Zrozumienie kontrolera PID

Pierwsza pomyślna ocena teorii regulacji PID została praktycznie zweryfikowana w dziedzinie automatycznych systemów sterowania dla statków już około 1920 roku. Następnie została zastosowana w różnych przemysłowych automatycznych procesach sterowania wymagających zoptymalizowanych i dokładnych specyfikacji wyjściowych produkcji. W przypadku jednostek produkcyjnych PID był powszechnie wdrażany w celu uzyskania precyzyjnego sterowania pneumatycznego, a ostatecznie teoria PID została zastosowana w sterownikach elektronicznych w czasach współczesnych.

Co to jest regulator PID

Termin PID jest akronimem dla proporcjonalnego regulatora całkująco-różniczkującego, który jest mechanizmem pętli sprzężenia zwrotnego, zaprojektowanym do dokładnego sterowania różnymi przemysłowymi maszynami sterującymi i wieloma innymi podobnymi zastosowaniami, które wymagają krytycznych i zautomatyzowanych kontroli modulacji.

Aby to zrealizować, regulator PID stale monitoruje działanie systemu i oblicza element błędu indukowanego. Następnie ocenia tę chwilową wartość błędu w postaci różnicy między wymaganą wartością zadaną (SP) a zmierzoną zmienną procesową (PV).

W związku z powyższym dokonywana jest natychmiastowa i automatyczna korekta sprzężenia zwrotnego w postaci wyrażeń proporcjonalnych (P), całkowych (I) i pochodnych (D), stąd nazwa regulator PID.

Mówiąc prościej, regulator PID w sposób ciągły monitoruje pracę danego układu maszyny i koryguje jego odpowiedź wyjściową w zależności od zmian wywołanych wpływami zewnętrznymi, poprzez określony algorytm. W ten sposób zapewnia, że ​​maszyna zawsze pracuje w określonych idealnych warunkach.

Zrozumienie schematu blokowego PID

Regulator PID jest uważany za wszechstronny system sterowania ze względu na jego zdolność do wykrywania i zarządzania 3 parametrami regulacji: proporcjonalnej, całkującej i różniczkującej oraz stosowania zamierzonego optymalnego sterowania na wyjściu z niezwykłą dokładnością, w odniesieniu do tych 3 parametrów.

Poniższy obrazek przedstawia schemat blokowy PID. Możemy szybko zrozumieć podstawową zasadę działania PID, odwołując się do tego schematu blokowego.

zdjęcie dzięki uprzejmości: en.wikipedia.org/wiki/File:PID_en.svg

Tutaj możemy zobaczyć zbiór zmiennych, takich jak e (t) odpowiadający wartości błędu, r (t) odpowiadający docelowej wartości zadanej i y (t) jako mierzoną zmienną procesową. Regulator PID podczas swojej pracy monitoruje wartość błędu e (t), oceniając różnicę między zamierzoną wartością zadaną r (t) lub SP a zmierzoną wartością procesową y (t) lub PV, a następnie wykonuje korektę lub optymalizację sprzężenia zwrotnego przy użyciu parametrów a mianowicie: proporcjonalna, całkowa i pochodna.

Regulator cały czas stara się zredukować efekt błędu, dostosowując zmienną kontrolną u (t) do nowych wartości na podstawie przeanalizowanej sumy ważonej składników sterujących (p, I, d).

Na przykład, w działaniu sterownika zaworu, jego otwieranie i zamykanie może być w sposób ciągły zmieniane przez PID poprzez złożone oceny, jak wyjaśniono powyżej.

W przedstawionym systemie różne terminy można rozumieć w sposób wyjaśniony poniżej:

P- Kontroler:

Wyrażenie P jest proporcjonalne do chwilowych wartości błędu e (t) uzyskanych przez ocenę wyniku dla SP - PV. W sytuacji, gdy wartość błędu ma tendencję do zwiększania się, wyjście sterujące również zwiększa się proporcjonalnie w odniesieniu do współczynnika wzmocnienia „K”. Jednak w procesie wymagającym kompensacji, takim jak regulacja temperatury, sterowanie proporcjonalne samodzielnie może prowadzić do niedokładności wartości zadanej i rzeczywistej wartości procesu, ponieważ nie może działać w sposób zadowalający bez sprzężenia zwrotnego błędu w celu wygenerowania odpowiedzi proporcjonalnej. Oznacza to, że bez informacji zwrotnej o błędzie właściwa reakcja korygująca może nie być możliwa.

I- Kontroler:

Termin I staje się odpowiedzialny za wcześniej oszacowane wartości błędów SP - PV i integruje je podczas okresu eksploatacji, tworząc człon I. Na przykład podczas stosowania regulacji proporcjonalnej, jeśli SP - PV powoduje błąd, parametr I uaktywnia się i próbuje usunąć ten błąd resztkowy. W rzeczywistości dzieje się tak w przypadku wyzwolenia odpowiedzi sterującej ze względu na skumulowaną wartość błędu zarejestrowanego we wcześniejszym czasie. Jak tylko to się stanie, termin I przestaje się dalej wzmacniać. Powoduje to, że efekt proporcjonalności odpowiednio się zmniejsza, gdy współczynnik błędu maleje, chociaż jest to również kompensowane, gdy rozwija się efekt całkowy.

D- Kontroler:

Termin D jest najbardziej odpowiednim przybliżeniem wydedukowanym dla ewoluujących trendów błędu SP - PV, w zależności od chwilowej szybkości zmiany współczynnika błędu. Jeśli tempo zmian szybko rośnie, sterowanie sprzężeniem zwrotnym działa agresywniej i odwrotnie.

Co to jest dostrajanie PID

Omówione powyżej parametry mogą wymagać prawidłowego zbilansowania dla zapewnienia optymalnej funkcji sterowania, a jest to osiągane poprzez proces zwany „strojeniem pętli”. Zastosowane stałe strojenia są oznaczone jako „K”, jak pokazano w poniższych dedukcjach. Każda z tych stałych musi być wyprowadzona indywidualnie dla wybranej aplikacji, ponieważ stałe są ściśle zależne i zmieniają się zgodnie z charakterystyką i wpływem określonych parametrów zewnętrznych zaangażowanych w pętlę. Mogą to być odpowiedzi czujników używanych do pomiaru danego parametru, końcowego elementu dławiącego, takiego jak zawór sterujący, możliwy upływ czasu w sygnale pętli i sam proces itp.

Dopuszczalne może być zastosowanie przybliżonych wartości stałych na początku implementacji w oparciu o typ aplikacji, jednak może to ostatecznie wymagać poważnego dostrojenia i dostosowania poprzez praktyczne eksperymenty, wymuszając zmiany wartości zadanych, a następnie obserwując reakcję kontrola systemu.

Niezależnie od tego, czy chodzi o model matematyczny, czy o praktyczną pętlę, oba można postrzegać jako wykorzystujące „bezpośrednie” działanie kontrolne dla określonych warunków. Oznacza to, że gdy wykryty zostanie wzrost błędu dodatniego, inicjowana jest odpowiednio zwiększona kontrola pozytywna w celu kontrolowania sytuacji dla zsumowanych warunków.

Jednak może być wymagane odwrócenie tego w zastosowaniach, w których parametr wyjściowy może mieć odwrotnie skonfigurowaną charakterystykę, co wymaga odwrotnego środka korekcyjnego. Rozważmy przykład pętli przepływu, w której proces otwierania zaworu ma działać przy 100% i 0% mocy wyjściowej, ale musi być sterowany za pomocą odpowiedniego wyjścia 0% i 100%, w tym przypadku zwrotne sterowanie korekcyjne staje się niezbędne. Aby być bardziej precyzyjnym, rozważmy system chłodzenia wodą z funkcją zabezpieczającą, w której jego zawór musi być w 100% otwarty podczas utraty sygnału. W takim przypadku wyjście regulatora musi mieć możliwość zmiany regulacji na 0% w przypadku braku sygnału, tak aby zawór mógł otworzyć się przy pełnym 100%, jest to określane jako regulacja „odwrotna”.

Matematyczny model funkcji sterującej

W tym modelu matematycznym wszystkie nieujemne stałe Kp, Ki i Kd oznaczają współczynniki odpowiednio dla członów proporcjonalnych, całkowych i pochodnych (w niektórych przypadkach są one również oznaczone jako P, I i D).

Dostosowywanie warunków sterowania PID

Z powyższych dyskusji zrozumieliśmy, że zasadniczo system sterowania PID działa z trzema parametrami sterowania, jednak niektóre mniejsze aplikacje mogą preferować użycie kilku z tych terminów lub nawet jednego z trzech terminów.

Dostosowanie odbywa się poprzez ustawienie nieużywanego terminu na zero i włączenie kilku terminów PI, PD lub pojedynczych terminów, takich jak P lub I. Spośród nich konfiguracja kontrolera PI jest bardziej powszechna, ponieważ termin D jest zwykle podatny na szum wpływy i dlatego w większości przypadków są eliminowane, chyba że jest to ściśle obowiązkowe. Termin I jest zwykle zawarty, ponieważ zapewnia systemowi osiągnięcie zamierzonej optymalnej wartości docelowej na wyjściu.