Kaskadisäädön anti-windup-toteutus Arduino-mikrokontrollerilla

Abstract

Kaskadisäätö on useaa säädintä hyödyntävä säätörakenne, jolla pystytään kompensoimaan osa prosessiin kohdistuvista häiriöistä nopeammin kuin yksikkösäädintä käyttämällä. Kahden säätimen kaskadisäädin koostuu nopeampaa aliprosessia säätävästä sekundäärisäätimestä ja hitaampaa pääprosessia säätävästä primäärisäätimestä. Kaskadisäädössä on kuitenkin kiinnitettävä erityistä huomiota säätimen integraattorin arvon liialliseen kasvamiseen tai pienenemiseen eli windup-ilmiöön. Windup-ilmiötä esiintyy ohjauksen saturoituessa, kun käytetään integroivaa säädintä, ja kaskadisäädössä myös tilanteissa, joissa yhteys säätimien välillä katkeaa. Tämän työn kirjallisuustutkimusosassa tutustuttiin kahteen eri windup-ilmiön kompensoimiseksi kehitettyyn anti-windup-toimintoon. Vertailtaviksi anti-windup-toiminnoiksi valittiin clamping- ja back calculation -toiminnot. Lisäksi selvitettiin, miten varmistetaan anti-windupin toimiminen kaskadisäädössä. Työn käytännön osuudessa toteutettiin c++-kielellä helppokäyttöinen anti-windup-toiminnolla varustettu kaskadisäädin, joka on käytettävissä Arduino-mikrokontrollerilla. Säädintä testattiin pinnankorkeuden säätöprosessilla, jossa on erillinen sisääntulovirtauksen mittaus kaskadisäädön hyödyntämiseksi. Työssä myös mallinnettiin sisääntulovirtaus- ja pinnankorkeusprosessit säätimien mallipohjaista virittämistä varten. Pinnankorkeuden säätöprosessilla varmistettiin, että säädin toimi oikein, ja tutkittiin kokeellisesti kaskadisäädön etuja verrattuna yksikkösäätöön sekä antiwindup-toimintojen välisiä eroja. Tutkimuksessa havaittiin, että kaskadisäätöä käyttämällä pinnankorkeussäädön häiriönsietokyky paranee merkittävästi häiriön kohdistuessa sisääntulovirtaukseen, eli häiriön ollessa sekundäärisäätimen havaittavissa. Häiriön kohdistuessa ulostulovirtaukseen, eli kun häiriö ei ole sekundäärisäätimen havaittavissa, kaskadisäädön ja yksikkösäädön välillä ei havaittu eroja. Vertailluista anti-windup-toiminnoista clamping-toiminto on helppokäyttöisempi, sillä se ei vaadi ylimääräisiä viritysparametrejä toisin kuin back calculation -toiminto, mutta kirjallisuustutkimuksen perusteella back calculation tuottaa oikein viritettynä paremman säätötuloksen. Kokeellisessa tutkimuksessa tätä eroa ei kuitenkaan havaittu.