tarkemmin mallipohjaista monimuuttuja-PI-säädintä, jonka avulla ristikkäisvaikutuksia voidaan pienentää.

Monimuuttujasäädinrakenne paransi perälaatikkoa jäljittelevän prosessin säätöä, kun paineen säätö viritettiin nopeammaksi kuin pinnankorkeuden säätö. MIMO-säädin ei onnistunut parantamaan säätöä IAE-hyvyyskriteerin kannalta, kun pinnankorkeuden säätö viritettiin lähemmäksi paineen säädön nopeutta.