PID Tuner — документация

PID Tuner — программа для настройки ПИД-регуляторов АСУ ТП: подключение к контроллеру по OPC UA, идентификация объекта управления, расчёт настроек регулятора и проверка их имитационным моделированием.

Правообладатель — Капцов Александр Александрович. Версия документации: 1.3.0. Техническая поддержка: kaa@kpc-control.ru.

Состав документации

Описание функциональных характеристик программного обеспечения
Информация, необходимая для установки программного обеспечения
Информация, необходимая для эксплуатации программного обеспечения (руководство пользователя)
Лицензирование, техническая поддержка, устранение неполадок

1. Описание функциональных характеристик программного обеспечения

1.1. Назначение и область применения

«PID Tuner» — прикладное программное обеспечение для настройки ПИД-регуляторов автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП). ПО обеспечивает идентификацию объекта управления, расчёт параметров регулятора и проверку настроек имитационным моделированием замкнутого контура.

Область применения — наладка и оптимизация контуров регулирования на промышленных объектах (энергетика, теплоэнергетика, водоподготовка, химическая и пищевая промышленность и др.). Пользователи — инженеры АСУ ТП, наладчики, специалисты КИПиА.

1.2. Функциональные возможности

Подключение по OPC UA: соединение с сервером OPC UA (АСУ ТП, SCADA, DCS), обзор дерева тегов, назначение переменных процесса (PV), задания (SP) и управляющего воздействия (CO).
Тренды: отображение графиков PV, SP, CO в реальном времени с записью данных для последующей идентификации.
Идентификация объекта управления по переходному процессу: модели FOPDT, SOPDT, интегрирующие объекты; аппроксимация методом наименьших квадратов; нормирование PV и CO по инженерным шкалам; автоматическое определение направления регулирования (Direct / Reverse).
Расчёт настроек ПИД-регулятора семью методами (Циглера–Никольса, Cohen–Coon, Lambda, IMC, ITAE по заданию, ITAE по нагрузке, минимального времени регулирования) для законов регулирования П, ПИ, ПИД; вывод результата одновременно в виде коэффициента усиления Кп (ISA-форма) и полосы пропорциональности PB, % (SUPCON, Yokogawa и большинство DCS).
Имитационное моделирование замкнутого контура: сравнение базовых и экспертных настроек, возмущения по заданию и по нагрузке, имитация шума измерения, расчёт метрик качества переходного процесса.
Архивирование переходных процессов и мультиархивная идентификация по нескольким записям одного контура; экспорт отчётов; запись рассчитанных настроек в контроллер (в редакции Pro).
Встроенный имитатор объекта (сервер OPC UA) для обучения и работы без реального оборудования.

1.3. Редакции

Функция	Lite	Pro
Подключение по OPC UA	да	да
Тренды реального времени	да	да
Идентификация модели объекта (FOPDT)	да	да
Методы расчёта настроек	3 (Z-N, Cohen-Coon, Lambda)	все 7
Моделирование замкнутого контура	—	да
Запись настроек в контроллер	—	да
Архив переходных процессов	—	да
Мультиархивная идентификация	—	да
Экспорт отчётов	—	да

Условия предоставления лицензий и стоимость — на странице стоимости программного обеспечения.

1.4. Совместимость

ПО совместимо с серверами OPC UA, поддерживающими стандартные профили обмена. Внешняя СУБД и сервер приложений не используются; конфигурация, архивы переходных процессов и файл лицензии хранятся в локальных файлах на рабочем месте пользователя.

2. Информация, необходимая для установки программного обеспечения

2.1. Системные требования

Операционная система: Windows 10 / Windows 11 (x64).
Оперативная память: от 2 ГБ.
Свободное место на диске: от 300 МБ.
Для работы с реальным оборудованием — сетевой доступ к серверу OPC UA АСУ ТП (по умолчанию TCP-порт сервера OPC UA, например 4840).
Дополнительное программное обеспечение (СУБД, сервер приложений, веб-сервер, среда контейнеризации) не требуется.

2.2. Порядок установки

Шаг 1. Скачайте установщик PIDTuner-Setup.exe со страницы pidtunerpro.kpc-control.ru (кнопка «Скачать триал») или по прямой ссылке kpc-control.ru/downloads/PIDTuner-Setup.exe.

Шаг 2. Запустите установщик и следуйте указаниям мастера установки (Inno Setup): подтвердите каталог установки и создание ярлыков.

Шаг 3. По завершении установки запустите программу из меню «Пуск» или с ярлыка на рабочем столе.

Шаг 4. При первом запуске автоматически активируется бесплатный пробный период — 5 дней с функциями уровня Lite. Отдельная лицензия для ознакомления и проверки работоспособности не требуется.

2.3. Проверка работоспособности после установки

Для проверки установки не требуется реальное оборудование: в программе предусмотрен встроенный имитатор объекта. Нажмите «Запустить симулятор», затем на вкладке «Подключение» — «Проверить подключение» к адресу opc.tcp://127.0.0.1:4840/. Появление трендов PV, SP, CO после запуска опроса подтверждает корректность установки. Полный сценарий приведён в разделе 3.2.

2.4. Обновление и удаление

Обновление выполняется установкой новой версии поверх предыдущей; файл лицензии и архивы при этом сохраняются. Удаление — штатными средствами Windows («Параметры» → «Приложения» → «PID Tuner» → «Удалить»).

3. Информация, необходимая для эксплуатации программного обеспечения

Настоящий раздел является руководством пользователя. Тот же текст доступен непосредственно в программе по клавише F1.

3.1. Запуск и главное окно

После установки запустите «PID Tuner» из меню «Пуск» или с рабочего стола. Главное окно содержит панель инструментов с кнопками «Запустить симулятор» и «Запустить опрос», пять рабочих вкладок и строку состояния, в которой отображается текущее состояние соединения.

Вкладка	Назначение
Подключение	Параметры соединения с сервером OPC UA, дерево тегов, назначение переменных PV, SP, CO
Тренды	Графики PV, SP, CO в реальном времени; запись переходного процесса
Идентификация	Определение модели объекта управления по записанному переходному процессу
Расчёт настроек	Расчёт параметров ПИД-регулятора по модели, сравнение методов, корректировка
Моделирование Pro	Имитация замкнутого контура и оценка качества регулирования

3.2. Типовой порядок работы

Шаг 1. Нажмите «Запустить симулятор» — встроенный сервер OPC UA с моделью объекта запустится на порту 4840. При работе с реальным объектом этот шаг пропускается.

Шаг 2. На вкладке «Подключение» укажите адрес сервера и нажмите «Проверить подключение», затем «Загрузить дерево».

Шаг 3. Назначьте теги PV, SP, CO двойным щелчком по элементам дерева, затем нажмите «Запустить опрос».

Шаг 4. Запишите переходный процесс: дождитесь устойчивого режима, выполните ступенчатое изменение задания (или кривую разгона по CO), дождитесь завершения процесса и остановите опрос.

Шаг 5. На вкладке «Идентификация» укажите шкалу PV (минимум, максимум и единицы измерения, например 0…150 °C) и нажмите «Идентификация».

Шаг 6. На вкладке «Расчёт настроек» нажмите «Рассчитать все методы» и выберите подходящий вариант. Для контроллеров SUPCON используйте значение PB, для контроллеров с ISA-формой — Кп.

Шаг 7. Pro На вкладке «Моделирование» проверьте качество регулирования перед внесением настроек в контроллер.

3.3. Вкладка «Подключение»

Настройка соединения с сервером OPC UA (АСУ ТП, SCADA, DCS или встроенный имитатор).

Поле	Описание
URL сервера	Адрес сервера OPC UA. Для встроенного имитатора: `opc.tcp://127.0.0.1:4840/`
Защита	Режим безопасности соединения: None, Sign, Sign & Encrypt
Пользователь / Пароль	Учётные данные для серверов с аутентификацией. Пустые поля — анонимный доступ
PV	Измеренное значение процесса (Process Variable)
SP	Задание регулятору (Setpoint)
CO	Управляющее воздействие (Controller Output)

После успешного подключения нажмите «Загрузить дерево». Двойной щелчок по тегу назначает его в поле PV, SP или CO — по имени тега либо в первое свободное поле.

3.4. Вкладка «Тренды»

Отображает графики PV, SP и CO в реальном времени после запуска опроса. Данные записываются с частотой 1 Гц и используются для идентификации.

Для получения качественной записи переходного процесса:

дождитесь устойчивого режима (PV практически постоянна);
выполните ступенчатое изменение задания SP на 5–10 % диапазона;
дождитесь завершения переходного процесса;
остановите опрос.

3.5. Вкладка «Идентификация»

Определение математической модели объекта управления по записанному переходному процессу.

Параметр	Описание
Тип процесса	Вид записанного переходного процесса: ступенчатое изменение задания (SP), кривая разгона (CO, разомкнутый контур), импульсное изменение SP или CO
Тип объекта	Автоопределение, с самовыравниванием или интегральный
Шкала PV (min / max / ед.)	Диапазон PV в инженерных единицах. Перед аппроксимацией PV нормируется к 0…100 %, CO принимается в диапазоне 0…100 %. Это даёт безразмерный Ko и корректное значение PB. Указывать обязательно, если PV задана не в процентах

Результат идентификации — модель FOPDT (апериодическое звено первого порядка с запаздыванием):

Wo(s) = Ko · e^−τs / (To · s + 1)

Параметр	Обозначение	Описание
Коэффициент передачи	Ko	Безразмерный (при указанной шкале PV): изменение PV в % шкалы на 1 % изменения CO
Постоянная времени	To	Время достижения выходом 63,2 % установившегося значения
Запаздывание	τ	Чистое транспортное запаздывание объекта

Полученные параметры можно скорректировать вручную и нажать «Пересчёт» для обновления аппроксимирующей кривой; кнопка «Сброс» возвращает исходные значения. Направление регулирования (Direct / Reverse) определяется автоматически по знаку ΔPV/ΔCO и выводится в поле «Направление».

Важно. Если задать неверную шкалу PV (например, оставить 0…100 для контура температуры 0…150 °C), коэффициент Ko получит физическую размерность, и расчёт PB будет искажён. Всегда вводите реальную шкалу PV перед идентификацией.

Pro Архив переходных процессов. Записи переходных процессов сохраняются в архивы формата JSON с описанием условий эксперимента. Несколько архивов одного контура (разные нагрузки и режимы) можно использовать для мультиархивной идентификации: параметры K, T, τ вычисляются как взвешенная медиана по всем архивам, что повышает точность модели.

3.6. Вкладка «Расчёт настроек»

Расчёт параметров ПИД-регулятора на основе идентифицированной модели объекта.

Wp(s) = Кп · (1 + 1/(Ти · s) + Тд · s), PB = 100 / Кп

Таблица результатов содержит значения PB, % и Кп одновременно:

PB — полоса пропорциональности в процентах; применяется в SUPCON, Yokogawa и большинстве DCS;
Кп — безразмерный коэффициент усиления (ISA-форма); применяется в контроллерах Honeywell, Schneider, Allen-Bradley.

В карточке «Установите в контроллере» значение PB выводится крупно, значение Кп — справочно.

Метод	Описание	Редакция
Циглера–Никольса (Z-N)	Классический метод, быстрый отклик	Lite / Pro
Cohen–Coon	Метод для объектов со значительным запаздыванием	Lite / Pro
Lambda	Настройка по желаемой постоянной времени, без перерегулирования	Lite / Pro
IMC	Метод внутренней модели (Internal Model Control)	Pro
ITAE (задание)	Минимизация интегрального критерия ITAE по каналу задания	Pro
ITAE (нагрузка)	Минимизация ITAE по каналу возмущения (нагрузки)	Pro
Мин. время регулирования	Минимальное время регулирования	Pro

Закон регулирования выбирается в одноимённом поле:

П — пропорциональный (только Кп); простейший, сохраняется статическая ошибка;
ПИ — пропорционально-интегральный (Кп, Ти); устраняет статическую ошибку, рекомендуется для большинства контуров;
ПИД — пропорционально-интегрально-дифференциальный (Кп, Ти, Тд); максимальное быстродействие, применяется для объектов без значительного шума измерения.

Кнопки «Ослабить» и «Усилить» изменяют коэффициент Кп соответственно вниз и вверх с немедленным пересчётом предварительной симуляции — используются для тонкой подстройки выбранного варианта.

3.7. Вкладка «Моделирование» Pro

Полная имитация замкнутого контура. Сравниваются два набора настроек: базовые (рассчитанные методом IMC) и экспертные (выбранные и скорректированные пользователем).

Параметр	Описание
Тип возмущения	Ступенчатое изменение задания (SP) либо нагрузки
Величина	Амплитуда ступенчатого возмущения
Шум / Амплитуда шума	Добавление случайного шума к PV для имитации реального сигнала
Время (сек)	Длительность моделирования

По результатам моделирования рассчитываются характеристики качества переходного процесса:

Показатель	Что характеризует
Время регулирования	Время до входа PV в зону допустимого отклонения относительно задания
Выбег PV	Максимальное отклонение PV от задания
Перерегулирование	Превышение заданием значения PV в процентах (overshoot)
Ход ИМ	Суммарное перемещение исполнительного механизма
Реверсы ИМ	Количество смен направления перемещения ИМ
IAE	Интеграл абсолютной ошибки регулирования

3.8. Встроенный имитатор объекта

Кнопка «Запустить симулятор» запускает сервер OPC UA с моделью замкнутого контура на порту 4840. Имитатор предназначен для обучения и проверки работы программы без реального оборудования. Он создаёт теги PV, SP и CO, доступные для чтения и записи; изменение SP вызывает переходный процесс, который можно записать и использовать для идентификации.

3.9. Порядок работы с реальным объектом

Внимание! При работе с действующим технологическим процессом изменение настроек регулятора выполняйте с осторожностью и в соответствии с эксплуатационными инструкциями объекта. Проверяйте настройки на модели до внесения их в АСУ ТП.

Подключитесь к серверу OPC UA действующей системы SCADA / DCS.
Назначьте реальные теги PV, SP, CO.
Запустите опрос и запишите переходный процесс.
Выполните идентификацию модели и расчёт настроек.
Pro Проверьте настройки на вкладке «Моделирование».
Внедряйте настройки плавно: сначала ослабленные значения, затем при необходимости усиливайте.

3.10. Работа с контроллерами SUPCON

Программа приведена в соответствие с ПИД-блоком VisualField (SUPCON):

шкала PV вводится вручную на вкладке «Идентификация»; CO принимается в диапазоне 0…100 %, как принято в SUPCON;
перед аппроксимацией модели PV и CO нормируются к 0…100 % своих шкал, коэффициент Ko получается безразмерным;
в таблице методов и в карточке рекомендации выводится PB — параметр, вводимый непосредственно в контроллер. Связь величин: PB = 100 / Кп, минимальное значение PB = 0,1;
при записи в контроллер используется имя переменной PB для SUPCON и Kp для контроллеров с ISA-формой; TI и TD совпадают и задаются в секундах.

Передаточная функция ПИД-блока SUPCON (стандартный режим, mode 1):

MV(s) / E(s) = (100 / PB) · (1 + 1 / (TI · s) + TD · s / (1 + TD · s / KD))

Параметр KD — коэффициент фильтра дифференциальной составляющей (по умолчанию 10). При TD = 0 (широко применяемый ПИ-регулятор) фильтр на результат не влияет.

Параметр SUPCON	Значение по умолчанию	Соответствие в программе
PB, %	100	Кп = 100 / PB (в карточке выводится PB)
TI, с	20	Ти, с
TD, с	0	Тд, с
KD	10	Коэффициент фильтра дифференциальной составляющей (при TD = 0 не используется)
SWPN (Direct / Reverse)	OFF = Direct	Определяется автоматически при идентификации по знаку ΔPV/ΔCO. Direct — росту PV соответствует рост CO; Reverse — росту PV соответствует снижение CO (например, регулирование уровня сливом). Выводится в карточке рекомендации и на вкладке «Идентификация»
DMVLIM (скорость CO, %/с)	100 (без ограничения)	Рекомендуемое значение ≈ 100/(2·τ) %/с: исполнительный механизм проходит полный ход не быстрее, чем за два запаздывания объекта. Ограничение защищает от гидроударов и резких перемещений ИМ. При τ → 0 ограничение не требуется

Направление регулирования (SWPN) должно быть выставлено верно: если объект требует режима Reverse, а в контроллере оставлен Direct, регулятор раскачает контур. Сверяйте значение с полем «Направление» на вкладке «Идентификация».

Отличие алгоритма дифференцирования: в имитационной модели программы D-составляющая вычисляется по PV с фильтром Тд/5, в стандартном режиме SUPCON (mode 1) — по ошибке E с фильтром KD. При TD = 0 (большинство ПИ-контуров) различий нет.

3.11. Применяемые математические модели

Передаточная функция ПИД-регулятора (ISA-форма):

Wp(s) = Кп · (1 + 1/(Ти · s) + Тд · s)

Модель объекта FOPDT:

Wo(s) = Ko · e^−τs / (To · s + 1)

Модель объекта SOPDT:

Wo(s) = Ko · e^−τs / (To1 · s² + To2 · s + 1)

Фильтр на выходе регулятора:

Wф(s) = 1 / (Тф · s + 1)

3.12. Горячие клавиши

Клавиша	Действие
F1	Открыть встроенное руководство пользователя
Ctrl+Q	Завершить работу программы

3.13. Хранение данных

Программа не использует внешнюю СУБД. Файл лицензии и настройки хранятся в профиле пользователя: в Windows — %APPDATA%\PIDTunerPro\. Архивы переходных процессов сохраняются в файлах формата JSON в каталоге, указанном пользователем при сохранении.

3.14. Требования к персоналу

Эксплуатация ПО не требует специальной подготовки в области программирования. Пользователь должен обладать квалификацией инженера АСУ ТП (специалиста КИПиА), владеть основами теории автоматического регулирования и знать регламент работ на конкретном технологическом объекте.

4. Лицензирование, техническая поддержка, устранение неполадок

4.1. Активация лицензии

Откройте экран активации — программа отобразит идентификатор рабочего места (Activation ID).
Приобретите лицензию на странице pidtunerpro.kpc-control.ru/buy/ (оплата банковской картой либо по счёту для юридических лиц), указав Activation ID.
Введите полученный код активации в программе. Лицензия предоставляется бессрочно; условия — в публичной оферте, стоимость — на странице стоимости.

4.2. Устранение типовых неполадок

Признак	Действия
Нет связи с сервером OPC UA	Проверьте адрес сервера (URL), сетевую доступность узла и порта, режим безопасности, а также права учётной записи, указанной при подключении
Дерево тегов не загружается	Убедитесь, что соединение установлено (строка состояния), и повторно нажмите «Загрузить дерево»
Сообщение о недостатке данных при идентификации	Запишите более продолжительный переходный процесс: опрос должен работать до завершения процесса
Некорректный результат идентификации	Выберите более представительный участок переходного процесса, проверьте правильность указания типа процесса и шкалы PV
Значение PB отличается от ожидаемого	Проверьте шкалу PV: при неверной шкале коэффициент Ko получает размерность и расчёт PB искажается
Нет доступа к реальному оборудованию	Для ознакомления и обучения используйте встроенный имитатор объекта (кнопка «Запустить симулятор»)

4.3. Техническая поддержка

Обращения принимаются по электронной почте kaa@kpc-control.ru. Гарантийный срок, срок реакции службы поддержки и порядок выпуска обновлений приведены на странице «Жизненный цикл программного обеспечения».

Документы: стоимость · жизненный цикл · оферта · политика конфиденциальности