Nejčastější chyby regulace otopných systémů a řešení samonastavujícími se regulátory
PID regulátor je složený z proporcionální, integrační a derivační části. Při nevhodně nastavených parametrech může docházet k nežádoucím jevům v otopných systémech. Jejich potlačení umožňuje funkce samonastavení.
Úvod
Článek se zabývá problematikou regulace otopných systémů. V dnešních otopných systémech tvoří regulace nedílnou, ale v praxi nezřídka kdy opomíjenou, součást. Pro spojité řízení, kterému se článek věnuje, se nejčastěji používá PID regulátor (jméno odráží fakt, že je složený z proporcionální, integrační a derivační části). PID regulátor má několik parametrů, které určují jeho chování. Při nevhodně nastavených parametrech může docházet k různým nežádoucím jevům jako jsou oscilace, překmity, nebo nedotápění. Důsledkem pak mohou být hydraulické problémy v otopné soustavě, diskomfort, případně snížení životnosti směšovacích ventilů. Bohužel, v praxi není často vhodnému nastavení parametrů věnována patřičná pozornost a dochází ke zmíněným nežádoucím jevům. V článku bude představen koncept samonastavujícího se regulátoru – RoboPID, který vznikl v rámci spolupráce Univerzitního centra energeticky efektivních budov ČVUT a firmy Energocentrum Plus, s.r.o.
Regulace otopných systémů
Pro regulace otopných systémů využíváme spojité PID regulátory. Existují však i jiné regulace, například ON/OFF regulátor, který zapíná a vypíná aktuátor a v soustavě tak dochází k oscilaci řízené veličiny. ON/OFF regulace s hysterezí se využívá například pro elektrický ohřev TUV. PID regulátor byl poprvé využit v roce 1920 pro automatické kormidlování lodí. Poté byla PID regulace aplikována na automatické řízení procesů v průmyslu, kde byl regulátor řešen pneumaticky a až následně elektronicky. Dnes se PID regulátory používají v číslicové podobě.
Jedním z úkolů při použití PID regulátoru je nastavení jeho parametrů, které lze provést pomocí různých metod, například Ziegler-Nichols [2], Lipták [3], Witt-Waggoner [3], Haalman [4] a další. Nastavení parametrů regulátoru tak, aby pracoval správně, má svá specifika. Řešením nastavení parametrů regulátoru může být i samonastavující regulátor. Samonastavující se regulátor má určité výchozí naladění, které může způsobovat nedotápění, oscilace soustavy a jiné nežádoucí jevy. Postupnými automatickými úpravami se regulátor přeladí tak, aby k těmto nežádoucím jevům nedocházelo.
Diagnostika regulačních smyček
Pro hodnocení kvality regulace existují řada kritérií. Komplexně se problematice hodnocení kvality věnuje disertační práce [1]. V tomto článku se omezíme pouze na výčet vybraných kritérií, která byla implementována a vyhodnocena v rámci projektu RoboPID:
- Odchylka od požadované hodnoty
Toto kritérium integruje rozdíl mezi požadovanou a skutečnou hodnotou výstupu regulátoru - Regulační chyba v ustáleném stavu
Toto kritérium počítá minimální, maximální a průměrnou odchylku požadované a skutečné hodnoty v ustáleném stavu. - Počet oscilací
Toto kritérium počítá počet průchodů regulační odchylky nulou. Pro započítání průchodu je třeba aby se regulační odchylka v absolutní hodnotě překročila zadanou minimální hodnotu. - Překmit požadované hodnoty
Toto kritérium analyzuje skokové změny požadované hodnoty. Při překročení zadané hranice se počítá procentuální překmitnutí skutečné hodnoty od požadované. - Analýza rozsahu vstupu
Toto kritérium analyzuje rozdíl mezi maximální a minimální hodnotou vstupu regulátoru na plovoucím okně.
Při použití vhodných algoritmů je možné diagnostikovat chybně nastavenou regulaci na základě měřených dat. Je třeba zajistit dostatečně hustou periodu vzorkování měřených dat. V dnešních systémech se setkáváme typicky se vzorkováním 5 minut, ale není výjimkou ani vzorkování s hodinovým krokem. Pro diagnostiku regulace je ideální vzorkování v řádu max. jednotek sekund, aby byly postihnuty zkoumané jevy (viz Nyquistův–Shannonův vzorkovací teorém). Nicméně některé nežádoucí jevy lze detekovat i na základě dat s méně hustým vzorkováním.
Níže jsou komentované ukázky vybraných detekovaných regulačních problémů. Ve všech případech je po celou dobu v chodu oběhové čerpadlo, tudíž není v grafech uvedeno.
Obr. 1 Příklad nadměrných oscilací vlivem chybně nastaveného PID regulátoru. Teplota otopné vody se mění v rozsahu 42 °C až 58 °C, a to během několika minut, a nedochází k ustálení soustavy.
Obr. 2 Příklad výrazného překmitu, kdy po druhé ranní hodině dochází ke skokové změně požadované teploty otopné vody z 33 °C na 43 °C. Na to regulace reaguje úplným otevřením ventilu, což má za následek krátkodobý nárůst teploty otopné vody až na 58 °C, tj. o 15 °C více než je požadováno. Opět se jedná o chybu regulace.
Obr. 3 Příklad výrazného nedotápění otopného okruhu, kdy od páté ranní hodiny není dosaženo požadované hodnoty. V době nedotápění ventil reguluje pouze v pásmu 0 až 40 %, tudíž se jedná o chybu regulace.
Obr. 4 Příklad systematického přetápění otopného okruhu. V tomto případě se ale nejedná o chybu regulace, jelikož je ventil většinu času uzavřen. Tudíž lze usuzovat na mechanickou poruchu směšovacího ventilu.
Zajímavým vedlejším efektem implementovaných pravidel je možnost detekování výborně fungující regulačních smyček. Níže je uveden ukázkový příklad toho, jak také může regulace teploty otopné vody vypadat.
Obr. 5 Příklad velmi dobře naladěné regulace. Teplota otopné vody sleduje požadovanou teplotu s odchylkou v řádu desetin °C a s minimálním překmitem a zpožděním po změně požadované hodnoty.
V průběhu řešení bylo analyzováno 538 otopných okruhů, což zahrnuje 2 501 unikátních datových bodů. Díky vzorkování na úrovni vteřin bylo uloženo a analyzováno enormní množství záznamů, konkrétně přes 3 miliardy unikátních záznamů (tj. pár časová známka – hodnota). Ke zpracování dat byl použit systém Mervis SCADA a analytická platforma SkySpark, díky které byl možný komplexní pohled na celé portfolio stovek otopných okruhů.
Obr. 6 Ukázka diagnostiky regulačních smyček. V levé části jsou jednotlivé smyčky (řádky) a jednotlivá kritéria (sloupce). V pravé části je pak detail aktuálně vybrané smyčky, která vykazuje problém týkající se oscilace.
Samonastavující se regulátor PID
Algoritmus samoladění může pracovat tak, že fyzikální popis a data z procesu definují jeho matematický model, který následně spolu s kritériem optimality tvoří vstup pro vytvoření optimálního zákonu řízení, tj. nalezení parametrů regulátoru. V tomto procesu vždy dojde k nepřesnostem, díky nimž takto naladěný regulátor reálně nebude optimální. V obráceném přístupu, využitém v RoboPID, je vytvořen systém příznaků, které se objevují v odezvě řídicího systému, pokud tento není nastaven optimálně. Pozorováním skutečných odezev a hledáním příznaků lze potom dovodit, jakou korekci daný regulátor vyžaduje.
Samonastavující se regulátor RoboPID vyžaduje při inicializaci výchozí parametry pro PID regulátor, které jsou upravovány korekcemi. Pro rychlé naladění probíhá cyklické odchylování od požadované hodnoty o zadanou velikost. Pokud by odchylování nebylo použito, pak může k pozorování odezvy a korekcím docházet pouze v případě změn požadované hodnoty. Díky těmto odchylkám lze pozorovat odezvu řídicího systému a určovat korekce regulátoru. Trvání odchylek od požadované hodnoty je dáno rychlostí regulátoru. Čím je regulátor rychlejší, tím častější jsou změny odchylek. Po každé odchylce a ustálení systému proběhne vyhodnocení skutečné odezvy, provede se korekce parametrů regulátoru a následuje další odchylka od požadované hodnoty. Počet odchylek je uživatelem omezen tak, aby nemohlo dojít k tomu, že algoritmus samoladění bude pracovat v mezním cyklu a neustále měnit požadovanou hodnotu. Po provedení zvoleného počtu odchylek je samoladění ukončeno a dále pokračuje pouze řízení systému. V případě nespokojenosti se stavem samonaladěného regulátoru, například na základě výše zmíněné automatické diagnostiky, je možné povolit provedení další série odchylek, které opět povedou ke korekci parametrů regulátoru. Toto další samoladění lze použít i pro pravidelná přelaďování, kterými lze řešit problémy vznikající například zanášením otopné soustavy či jiných změnách, které mají dlouhodobý vliv na chování systému.
V rámci vývoje regulátoru RoboPID proběhla řada experimentů, většina z nich probíhala několikrát po sobě, pokaždé s jiným výchozím naladěním regulátoru. Zpravidla se jednalo o jemné doladění správně nastaveného regulátoru, poté zrychlení pomalého a zpomalení rychlého regulátoru. Série tří experimentů na jedné smyčce nemusí vést ke shodnému naladění parametrů regulátoru. Důvodem je, že vyhodnocení optimálního naladění je ovlivněno vnějšími faktory, jako je například měnící se teplota otopné vody nebo průtok otopné vody. Pokud by byl systém ideální, bez vstupní chyby a šumu na měření, tak by ladění vždy konvergovalo ke stejnému výsledku. Toto lze dokázat pro dynamické systémy prvního řádu s dopravním zpožděním.
V ukázce na obrázcích 7 a 8 je možné pozorovat řízení regulátoru před laděním a po ladění na reálném otopném systému. Výchozí regulátor byl nastaven pomalý a po ladění lze pozorovat zrychlení reakce na změnu žádané teploty.
Obr. 7 Průběh výstupní teploty a polohy směšovacího ventilu na UT1 před spuštěním samoladění. U teploty výstupu lze pozorovat pomalou odezvu na změnu žádané teploty. Výstupní teplota osciluje okolo požadované hodnoty.
Obr. 8 Průběh výstupní teploty a polohy směšovacího ventilu na UT1 po samoladění. U teploty výstupu lze pozorovat rychlou reakci na změnu žádané teploty.
Na obrázcích 9 a 10 je uvedena ukázka ladění z rychlého regulátoru. Před procesem ladění měl regulátor rychlé reakce na změnu teploty, ale následně osciloval okolo teploty požadované. Oscilace jsou způsobeny vlivem poruchy na vstupu, která dokázala rozkmitat soustavu a regulátor nereagoval správně. Po provedení samonastavení je již regulátor pomalejší, reakce na změnu žádané teploty je stále dostatečně rychlá a regulátor se nerozkmitává vlivem poruch.
Obr. 9 Průběh výstupní teploty a polohy směšovacího ventilu na UT2 před spuštěním samoladění. U této smyčky lze pozorovat rychlé oscilace, které mají negativní vliv na životnost ventilu a rozkmitávají celou soustavu.
Obr. 10 Průběh výstupní teploty a polohy směšovacího ventilu na UT2 po samoladění. U výstupní teploty lze pozorovat zmírnění oscilací a zpomalení změn polohy ventilu.
Tyto dva experimenty byly provedeny na téměř identické otopné smyčce. Jeden začínal z pomalého a druhý z rychlého výchozího nastavení. Pro oba regulátory byl spuštěn proces ladění po stejně dlouhou dobu. V obou případech došlo ke zlepšení regulace vzhledem k výstupní teplotě.
Závěr
V článku byla diskutována problematika regulace otopných soustav. Byly demonstrovány typické chyby a byl představen koncept samonastavujícícho se regulátoru RoboPID. Tento regulátor je schopen si automaticky měnit parametry a zlepšovat tak regulaci. To má za následek minimalizaci negativních jevů způsobených špatně nastavenou regulací jako jsou snížení životnosti ventilů nebo oscilace v otopné soustavě. Zcela zásadní je ale aspekt úspory času programátora měření a regulace. Ten by v ideálním případě měl strávit minimálně desítky minut analýzou dynamiky otopné soustavy a laděním parametrů PID regulátor. V případě použití RoboPID pouze nastaví parametry pro samoladicí experimenty a po pár dnech zkontroluje výsledný stav. S ohledem na stoupající cenu kvalifikované práce bude úspora času programátora nabývat na významu a může být primární motivací k aplikaci RoboPID. V neposlední řadě má také praktický dopad možnost snadného přeladění regulátoru. To se může provádět pravidelně např. jednou ročně, nebo na povel dispečera. Dnešní budovy často mění účel použití (např. vlivem změny nájemce) a to se odráží i ve změnách dynamiky otopného systému. Bohužel na to není reagováno změnou parametrů regulace. Právě automatické přeladění může na tyto změny pružně reagovat a adaptovat se snadno na nový způsob využití budovy.
Poznámka
Článek byl ve formě přednášky zveřejněn na konferenci Vytápění Třeboň 2023, kterou zorganizovala Společnost pro techniku prostředí. Následně v rozšířené verzi v časopise VVI, číslo 4/2023.
Literatura
- Škarda, Radek. Nové metody pro monitorování a ohodnocování kvality regulace. Disertační práce, 2016.
- Franklin, Gene F., et al. Feedback control of dynamic systems. Vol. 4. Upper Saddle River: Prentice hall, 2002.
- O'DWYER, A. c2009. Handbook of PI and PID controller tuning rules. 3rd ed. London: Imperial College Press. ISBN 18-481-6242-1.
- O'DWYER, A. c2006. Handbook of PI and PID controller tuning rules. 2nd ed. London: Imperial College Press. ISBN 1-86094-622-4.
The PID controller is composed of proportional, integration and derivative parts. Inappropriately set parameters may cause unwanted phenomena in heating systems. Their suppression is enabled by the self-adjustment function.