Performance studies on water flow control using P, PI and PID controllers

Abstract

The main purpose of this study is to revitalize the concept of wise and controlled supply of water for domestic, industrial and agricultural applications which facilitate sustainable usage of fresh water resources. As Eritrea is striving to manage its water resources, attention paid primarily to enable water flow control mechanisms in municipal water distribution systems. A table top process control trainer (PCT) was tested through proportional(P), integral (I) and derivative (D) control mechanisms using Ziegler-Nichols second method to evaluate the tuning variables. Applying exclusively P control action, critical period of oscillation was estimated as 1.4 sec at proportional band value of 9. P, PI and PID controller performance studies were conducted with tuned variables on the water flow control system at different step disturbances between 20 – 50 % and their corresponding responses were characterized. P controller exhibited faster responses with consistent increments in offset, PI controller recorded highest overshoot values with negligible offset and prolonged settling times. PID controller showed less overshoot values and faster response times than PI but it increased chatter on the control output signal. The study revealed that the system can be safely controlled between 0-80 LPH. If the offset is not a major concern, P controller would be reflected suitable with simple design and minimum expenditure, else PI controller makes offset to zero though it possesses higher settling times. In other words, PID controller is complex using more tuning parameters, need expensive maintenance, and has resulted an intermittent noise in the output signal.

Scopul principal al acestui studiu este de a revitaliza conceptul de furnizare înțeleaptă și controlată de apă pentru aplicații menajere, industriale și agricole care facilitează utilizarea durabilă a resurselor de apă dulce. Întrucât Eritreea se străduiește să își gestioneze resursele de apă, atenția este acordată în primul rând pentru a permite mecanismelor de control al fluxului de apă în sistemele municipale de distribuție a apei. Un antrenor de control de proces de masă (PCT) a fost testat prin mecanisme de control proporțional (P), integral (I) și derivat (D) folosind a doua metodă Ziegler-Nichols pentru a evalua variabilele de reglare. Aplicând exclusiv acțiunea de control P, perioada critică de oscilație (Pcr) a fost estimată la 1,4 sec cu o valoare proporțională a benzii de 9. Studiile de performanță ale controlerelor P, PI și PID au fost efectuate cu variabile reglate pe sistemul de control al debitului de apă la diferite perturbări de pas între 20 - 50% și răspunsurile lor corespunzătoare au fost caracterizate. Controlerul P a prezentat răspunsuri mai rapide cu creșteri consistente în offset, controlerul PI a înregistrat cele mai mari valori de depășire cu offset neglijabil și timpi de decontare prelungite. Controlerul PID a prezentat valori mai mici de depășire și timpi de răspuns mai rapide decât PI, dar a crescut conversația pe semnalul de ieșire al controlului. Studiul a relevat că sistemul poate fi controlat în siguranță între 0-80 LPH. Dacă decalajul nu prezintă o preocupare majoră, controlerul P ar fi reflectat adecvat cu un design simplu și cheltuieli minime. Altfel controlerul PI face decalajul la zero, deși are timpi de decontare mai mari. Cu alte cuvinte, controlerul PID este complex, folosind mai mulți parametri de reglare, necesită o întreținere costisitoare și a rezultat un zgomot intermitent în semnalul de ieșire.