Bir Ve İki Serbestlik Dereceli Süreç Kontrol Yapıları İçin Tasarım Yöntemleri

Abstract

PID kontrolör, 70 yılı aşkın geçmişine rağmen, endüstride halen en çok tercih edilen kontrolör yapısıdır. Buna rağmen, yapılan araştırmalarda, endüstrideki kontrolörlerin birçoğunun yanlış ayarlandığı göze çarpmaktadır. Bunun bir nedeni de literatürdeki çalışmaların, akademik çevrelerden yeterli derecede dışarı çıkmayıp, alt seviyelerde kullanımının yaygınlaşamamasıdır. Bu problem göz önünde bulundurularak, PID kontrolör yapısına dair yakın tarihte öne çıkan ve dikkate değer ayar yöntemlerinin incelenip bir arada sunulması önemli bulunmuştur. Seçilen yöntemlerin detaylı analizleri yapılmış, benzetim çalışmalarıyla da etkinlikleri aralarında kıyaslanmıştır. Daha sonra ise, ilgili yöntemlerin daha iyi ve kolay anlaşılması amacıyla incelenen her çalışmayı kapsayacak bir şekilde pratik ve esnek bir arayüz geliştirilmiş, adı geçen çalışmaların birbiriyle kıyaslanması, benzetimlerinin yapılması daha kolay hale getirilmiştir. Bu bölümde sunulan kullanıcı arayüzünün, ilgili alanlardaki eğitim-öğretim faaliyetlerine yardımcı olacak, hızlandıracak ve eğlenceli hale getirecek bir araç olarak kullanılabileceği düşünülmüştür. Tezin birinci bölümünde, süreç kontrol yapılarının tarihsel gelişimi referanslarla açıklanmıştır. İlgili yapının endüstriyel süreç kontrol uygulamalarındaki yeri, tercih sebepleri ve başarılı olduğu yönler tartışılmıştır. Bu bölümde, yapılan literatür araştırması verilmiş, öne çıkan yöntemlere değinilmiş ve uygun sıra takip edilerek açıklanmıştır. İkinci bölümünde süreç kontrol yapılarını daha yakından tanımak için, temel kontrol kavram ve bilgileri verilmiştir. Bu bölümde, sonraki bölümlerde bahsedilecek konu ve kavramlara temel oluşturulmaya çalışılmıştır. Üçüncü bölümde, bir serbestlik dereceli (1-SD) kontrolör yapıları ele alınmıştır. Bu yapıya ait beş temel ayar yöntemi detaylıca işlenmiş, avantaj ve dezavantajları tartışmaya sunulmuştur. İlgili yöntemlere ait ayar kuralları ve modeller MATLAB/Simulink ortamına birebir olarak aktarılarak benzetimleri gerçekleştirilmiştir. Dördüncü bölümde, 1-SD kontrolör yapılarının yetersiz kaldığı ödünleşim hususlarını, kontrolördeki dördüncü ekstra parametreyle aşan, iki serbestlik dereceli (2-SD) kontrolör yapılarına yer verilmiştir. Güncel ve önemli bulunan iki temel yöntem bu kısımda sunulmuştur. Süreç modelleri, ayar kuralları ve ilgili yöntemlerin önemli hususları ele alınmıştır. Beşinci bölümde, önceki iki bölümde yer alan 1 ve 2-SD kontrolör yapılarına ilişkin ayar yöntemleri kendi aralarında, önemli nitelikler bakımından kıyaslanmıştır. Daha sonra ise 1 ve 2-SD kontrolör yapılarına ait ayar yöntemleri birbirleri arasında karşılaştırılmıştır. Elde edilen bulgular ışığında 1 ve 2-SD ayar yöntemlerinin artı ve eksikleri, birbirlerine göre üstünlükleri yorumlanmış ve hangi durumlarda tercih edilebilecekleri anlatılmıştır. Altıncı bölümde, önceki bölümlerde verilen yöntemlerin yer aldığı bir arayüz tasarımına değinilmiştir. Tez çalışması süresince elde edilen bilgi birikiminin böyle bir ortama aktarılması ve bu şekilde sunulması, daha sonra benzer konularla ilgilenecek araştırmacı ve öğrencilerin çalışmalarını kolaylaştıracak, hızlandıracak ve ilgili konuları kavramalarında yardımcı olabilecek bir pratik araç oluşturmak maksadıyla yapılmıştır. Tasarlanan arayüz, ayrıca özelleştirilip, kişiselleştirilebilecek pratik, kullanışlı bir altyapı sunmaktadır. Son bölümde ise tez çalışması boyunca yapılanlar ve elde edilen çıkarımlar yorumlanmış, gelecek çalışmalarda izlenebilecek yol ve atılacak adımlara ve çalışmalarla ilgili önerilere yer verilmiştir.

The aim of a control system is to obtain a desired response for a given system. This can be carried out with an open-loop control system, where the controller determines the input signal to the process based on the reference signal only, or with a closed-loop control system, where the controller determines the input signal to the process by using also the measurement of the output (i.e., the feedback signal). Feedback control is actually essential to keep the process variable close to the desired value in spite of disturbances and variations of the process dynamics, and the development of feedback control methodologies has had a tremendous impact in many different fields of the engineering. Besides, nowadays the availability of control system components at a lower cost has favored the increase of the applications of the feedback principle (for example in consumer electronics products). Despite new and effective theories and design methodologies being continually developed in automatic control field, Proportional-Integral-Derivative (PID) controllers are still by far the most widely adopted controllers in the industry owing to the advantageous cost/benefit ratio they are able to provide. In fact, although they are relatively simple to use, they are able to provide a satisfactory performance in many process control tasks. Indeed, their long history and the knowledge that has been devised over the years has consolidated their usage as a standard feedback controller. PID control remains important for three reasons: past record of success, wide availability and simplicity in use. These reasons reinforce one another, thereby ensuring that the more general framework of digital control with high order controllers has not really been able to displace PID control. It is really only when the process situation demands a more sophisticated controller or a more involved controller solution to control a complex process that the control engineer uses more advanced techniques. Even in the case where the complexity of the process demands a multi-loop or multivariable control solution, a network based on PID control building blocks is often used. However, despite decades of development work, surveys indicating the state of the art of control in industrial practice report sobering results. According to one, it is stated that thousands of control loops in hundreds of plants, it has been found that more than 30% of installed controllers are operating in manual mode and 65% of loops operating in automatic mode produce less variance in manual than in automatic (i.e. the automatic controllers are poorly tuned). Therefore, it is important to encourage new developments in PID control tuning methods for the usage in process control industry. During the last years, many researches put an interest to tradeoff issue in PID controller tuning. The most important tradeoff is between robustness/performance and servo regulator for 1-DoF PID structures. There has been the control system’s performance - as well as - the robustness must be considered as important attributes that every control-loop has to consider. From the performance side, considering the two possible modes of operation for the system, the requirements have to include good disturbance rejection (regulation-control) and set-point tracking (servo-control), what represents by itself a trade-off between these both considerations. Moreover, if we look from the system’s robustness point of view, due the process variations, it is an important aspect that should be included explicitly in the design stage. However, the accomplishment of the corresponding robustness specification is not always verified, therefore affecting the trade-off between performance and robustness. Taking into account that in industrial process control applications, it is required a good load-disturbance rejection (usually known as regulatory-control), as well as, a good transient response to set point changes (known as servo-control operation), the controller design should consider both possibilities of operation. Moreover, it is important that every control system provides a certain degree of robustness, in order to preserve the closed-loop dynamics, to possible variations in the process. Therefore, the robustness issue should be included within the multiple trade-offs presented in the control design and it must be solved on a balanced way. With respect to performance, the Two-Degree-of-Freedom (2-DoF) formulation is aimed at trying to meet both objectives. Two closed-loop transfer functions can be adjusted independently and the design is usually state for optimal regulation operation and suboptimal for servo-control. This suboptimal behavior is achieved using a set-point weighting factor, as an extra tuning parameter, that gives the second Degree-of-Freedom to improve the tracking action. Considering aforementioned issues, it is important to have 1-DoF PID controller designs that ensures appropriate balance between robustness/performance and servo/regulator tradeoffs when explicit Two-Degree-of-Freedom (2-DoF) PID controllers are not available. Thesis study also includes the comparison of 1-DoF and 2-DoF PID controllers in terms of performance, robustness issues, advantages and drawbacks. In the thesis, it is considered 1 and 2-DoF PI-PID controller structures in the scope of FOPDT, SOPDT and IPDT process models. The first part of the thesis includes the rise and evolution of PID controller structures in a chronological manner with substantial references. In that part, the importance of PID controller structures explained and the reasons for their dominance and success among process control environment clarified. The second part of the thesis handles the important concepts and information regarding the control theory and process control applications. This part is intended for the reader to ensure that offering necessary knowledge considering related topics and concepts. Third part approaches tuning of PID controllers with a focus on 1-DoF structures. In that part, five featured 1-DOF PID tuning methods investigated and analyzed. The derivation of tuning rules given thoroughly. All five tuning methods and regarding system models are simulated on MATLAB/Simulink environment and results are discussed. In the fifth part, the other controller structure, 2-DoF PID controllers and their tuning methods discussed. Two significant 2-DoF PID tuning rules given whom both include robustness constraint in terms of maximum sensitivity value in their design steps. As also explained during the chapter, 2-DoF PID controller succeeds to overcome robustness/performance and servo/regulator tradeoff in which 1-DoF PID lacks of. In the sixth part, design and utilization of a graphical user interface (GUI) served. The designed GUI includes all seven PID tuning methods for simulation and analysis purposes. It is considered as valuable that importing and serving all tuning methods also acquired knowledge during thesis in such a handy tool. In this way, the designed GUI may be used for the sake of researchers and students to accelerate their studies and provide better understanding for the related topics. Moreover, the presented GUI is easy to use and capable of being customized for different methods and custom simulations. In the last part, all achievements during the thesis studies are compiled and discussed. The future work to be performed is mentioned.