PID20 - Der PID-Regler

PID20
Zweck / Funktion
Regler nach P-I-D Algorithmus
Allgemein
Typ	Gerätemodul
Details
Dokumentation	EN / DE
Support (Forum)	Automatisierung
Modulname	98_PID20.pm
Ersteller	John (Forum / Wiki)
Wichtig: sofern vorhanden, gilt im Zweifel immer die (englische) Beschreibung in der commandref!

PID20 ist ein Modul, das nach dem P-I-D Algorithmus einen Regler realisiert.

Projekt-Status

Das Modul ist seit dem 26.03.2014 Bestandteil von FHEM.

Features

• einstellbarer Bewertungs-/Berechnungszyklus
• Überwachung des Istwert-Gebers über dessen Zeitstempel (Sensorausfall)
• Skalierbarkeit der Ausgabehäufigkeit an das Stellglied über Zeit und Mindeständerung
• Zwangsausgabe an das Stellglied nach Ablauf eines einstellbaren Zeitintervalls
• Notstellung des Stellgliedes, falls Istwert-Geber ausgefallen ist
• Begrenzung des Stellbereichs nach oben und unten
• Festlegung der Nachkommastellen (0..5) des Ausgabewertes zum Stellglied
• Festlegen einer minimalen Regelabweichung, ab der der Regler aktiv wird
• Festlegen des Reading-Namens für den Sollwert
• Festlegen des Reading-Namens für den Istwert
• Invertierung des Reglerwirksinns
• Festlegen der minimalen Aktualisierungsrate der Readings
• Festlegen der Proportionalitätskonstanten P,I,D

Thread im Forum

Diskussion zu PID20 im Forum

Define

define <name> PID20 sensor[:reading[:regexp]] actor:cmd

Attribute

Parameter	Wertebereich	Default	Beschreibung
pidActorValueDecPlaces	[0..5]	0	Anzahl der Nachkommastellen für Ausgabewert zu Aktor
pidActorInterval	uint	180	minimale Wartezeit in Sekunden, bis eine neue Ausgabe an das Stellglied erfolgen kann
pidActorThreshold	uint	1	Notwendige minimale Änderung zum Altwert der Stellgliedausgabe, damit diese erneut erfolgt
pidActorErrorAction	[freeze, errorPos]	freeze	legt das Verhalten der Ausgabe zum Stellglied fest, wenn der Istwert nicht innerhalb von <pidSensorTimeout> aktualisiert wurde (Sensor-Ausfall) freeze: Position des Stellgliedes beibehalten ErrorPos: Position anfahren, die unter Attribut <pidActorErrorPos> angegeben ist."
pidActorErrorPos	int	0	Diese Position ist einzunehmen, wenn pidActorErrorAction auf errorPos steht und der Istwert-Geber ausgefallen ist.
pidActorKeepAlive	uint	1800	Spätestens nach dieser Zeit erfolgt eine Zwangsausgabe an das Stellglied (wenn PID nicht disabled und nicht stopped)
pidActorLimitLower	float	0	untere Begrenzung für das Stellglied
pidActorLimitUpper	float	100	obere Begrenzung für das Stellglied
pidCalcInterval	uint	60	Berechnungszyklus in Sekunden, nach dem die PID-Berechnung durchgeführt wird.
pidDeltaTreshold	pos. float	0	wenn die Regeldifferenz(delta) kleiner als pidDeltaThreshold, dann wird der Regler eingefroren (state=idle)
pidDesiredName	string	desired	Name für das Reading, das den Sollwert für den Regler aufnehmen soll
pidMeasuredName	string	measured	Name für das Reading, das den Istwert für den Regler aufnehmen soll
pidSensorTimeout	uint	3600	Zeitlimit in Sekunden, nach dessen Überschreitung der Ausfall des Istwert-Gebers anzunehmen ist
pidReverseAction	[0,1]	0	Umgekehrter Wirksinn des Reglers
pidUpdateInterval	uint	300	Zeitlimit in Sekunden, nach der ein Zwangsupdate der Readings erfolgen muss (Kurvendarstellung).
pidFactor_P	pos. float	25	Proportionalitätskonstante für P-Anteil
pidFactor_I	pos. float	0.25	Proportionalitätskonstante für I-Anteil
pidFactor_D	pos. float	0	Proportionalitätskonstante für D-Anteil
disable	[0,1]	0	Freigabe/Sperren des Reglers

Setter

desired

• Funktion: Sollwert einstellen
• Name des Setters kann vom Anwender über das Attribute "pidDesiredName" definiert werden

start

• PID nimmt den Betrieb wieder auf, es werden P-, I- und D-Anteil vor dem Stop übernommen

stop

• PID geht in den Zustand stopped; alles wird praktisch eingefroren

restart

• arbeitet zunächst wie Start, jedoch gibt man an, mit welchen Prozentwert der Stellausgang anfangs stehen soll

Readings

• actuation liefert den tatsächlichen Ausgabewert an das Stellglied
• actuationCalc liefert den internen Rechenwert des Ausgabewertes für das Stellglied(ohne Begrenzung)
• delta, die aktuelle Regeldifferenz
• desired (Name ist variabel), der Sollwert
• measured (Name ist variabel), der aktuelle Wert vom Istwert-geber
• p_p, der P-Anteil des Ausgabewertes für das Stellglied
• p_i, der I-Anteil des Ausgabewertes für das Stellglied
• p_d, der D-Anteil des Ausgabewertes für das Stellglied
• state, der Betriebszustand des Reglers

delta

delta = desired - measured (also Sollwert-Istwert)

actuation

actuation = actuationCalc

jedoch begrenzt durch pidActorLimitLower und pidActorLimitUpper und formatiert via pidActorValueDecPlaces

actuationCalc

Der Ausgabewert für das Stellglied wird wie folgt berechnet

actuationCalc = p_p + p_i + p_d

state

state	Erläuterung
disabled	PID-Instanz ist inaktiv
initializing	Modul wurde initialisiert
idle	Berechnung ist inaktiv
processing	Berechnung ist aktiv, Normalbetrieb
alarm	Ausnahmezustand, z.B. Timout des Istwert-Gebers

Inbetriebnahme

• PID20 definieren, hier mit HMS100TF als Istwert-Geber für die Temperatur und ein MAX-Thermostat als Stellglied; Auslegung für eine Fußbodenheizung (sehr träge)

define PID.FUBO PID20 DG.BAD.TF:temperature HT.FUBO:maxValveSetting

• • <sensor> = "DG.BAD.TF": Name des Istwert-Geber s (HMS100TF)
  • <reading> = "temperature": das Reading vom HMS100TF, das die Temperatur liefert
  • <regexp> = nicht definiert, wir können also direkt den Wert des Readings verwenden
  • <actor> = "HT.FUBO" : Name des MAX-Thermostats, das als Stellglied verwendet wird
  • <cmd> = "maxValveSetting" : Das Kommando mit dem PID20 die Stellausgabe realisieren soll

Letztlich wird mit <actor> und <cmd> Folgendes ausgeführt:

set <actor> <cmd> <setting-value>

Zusätzlich noch einige Attribute anpassen:

• die Ausgabehäufigkeit an das Stellglied auf 15 Minuten begrenzen

attr PID.FUBO pidActorInterval 900

• nur dann einen Wert an das Stellglied ausgeben, wenn die Differenz zum Altwert >= 5%

attr PID.FUBO pidActorTreshold 5

• Nachommastellen für das Stellglied festlegen; MAX-Thermostate erlauben nur Werte ohne Nachkommastellen

attr PID.FUBO pidActorValueDecPlaces 0

• I-Faktor festlegen; Überlegung: bei einer Regelabweichung von 1 Grad, soll der I-Anteil um 0.2% pro Minute inkrementieren/dekrementieren

attr PID.FUBO pidFactor_I 0.2

• P-Faktor festlegen; Überlegung:Bei einer Regel-Abweichung von 1 Grad, soll der P-Anteil +/-50% betragen

attr PID.FUBO pidFactor_P 50

• Häufigkeit der Events begrenzen: Die Readings werden im Intervall von "pidCalcInterval" aktualisiert. Die damit erzeugten Events kann man mit den Standard-Mechanismen von FHEM begrenzen. Hier wird festgelegt, dass die Readings nur dann einen Event feuern, wenn diese sich tatsächlich ändern. Der Wert hinter dem Doppelpunkt, gibt die Mindeständerung an. Fehlt dieser, feuert jede Änderung einen Event.

attr PID.FUBO event-on-change-reading actuation:1,actuationCalc:0.5,delta:0.2,desired,measured:0.2,p_d:0.1,p_i:1.0,p_p:1.0

• Events feuern, wenn sich über lange Zeit ein Reading nicht ändert: wenn sich z.B. desired über Stunden nicht ändert, so wird kein einziger Event gefeuert. Mit nachfolgender Einstellung erreicht man, dass ein Event auch dann erzeugt wird, wenn sich das Reading nach einer festgelegten Zeit nicht ändert(sinnvoll für Charts, hier z.B. alle 30 Minuten)

attr PID.FUBO event-min-interval actuation:1800,actuationCalc:1800,delta:1800,desired:1800,measured:1800,p_d:1800,p_i:1800,p_p:1800

Chart einrichten

Es ist für das Einstellen der Regel-Faktoren (P,I,D) überaus hilfreich, das Verhalten über die Zeit aufzuzeichnen, um das Verhalten objektiv beurteilen zu können.

Zunächst ein Filelog einrichten

define PID.FUBO.File FileLog ./log/PID.FUBO-%Y.log PID\.FUBO

attr PID.FUBO.File logtype text

Danach ein Chart definieren, angelehnt an folgendes Beispiel:

Hintergrund-Informationen

list <pid-name>

Internals:
   DEF        DG.BAD.TF PID.Actor:state
   NAME       PID.PID
   NR         616
   NTFY_ORDER 50-PID.PID
   STATE      processing
   TYPE       PID
   Readings:
     2013-10-20 17:13:41   actuation       97
     2013-10-20 17:21:42   actuationCalc   97.2079999999999
     2013-10-20 17:21:42   delta           0.199999999999999
     2013-10-20 17:13:41   desired         22
     2013-10-20 17:13:41   measured        21.8
     2013-10-20 17:21:42   p_d             0
     2013-10-20 17:21:42   p_i             92.2079999999999
     2013-10-20 17:21:42   p_p             4.99999999999998
     2013-10-20 17:21:42   state           processing
   Helper:
     actor      PID.Actor
     actorCommand state
     actorErrorAction freeze
     actorErrorPos 0
     actorInterval 300
     actorKeepAlive 1800
     actorLimitLower 0
     actorLimitUpper 100
     actorThreshold 4
     actorTimestamp 2013-10-20 17:13:41
     actorValueDecPlaces 0
     calcInterval 60
     deltaGradient 0
     deltaOld   0.199999999999999
     deltaOldTS 2013-10-20 17:18:07
     deltaTreshold 0
     desiredName desired
     disable    0
     factor_D   0
     factor_I   0.25
     factor_P   25
     isWindUP   0
     measuredName measured
     reading    temperature
     regexp     ([\d\.]*)
     reverseAction 0
     sensor     DG.BAD.TF
     sensorTimeout 3600
     updateInterval 600
  Attributes:
   pidActorInterval 300
   pidActorTreshold 4
   pidActorValueDecPlaces 0
   room       PID
   verbose    4

Anti-WindUp-Strategie

Der integrale Anteil des PID-Reglers wird ohne Gegenmassnahmen auch dann weiter integriert, wenn das Stellglied bereits an seine Grenzen gestossen ist. Dies hat den Nachteil, dass nach einer Reduzierung der Regeldifferenz lange Wartezeiten entstehen können, bis das Stellglied reagiert. Dies nennt man den WindUP-Effekt. Hierzu wurde die folgende Strategie entwickelt:

Sobald das rechnerische Stellsignal (Ventilstellung Calc=actuationCalc) die obere Grenze des Stellgliedes überschreitet (pidActorLimitUpper) oder die untere Grenze unterschreitet (pidActorLimitLower), wird die Integration des I-Anteils eingefroren.

Am Beispiel:

An Position L1 überschreitet der rechnerische Ausgabewert des Stellgliedes die obere Grenze (100%). Der I-Anteil verändert sich nicht mehr bis zur Position L2. Hier unterschreitet der Ausgabewert die obere Grenze, der I-Anteil kann wieder verändert werden.

Fragen und Antworten

Wie kann ich den I-Anteil (p_i) im Regler auf 0 setzen ?

Dies ist nach folgender Anweisung möglich:

set <Pid-Name> restart <p_p + p_d>

Temperatur im Raum steigt nicht oder stark verzögert, was kann ich tun?

1. Fehlerquelle: Heizsystem ist nicht ausreichend entlüftet

In diesem Fall behindern die Luftblasen im System den Durchfluss des Heizmediums.

Der Heizkörper erwärmt sich nur teilweise oder "gluckert". Hier ist das Entlüften der Heizkörper angesagt.

Natürlich können sich die Gasblasen an anderer Stelle befinden. Normalerweise sorgen automatische Entlüfter dafür, dass das Gas entweichen kann.

Aber auch diese "verkalken" im Lauf der Zeit.

2. Fehlerquelle: Totzone beim Stellglied

Der Temperaturanstieg erfolgt erst ab einer bestimmten Ventilöffnung von xy%.

Der PID-Regler geht davon aus, dass jede Änderung des Stellausgangs auf die Regelgröße wirkt (also bei Ventil weiter öffnen, wird mehr Wärme abgegeben).

Ist dies nicht der Fall, wird der PID über die Zeit (I-Anteil) das Ventil weiter öffnen. Allerdings vergeht hierbei Zeit und damit leidet die Regelgüte.

Es ist also wichtig die Totzone zu ermitteln und im Attribut pidActorLimitLower zu hinterlegen.

3. Fehlerquelle: Hydraulische Fehlanpassung

Wenn einzelne Heizkreise einen sehr kleinen hydraulischen Widerstand aufweisen, kann es passieren, dass Heizkreise mit höherem Widerstand zeitweise unterversorgt sind.

Erst wenn die gut versorgten Heizkreise die Ventile schließen (Soll-Temperatur ist erreicht), werden die Heizkreise mit hohem Widerstand ausreichend versorgt.

Dies kann man dank FHEM sehr gut über die Charts nachvollziehen.

Es ist regelungstechnisch, ökologisch und energetisch absolut sinnvoll geregelte Hocheffizienz-Pumpen im Heizkreis einzusetzen. Diese sorgen für konstanten Druck im Hauptstrang bei sehr geringen Energiebedarf.

Man kann gezielt den hydraulischen Widerstand einzelner Thermostate erhöhen, indem man deren maximale Ventilöffnung begrenzt.

Dies erreicht man durch Reduzieren des Wertes pidActorLimitUpper. Dies ist gleichbedeutend mit der Erhöhung des hydraulischen Widerstandes durch voreinstellbare Heizungsventile beim hydraulischen Abgleich.

Weblinks

• Initialer Forumseintrag zur Überarbeitung des PID-Moduls
• Wikipedia Regler