Как работает пид регулятор: ПИД-регуляторы – для чайников-практиков / Теория, измерения и расчеты / Сообщество EasyElectronics.ru

Принцип работы ПИД-регуляторов

Принцип работы

Регуляторы процесса

Регуляторы процесса (Process Controllers) – это параметрируемые цифровые контроллеры со встроенным набором стандартных функций для регулирования технологических переменных (температуры, давления и т.п.).

В качестве сигналов задания (Reference) могут использоваться как фиксированные уставки (Fixed Setpoints), так и внешние (External).

Аналоговые входы используются для подключения датчиков обратной связи (термометров сопротивления, термопар, манометров и т.п.).

Дискретные входы используются для задания фиксированных уставок и переключения между режимами.

Дискретные выходы используются для сигнализации: готовности, аварий, состояния.

Релейные выходы используются для дискретного управления, а аналоговые выходы – для непрерывного управления.

Дискретное управление
  • 2-х позиционный регулятор использует только 2 состояния:
    • включено (открыто)
    • выключено (закрыто)
    • Пример: управление нагреванием или охлаждением.
  • 3-х позиционный регулятор использует 3 состояния:
    • выключено
    • вращение по часовой стрелке
    • вращение против часовой стрелки (реверс)
    • Пример: управление реверсивным электродвигателем.
  • 5-и позиционный регулятор использует 5 состояний:
    • выключено
    • вращение на первой скорости по часовой стрелке
    • вращение на второй скорости по часовой стрелке
    • вращение на первой скорости против часовой стрелки
    • вращение на второй скорости против часовой стрелки
    • Пример: управление 2-скоростным реверсивным двигателем.
Непрерывное управление

Для непрерывного управления используются ПИД-регуляторы. Возможна реализация каскадного (подчинённого) управления.

Замкнутая система управления


Переходный процесс

Переходный процесс – это реакция системы на внешнее воздействие (задание, возмущение).

Неустойчивый (расходящийся) переходный процесс
Устойчивый (сходящийся) переходный процесс
КолебательныйАпериодическийМонотонный

ПИД-регулятор

С помощью настройки ПИД-регулятора (PID-controller) мы можем скорректировать переходный процесс так, как нам нужно для решения своей задачи.

Хзад – заданное (желаемое) значение выходной переменной
Xmax – верхний допустимый предел выходной переменной
Xmin – нижний допустимый предел выходной переменной
Т – период колебаний
Тн – время нарастания
Тр – время переходного процесса (последняя точка пересечения кривой с Xmin или Xmax)
А1 – первое перерегулирование
А2 – второе перерегулирование
d=А1/A2 — степень (декремент) затухания переходного процесса (отношение первого перерегулирования ко второму)

Рассогласование, перерегулирование, время нарастания, время переходного процесса, степень затухания характеризуют качество регулирования.

Пример

ПИД-регулятор открывает и закрывает регулирующий вентиль на горячей трубе так, чтобы из крана текла вода с температурой +40°С с погрешностью плюс-минус 2 градуса. Регулятор вычисляет рассогласование (ошибку) — отклонение реальной температуры (например, +20°С) от заданного значения (+40°С) и решает – когда и насколько необходимо приоткрыть горячий вентиль, чтобы температура повысилась на 20С. Реальную (фактическую) температуру регулятор узнаёт с помощью датчика температуры (обратная связь), а заданную температуру (уставку) ему сообщает оператор, например, набирая число «40» на своём ПК.

Чтобы настроить ПИД-регулятор, необходимо подобрать правильную комбинацию трёх коэффициентов:

  • Пропорционального – Kp
  • Интегрального – Ki
  • Дифференциального – Kd

Могут использоваться и более простые — П и ПИ-регуляторы.

Формула ПИД-регулятора

где e(t) — ошибка (рассогласование), u(t) — выходной сигнал регулятора (управляющее воздействие).

Чем больше Пропорциональный коэффициент, тем выше быстродействие, но меньше запас устойчивости. Но! простой П-регулятор не может полностью отработать рассогласование, т.е. всегда работает с ошибкой.

ПИ-регулятор позволяет избавиться от статической (установившейся) ошибки, но, чем больше Интегральный коэффициент, тем больше перерегулирование (динамическая ошибка).

ПИД-регулятор позволяет нам уменьшить перерегулирование, но, чем больше Дифференциальный коэффициент, тем больше погрешность из-за влияния шумов.

Если шумы идут по каналу обратной связи, то мы можем их отфильтровать с помощью фильтра низкой частоты, но чем больше постоянная этого фильтра, тем медленнее регулятор будет отрабатывать возмущения.


Настройка ПИД-регулятора по методу Циглера-Николса

Циглер и Николс предложили свой вариант быстрой настройки ПИД-регулятора для периодического переходного процесса, в котором затухание примерно равно 4.

  • Обнуляем Ki и Kd
  • Постепенно увеличиваем Kp до критического значения Kc, при котором возникают автоколебания
  • Измеряем период автоколебаний Т
  • Вычисляем значения Kp, Ki и Kd по разным формулам для разных регуляторов:
    • для П-регулятора: Kp=0,50*Kc
    • для ПИ-регулятора: Kp=0,45*Kc, Ki=1,2*Kp/T
    • для ПИД-регулятора: Kp=0,60*Kc, Ki=2,0*Kp/T, Kd=Kp*T/8

Каскадный регулятор (подчинённое управление)

Продолжение примера

Теперь нам захотелось добавить комфорта и сделать так, чтобы уставка задания температуры воды менялась в зависимости от температуры воздуха на улице (на улице мороз – вода горячая, на улице жара – вода прохладная). Можно установить ещё один регулятор комфортной температуры, который по показаниям термометра узнаёт фактическую температура наружного воздуха и решает, что комфортная температура воды должна быть, например, +40°С, поэтому он выдаёт задание регулятору температуры воды – поддерживать температуру на уровне +40С (см. пример выше). Здесь мы имеем каскадное регулирование: контур регулирования температуры воды подчинён контуру регулирования комфортной температуры воды.

С помощью регуляторов процесса мы можем реализовать и более сложные связи. Например, поддерживать постоянный расход и температуру воды, независимо от давления и температуры горячего и холодного трубопроводов.

Упреждающее регулирование (Feedforward Control)

Не всегда простой ПИД-регулятор в системе с обратной связью может обеспечить требуемое быстродействие из-за возникновения нежелательных колебаний или недопустимо большого перерегулирования. Для улучшения характеристик регулирования применяют комбинированное управление – с обратной связью (closed-loop) и без обратной связи (open-loop). К управляющему воздействию (выходу регулятора) добавляется сигнал упреждающего воздействия, который не зависит от рассогласования, а значит, не может вызвать автоколебания в системе.

Продолжение примера
Если мы доверяем прогнозу погоды, то вместо каскадного управления мы можем реализовать упреждающее регулирование без измерения уличной температуры: читаем прогноз на завтра, задаём уставку +40°С по таймеру времени на завтра на 7 утра.

Если измерить возмущение, то можно подать упреждающее воздействие, которое компенсирует влияние этого возмущения на процесс до того, как начнёт изменяться регулируемый параметр.


Принцип работы ПИД-регулятора для начинающих

Как следует из названия, в этой статье мы дадим точное представление о структуре и работе ПИД-контроллера. Однако сначала, давайте познакомимся с ПИД-контроллерами.

ПИД-регуляторы находятся в широком диапазоне применений для управления промышленными процессами. Приблизительно 95% операций с замкнутым контуром в промышленной автоматизации используют ПИД-регуляторы. PID обозначает Пропорционально-интегральная-диференциальная составляющая. Эти три контроллера объединены таким образом, что он создает управляющий сигнал.

В качестве контроллера обратной связи он обеспечивает выход управления на желаемых уровнях. ПИД-регулирование осуществлялось с помощью аналоговых электронных компонентов, перед изобретением микропроцессоров. Но сегодня все ПИД-контроллеры обрабатываются микропроцессорами. ПрограммируемыеПрограммируемые логические контроллеры также имеют встроенные настройки ПИД-регулятора. Благодаря гибкости и надежности ПИД-регуляторов, они традиционно используются в системах управления технологическим процессом.

Работа ПИД-регулятора

При использовании недорогого простого контроллера возможны только два состояния управления, например, полностью ВКЛ или полностью ВЫКЛ. Он используется для настроек с ограничением контроля, в котором эти два состояния управления достаточно для целей управления. Однако характер этого контроля ограничивает его использование и, следовательно, заменяется ПИД-контроллерами.

ПИД-регулятор поддерживает выход таким образом, что между переменной процесса и заданной точкой / желаемым выходом с помощью операций замкнутого контура имеется нулевая ошибка. ПИД использует три основных поведения управления, которые объясняются ниже.

П-контроллер:

Пропорциональный или П-регулятор дает выход, который пропорционален текущей ошибке e (t). Он сравнивает желаемую или заданную точку с фактическим значением или значением процесса обратной связи. Полученная ошибка умножается на пропорциональную константу, чтобы получить выход. Если значение ошибки равно нулю, то выход этого контроллера равен нулю.

Этот контроллер требует смещения или ручной сброс при использовании отдельно. Это происходит потому, что он никогда не достигает состояния устойчивого состояния. Он обеспечивает стабильную работу, но всегда поддерживает постоянную ошибку. Скорость реакции возрастает при увеличении пропорциональной константы Kр.

И-контроллер

Из-за ограничения П-контроллера, где всегда существует смещение между переменной процесса и заданным значением, необходим И-контроллер, который обеспечивает необходимые действия для устранения ошибки установившегося состояния. Он интегрирует ошибку в течение периода времени, пока значение ошибки не достигнет нуля. Он содержит значение для конечного устройства управления, при котором ошибка становится равной нулю.

Интегральное управление уменьшает его выход, когда происходит отрицательная ошибка. Он ограничивает скорость реакции и влияет на стабильность системы. Скорость реакции увеличивается за счет уменьшения интегрального усиления Ki.

На приведенном выше рисунке, когда коэффициент усиления И-контроллера уменьшается, ошибка установившегося режима также продолжает уменьшаться. В большинстве случаев контроллер ПИ используется, в частности, когда требуется высокая скорость ответа.

При использовании ПИ-регулятора выход И-контроллера ограничен некоторым диапазоном для преодоления интегральных условий, когда интегральный выход растет даже при нулевом состоянии ошибки из-за нелинейности на установке.

Д-контроллер

И-контроллер не может предсказать будущее поведение ошибки. Поэтому он реагирует нормально после изменения заданного значения. Д-контроллер преодолевает эту проблему, ожидая будущего поведения ошибки. Его выход зависит от скорости изменения погрешности за время, умноженное на постоянную производной. Это дает начало запуска для выхода, тем самым увеличивая системный отклик.

На приведенном выше рисунке ответ контроллера Д больше, по сравнению с контроллером ПИ, а также время установления выходного сигнала уменьшается. Это улучшает стабильность системы за счет компенсации фазового запаздывания, вызванного И-контроллером. Увеличение производного усиления увеличивает скорость реакции..

Итак, наконец, мы заметили, что, объединив эти три контроллера, мы получим желаемый ответ для системы. Различные производители разрабатывают различные алгоритмы ПИД.

Методы настройки ПИД-регулятора

Перед началом работы ПИД-регулятора он должен быть настроен на динамику контролируемого процесса. Дизайнеры дают значения по умолчанию для параметров П, И, Д, и эти значения не могут дать желаемую производительность, а иногда приводят к нестабильности и медленным характеристикам управления. Разработаны различные методы настройки для настройки ПИД-регуляторов и требуют от оператора большого внимания для выбора наилучших значений пропорциональных, интегральных и диференциальных коэффициентов. Некоторые из них приведены ниже.

Метод проб и ошибок: это простой способ настройки ПИД-регулятора. Пока система или контроллер работают, мы можем настроить контроллер. В этом методе сначала нужно установить значения Ki и Kd в нуль и увеличить пропорциональный коэффициент (Kp), пока система не достигнет колебательного поведения. Как только он осциллирует, отрегулируйте Ki (интегральный термин), чтобы колебания остановились и, наконец, отрегулировали Д, чтобы получить быстрый отклик.

Технологическая кривая технологического процесса: это метод настройки с открытым циклом. Он производит ответ, когда к системе применяется шаг ввода. Первоначально мы должны вручную вводить некоторые данные управления в систему и записывать кривую ответа.

После этого нам нужно рассчитать наклон, неподвижное время, время нарастания кривой и, наконец, подставить эти значения в уравнениях П, И и Д, чтобы получить значения коэффициента усиления ПИД.

Метод Zeigler-Nichols: Zeigler-Nichols предложил методы замкнутого контура для настройки ПИД-регулятора. Это метод непрерывного циклирования и метод демпфирования колебаний. Процедуры для обоих методов одинаковы, но поведение колебаний различно. При этом сначала нужно установить постоянную p-контроллера, Kp на определенное значение, а значения Ki и Kd равны нулю. Пропорциональный коэффициент усиления увеличивается до тех пор, пока система не будет колебаться с постоянной амплитудой.

Усиление, при котором система производит постоянные колебания, называется конечным усилением (Ku), а период колебаний называется предельным периодом (Pc). Как только это достигнуто, мы можем ввести значения P, I и D в ПИД-контроллере по таблице Zeigler-Nichols, зависит от контроллера, используемого как P, PI или PID, как показано ниже.

Структура ПИД-регулятора

ПИД-регулятор состоит из трех членов, а именно пропорционального, интегрального и диференциального. Объединенная работа этих трех контроллеров дает стратегию управления процессом контроля. ПИД-регулятор управляет переменными процесса, такими как давление, скорость, температура, расход и т. д. В некоторых приложениях используются ПИД-регуляторы в каскадных схемах, где для достижения контроля используются два или более ПИД.

На приведенном выше рисунке показана структура ПИД-регулятора. Он состоит из блока PID, который дает свой вывод для обработки блока. Процесс / установка состоит из конечных устройств управления, таких как исполнительные механизмы, регулирующие клапаны и другие управляющие устройства для управления различными процессами промышленности / установки.

Сигнал обратной связи от технологической установки сравнивается с уставкой или сигналом u (t), и соответствующий сигнал ошибки e (t) подается на алгоритм ПИД-регулирования. Согласно пропорциональным, интегральным и диференциальным расчетам в алгоритме, контроллер производит комбинированный ответ или управляемый выход, который применяется к устройствам управления установкой.

Все управляющие приложения не нуждаются во всех трех элементах управления. Комбинации, такие как элементы управления PI и PD, очень часто используются в практических приложениях.

ПИД-регулятор. Описание и принцип работы.

Сегодняшняя статья будет посвящена такой замечательной вещи, как ПИД-регулятор. По определению, пропорционально-интегрально-дифференцирующий регулятор — устройство в цепи обратной связи, используемое в системах автоматического управления для поддержания заданного значения измеряемого параметра. Довольно часто можно встретить примеры, где ПИД-регулятор используется для регулировки температуры, и, на мой взгляд, этот пример прекрасно подходит для изучения теории и понимания принципа работы регулятора. Поэтому именно задачу регулировки температуры и будем сегодня рассматривать.

Итак, что у нас имеется?

Во-первых, объект, температуру которого необходимо поддерживать на заданном уровне, кроме того, эту температуру необходимо регулировать извне. Во-вторых, наше устройство, например, на базе микроконтроллера, с помощью которого мы и будем решать поставленную задачу. Кроме того, у нас есть измеритель температуры (он сообщит контроллеру текущую температуру) и какое-нибудь устройство для управления мощностью нагревателя. Ну и поскольку необходимо как-то задавать температуру, подключим микроконтроллер к ПК.

Таким образом, у нас есть входные данные:

  • текущая температура,
  • температура, до которой необходимо нагреть/остудить объект.

А на выходе мы должны получить значение мощности, которое необходимо передать на нагревательный элемент. И для такой задачи, да и вообще любой похожей задачи, отличным решением будет использование  пропорционально-интегрально-дифференцирующего регулятора.

Начнем с пропорциональной составляющей. Здесь все просто, берем значение нужной нам температуры (уставку) и вычитаем из него значение текущей температуры. Получаем рассогласование (невязку). Умножаем полученную невязку на коэффициент и получаем значение мощности, которое и передаем на нагреватель. Вот и все!

Но при использовании только пропорциональной составляющей есть два больших минуса. Во-первых, эффект от нашего воздействия наступает не моментально, а с запаздыванием. И, во-вторых, пропорциональная составляющая никак не учитывает воздействие окружающей среды на объект.

Например, когда мы добились того, чтобы температуры объекта была равна нужному значению, невязка стала равна нулю. А вместе с ней и выдаваемая мощность стала нулевой. Но температура не может просто так оставаться постоянной, поскольку происходит теплообмен с окружающей средой, и объект охлаждается. Таким образом, при использовании только пропорциональной составляющей температура будет колебаться около нужного нам значения.

Давайте разбираться, как ПИД-регулятор решает две выявленные проблемы.

Для решения первой используется дифференциальная составляющая. Она противодействует предполагаемым отклонениям регулируемой величины, которые могут произойти в будущем. Каким образом? Сейчас разберемся.

Итак, пусть у нас текущая температура меньше нужного нам значения. Пропорциональная составляющая начинает выдавать мощность и нагревать объект. Дифференциальная составляющая вносит свой вклад в мощность и представляет из себя производную невязки, взятую также с определенным коэффициентом. Температура растет и приближается к нужному значению, а следовательно невязка в предыдущий момент больше текущего значения невязки, а производная отрицательная. Таким образом, дифференциальная составляющая начинает постепенно снижать мощность до того, как температура достигла необходимого значения.

С этим вроде разобрались, вспоминаем про вторую проблему регулятора. А с ней нам поможет справиться интегральная составляющая. Как нам в программе получить интеграл? А легко — просто суммированием (накоплением) значений невязки, на то он и интеграл. Возвращаемся к нашему примеру. Температура ниже значения уставки, начинаем подогревать. Пока мы нагреваем, значение невязки положительное и накапливается в интегральной составляющей. Когда температура дошла до нужного нам значения, пропорциональная и дифференциальная составляющая стали равны нулю, а интегральная перестала изменяться, но ее значение не стало равным нулю.

Таким образом, благодаря накопленному интегралу мы продолжаем выдавать мощность и нагреватель поддерживает нужную нам температуру, не давая объекту охлаждаться. Вот так вот просто и эффективно, в итоге мы получаем следующую формулу ПИД-регулятора:

Тут  u(t) — искомое выходное воздействие, а e(t) — значение невязки. Частенько формулу преображают к следующему виду, но суть от этого не меняется:

Пожалуй, на этом закончим на сегодня, а в ближайшее время разберемся и как произвести настройку коэффициентов ПИД-регулятора 🤝

принцип работы, схемы, примеры и т.д.

ПИД-регулятор — это прибор для управления технологическим процессом, который используется в методе ПИД-регулирования, основанном на трех законах регулирования: пропорциональном, интегральном и дифференциальном.

ПИД-регулятор
Обратите внимание на теорию автоматического регулирования и на приборы для регулирования.

Принцип действия ПИД-регулятора

Интегральный сильфон и переменное ограничение позволяет обеспечить интегральное регулирование. Два дифференциальных сильфона и другое переменное ограничение дает возможность регулятору осуществлять дифференциальное регулирование.

Если выход увеличивается, то входной сильфон и нижний дифференциальный сильфон расширяются. Верхний дифференциальный сильфон расширяется позднее из-за переменного ограничения. Балансир поворачивается, и выход немедленно повышается.

Когда входной сигнал полностью перетечет в верхний дифференциальный сильфон, этот сильфон приложит силу, которая уничтожит силу, приложенную нижним дифференциальным сильфоном. На этой точке дифференциальное регулирование прекращается. В то же время, когда это происходит, сильфон обратной связи расширяется в результате изменения выхода. Изменение выхода подается на интегральный сильфон, который вызывает силу, стремящуюся удержать клапан ближе к соплу. Это действие держит выход на высоком уровне в течение времени, когда переменная процесса не равна уставке. Выход будет продолжать увеличиваться до тех пор, пока переменная процесса не вернется в заданному значению уставки.

Где применяется ПИД-регулятор

ПИД-регулятор будет хорошим выбором для работающей на газе печи для подогрева нефти, потому что последующий процесс, куда поступает подогретая нефть, допускает лишь очень маленькие отклонения температуры нефти от заданного значения, а большие запаздывания в процессе подогрева делают очень трудной задачу определения и устранения отклонений.

Газовая печь для подогрева нефти

Одна из причин запаздывания — емкость. Печь имеет способность сохранять большое количество тепла внутри своих стенок. Накопленная теплота передается к нефти, но передача не происходит мгновенно. Если внутренние стенки нагреты слишком сильно, потребуется некоторое время для понижения их температуры, в течение которого нефть может быть перегрета. Если внутренние стенки не достаточно нагреты, то нефть может не получить достаточно тепла.

Дифференциальная составляющая ПИД-регулятора помогает преодолевать запаздывания посредством выработки эффективных упреждающих воздействий. Интегральная составляющая непрерывно корректирует выходной сигнал при наличии смещения пока регулируемая температура не возвращается к уставке.

Симуляция ПИД-регулятора температуры / Хабр

Поискал я статьи на данном ресурсе на тему ПИД-регуляторов. Много статей. И с объяснением принципов работы таких регуляторов. И с алгоритмами подбора параметров. И с реализацией на конкретных железках и программах. Не увидел одного — симуляции ПИД-регуляторов на моделях, с тем, чтобы пользователь без использования без всякого железа мог «пощупать» работу ПИД-регулятора.

Для этого создана матмодель нагревательного элемента с датчиком температуры и ПИД-регулятором (разумеется, с кучей упрощений, но без ущерба для реалистичности). Реализовано это на обычном Excel. С тем, чтобы любой пользователь мог сам «покрутить» виртуальные параметры, и посмотреть, что из этого выходит. Собственно, я эту модель в своё время и сделал как раз для того, чтобы «потрогать» своими руками процесс ПИД-регулирования.

Сама модель имеет следующие параметры:

  • Кf инерционности нагреваемого тела (масса, уд. теплоёмкость, изоляция)
  • Температура окружающей среды °С
  • Начальная температура тела °С

ПИД-регулятор имеет параметры:

  • Целевая температура °С
  • Коэфф. пропорционального воздействия
  • Коэфф. дифференциального воздействия
  • Коэфф. интегрального воздействия
  • Максимальное значение управляющего воздействия
  • Общий коэффициент усиления (если 0, то регулятор и нагреватель не работают)

Дальше много картинок.

1. Сначала выключим ПИД-регулирование и убедимся, что модель адекватная.

Устанавливаем равную температуру тела и окружающей среды и убеждаемся на графике, что температура стабильна:

Теперь устанавливаем температуру тела выше температуры окружающей среды, график перестроился и видим, что температура тела по экспоненциальному закону стремится к температуре окружающей среды.

То же самое, но теперь температура тела ниже температуры окружающей среды.

Уменьшаем коэффициент инерционности, и видим, что температура тела быстрее стремится к окружающей среде.

Увеличиваем коэффициент инерционности, и видим, что температура тела медленнее стремится к окружающей среде.

Теперь включаем нагрев (но не ПИД-регулятор!). Для этого в колонке управления «включаем» 2 раза «нагрев» — с 0 по 2 единицу времени на «мощность» =20, и с 11 по 12 единицу времени на «мощность» =10. На графике наблюдаем адекватную реакцию.

Теперь «включаем» постоянный «нагрев» на «мощность» 10. Видим, что температура тела растёт, но до определенного предела — «мощности» не хватает.

2. Теперь «включим» ПИД-регулятор, и посмотрим, как он будет регулировать температуру.

Установим целевую температуру в 100°С и Kp=1,Kd=1,Ki=0.1

Увеличим Ki до 1, и увидим, что это не совсем полезно в данном случае.

Теперь уберем интегральную составляющую Ki и посмотрим — теперь регулировка не дотягивает до 100 градусов — мало «мощности» без интегральной составляющей.

Увеличим K и/или Kp — теперь «мощности» хватило, но без интегральной составляющей возникли высокочастотные колебания.

Ну и так далее.

Ссылка на файл. Кому интересно — поиграйтесь.

Что такое пид-регулятор — ООО «УК Энерготехсервис»

Назад в библиотеку

Как следует из названия, в этой статье мы дадим точное представление о структуре и работе ПИД-контроллера. Однако сначала, давайте познакомимся с ПИД-контроллерами.

ПИД-регуляторы находятся в широком диапазоне применений для управления промышленными процессами. Приблизительно 95% операций с замкнутым контуром в промышленной автоматизации используют ПИД-регуляторы. PID обозначает Пропорционально-интегральная-диференциальная составляющая. Эти три контроллера объединены таким образом, что он создает управляющий сигнал.

В качестве контроллера обратной связи он обеспечивает выход управления на желаемых уровнях. ПИД-регулирование осуществлялось с помощью аналоговых электронных компонентов, перед изобретением микропроцессоров.

Но сегодня все ПИД-контроллеры обрабатываются микропроцессорами. ПрограммируемыеПрограммируемые логические контроллеры также имеют встроенные настройки ПИД-регулятора.

Благодаря гибкости и надежности ПИД-регуляторов, они традиционно используются в системах управления технологическим процессом.

Работа ПИД-регулятора

При использовании недорогого простого контроллера возможны только два состояния управления, например, полностью ВКЛ или полностью ВЫКЛ. Он используется для настроек с ограничением контроля, в котором эти два состояния управления достаточно для целей управления. Однако характер этого контроля ограничивает его использование и, следовательно, заменяется ПИД-контроллерами.

ПИД-регулятор поддерживает выход таким образом, что между переменной процесса и заданной точкой / желаемым выходом с помощью операций замкнутого контура имеется нулевая ошибка. ПИД использует три основных поведения управления, которые объясняются ниже.

П-контроллер:

Пропорциональный или П-регулятор дает выход, который пропорционален текущей ошибке e (t). Он сравнивает желаемую или заданную точку с фактическим значением или значением процесса обратной связи. Полученная ошибка умножается на пропорциональную константу, чтобы получить выход. Если значение ошибки равно нулю, то выход этого контроллера равен нулю.

Этот контроллер требует смещения или ручной сброс при использовании отдельно. Это происходит потому, что он никогда не достигает состояния устойчивого состояния. Он обеспечивает стабильную работу, но всегда поддерживает постоянную ошибку. Скорость реакции возрастает при увеличении пропорциональной константы Kр.

И-контроллер

Из-за ограничения П-контроллера, где всегда существует смещение между переменной процесса и заданным значением, необходим И-контроллер, который обеспечивает необходимые действия для устранения ошибки установившегося состояния. Он интегрирует ошибку в течение периода времени, пока значение ошибки не достигнет нуля. Он содержит значение для конечного устройства управления, при котором ошибка становится равной нулю.

Интегральное управление уменьшает его выход, когда происходит отрицательная ошибка. Он ограничивает скорость реакции и влияет на стабильность системы. Скорость реакции увеличивается за счет уменьшения интегрального усиления Ki.

На приведенном выше рисунке, когда коэффициент усиления И-контроллера уменьшается, ошибка установившегося режима также продолжает уменьшаться. В большинстве случаев контроллер ПИ используется, в частности, когда требуется высокая скорость ответа.

При использовании ПИ-регулятора выход И-контроллера ограничен некоторым диапазоном для преодоления интегральных условий, когда интегральный выход растет даже при нулевом состоянии ошибки из-за нелинейности на установке.

Д-контроллер

И-контроллер не может предсказать будущее поведение ошибки. Поэтому он реагирует нормально после изменения заданного значения. Д-контроллер преодолевает эту проблему, ожидая будущего поведения ошибки. Его выход зависит от скорости изменения погрешности за время, умноженное на постоянную производной. Это дает начало запуска для выхода, тем самым увеличивая системный отклик.

На приведенном выше рисунке ответ контроллера Д больше, по сравнению с контроллером ПИ, а также время установления выходного сигнала уменьшается. Это улучшает стабильность системы за счет компенсации фазового запаздывания, вызванного И-контроллером. Увеличение производного усиления увеличивает скорость реакции..

Итак, наконец, мы заметили, что, объединив эти три контроллера, мы получим желаемый ответ для системы. Различные производители разрабатывают различные алгоритмы ПИД.

Методы настройки ПИД-регулятора

Перед началом работы ПИД-регулятора он должен быть настроен на динамику контролируемого процесса.

Дизайнеры дают значения по умолчанию для параметров П, И, Д, и эти значения не могут дать желаемую производительность, а иногда приводят к нестабильности и медленным характеристикам управления.

Разработаны различные методы настройки для настройки ПИД-регуляторов и требуют от оператора большого внимания для выбора наилучших значений пропорциональных, интегральных и диференциальных коэффициентов. Некоторые из них приведены ниже.

Метод проб и ошибок: это простой способ настройки ПИД-регулятора. Пока система или контроллер работают, мы можем настроить контроллер.

В этом методе сначала нужно установить значения Ki и Kd в нуль и увеличить пропорциональный коэффициент (Kp), пока система не достигнет колебательного поведения.

Как только он осциллирует, отрегулируйте Ki (интегральный термин), чтобы колебания остановились и, наконец, отрегулировали Д, чтобы получить быстрый отклик.

Технологическая кривая технологического процесса: это метод настройки с открытым циклом. Он производит ответ, когда к системе применяется шаг ввода. Первоначально мы должны вручную вводить некоторые данные управления в систему и записывать кривую ответа.

После этого нам нужно рассчитать наклон, неподвижное время, время нарастания кривой и, наконец, подставить эти значения в уравнениях П, И и Д, чтобы получить значения коэффициента усиления ПИД.

Метод Zeigler-Nichols: Zeigler-Nichols предложил методы замкнутого контура для настройки ПИД-регулятора. Это метод непрерывного циклирования и метод демпфирования колебаний.

Процедуры для обоих методов одинаковы, но поведение колебаний различно. При этом сначала нужно установить постоянную p-контроллера, Kp на определенное значение, а значения Ki и Kd равны нулю.

Пропорциональный коэффициент усиления увеличивается до тех пор, пока система не будет колебаться с постоянной амплитудой.

Усиление, при котором система производит постоянные колебания, называется конечным усилением (Ku), а период колебаний называется предельным периодом (Pc). Как только это достигнуто, мы можем ввести значения P, I и D в ПИД-контроллере по таблице Zeigler-Nichols, зависит от контроллера, используемого как P, PI или PID, как показано ниже.

Структура ПИД-регулятора

ПИД-регулятор состоит из трех членов, а именно пропорционального, интегрального и диференциального. Объединенная работа этих трех контроллеров дает стратегию управления процессом контроля.

ПИД-регулятор управляет переменными процесса, такими как давление, скорость, температура, расход и т. д.

В некоторых приложениях используются ПИД-регуляторы в каскадных схемах, где для достижения контроля используются два или более ПИД.

На приведенном выше рисунке показана структура ПИД-регулятора. Он состоит из блока PID, который дает свой вывод для обработки блока. Процесс / установка состоит из конечных устройств управления, таких как исполнительные механизмы, регулирующие клапаны и другие управляющие устройства для управления различными процессами промышленности / установки.

Сигнал обратной связи от технологической установки сравнивается с уставкой или сигналом u (t), и соответствующий сигнал ошибки e (t) подается на алгоритм ПИД-регулирования. Согласно пропорциональным, интегральным и диференциальным расчетам в алгоритме, контроллер производит комбинированный ответ или управляемый выход, который применяется к устройствам управления установкой.

Все управляющие приложения не нуждаются во всех трех элементах управления. Комбинации, такие как элементы управления PI и PD, очень часто используются в практических приложениях.

Рекомендации по настройке ПИД-регуляторов в контроллере АГАВА 6432.20 — ООО КБ АГАВА

Введение

1. Согласно теории автоматического регулирования параметры регулятора однозначно связаны с характеристиками объекта регулирования.

Поскольку изготовитель автоматики не имеет информации об этих характеристиках, заводские настройки контроллера выбраны для некого абстрактного объекта, и задача наладчика состоит в том, чтобы подобрать оптимальные параметры регулятора для конкретного котла или печи.

Ниже приведены две методики настройки ПИД-регулятора:

Методика №1 — параметры объекта оцениваются в процессе самой настройки; Методика №2 — параметры объекта определяются путем анализа переходной характеристики.

2. В программе контроллера АГАВА 6432.20 (с версии 08.30) реализованы два независимых алгоритма регулирования:

1) позиционный ПИД-регулятор для исполнительного механизма (ИМ) с аналоговым управлением (например, ЧРП):

2) скоростной ПИД-регулятор для ИМ типа МЭО:

где: outn – выходной сигнал ПИД регулятора от 0 до 100% значения тока, выдаваемое на исполнительный механизм, в текущем периоде регулирования; Kp – коэффициент пропорциональности; Kd – коэффициент дифференцирования, с; Ki – коэффициент интегрирования, с; En – текущее значение ошибки (от -100 до 100 %), En-1 –значение ошибки в предыдущем периоде регулирования (от -100 до 100 %), En-2 –значение ошибки на n-2 шаге (от -100 до 100 %). T – период регулирования, с.

Примечание. Длительность импульса, выдаваемая на исполнительный механизм типа МЭО в скоростном ПИД-регуляторе равна:

где: tn — длительность управляющего импульса на МЭО yn – рассчитанная длительность текущего импульса, %; Тмэо – время полного хода исполнительного механизма, с;

МЕТОДИКА №1

Суть предлагаемой методики заключается в том, что параметры объекта непосредственно не определяются, а в скрытой форме оцениваются в процессе самой настройки, когда контур регулирования уже замкнут, но ещё не настроен.

ВНИМАНИЕ!!!

Настройку параметров регулирования следует производить после наладки режимов горения и соотношения топливо/воздух. Указанные операции осуществляют при отключенных регуляторах.

Последовательность настройки

  1. Определяют значение Tmeo. Для этого при помощи секундомера замеряют время хода исполнительного механизма в зоне регулирования;

    Примечание. для ЧРП допускается время хода взять равным “Времени разгона ЧРП” из настроек ЧРП.

  2. Рассчитывают значение периода регулирования, исходя из соотношения: Т=(0,05÷0,1)Тmeo

  3. В соответствующих пунктах меню настроек контроллера устанавливают рассчитанное и измеренное значения T и Tmeo.

    Примечание. Для ЧРП устанавливают только T.

  4. Переводят выбранный контур в режим П-регулятора, для чего отключают интегральную и дифференциальную компоненты, т.е. устанавливают значение Ti максимально возможным, а значение Td — минимально возможным.

  5. Контур регулирования выводят на границу устойчивости. Для этого постепенно увеличивают коэффициент пропорциональности Kp до критического значения (Kp крит), при котором контур войдет в режим колебаний (см. рис. 1).

    Рис.1

  6. Определяют период колебаний и критическое значение Kp крит. Далее, по приведённым ниже формулам, рассчитывают требуемые значения параметров:

    • для П-регулятора: Kp = 0,5 Kp крит;
    • для ПИ-регулятора: Kp = 0,45 Kp крит и Ti = 0,83Tк;
    • для ПИД-регулятора: Kp = 0,60 Kp крит, Ti = 0,50Tк и Td = 0,125Tк.

Замечания, касающиеся выбора значения T:

  1. Увеличение периода регулирования T по отношению к Tmeo (п.2) приводит к росту динамической ошибки. С другой стороны, чрезмерно заниженное абсолютное значение T не позволяет минимизировать величину статической ошибки.
  2. Если расчетное значение T (п.2) получилось слишком малым необходимо применить более медленный исполнительный механизм, или изменить размеры сопрягающих рычагов.
  • МЕТОДИКА №2
  • В основе данной методики лежит анализ переходной характеристики (Рис 1).
  • Сигнал, вырабатываемый ПИД-регулятором, определяется тремя компонентами:
Kp коэффициент пропорциональности Настройка(1 этап)
Ki коэффициент интегрирования Настройка(3 этап)
Kd коэффициент дифференцирования Настройка(2 этап)

ВНИМАНИЕ!!!

Настройку параметров регулирования следует производить после наладки режимов горения и соотношения топливо/воздух. Указанные операции осуществляют при отключенных регуляторах.

Этап 1. Настройка пропорциональной компоненты ПИД-регулятора

Перед настройкой пропорциональной компоненты регулятора интегральная и дифференциальная компоненты отключаются, либо значение Ki устанавливается максимально возможным, а значение Kd — минимально возможным.

Устанавливают первоначальное значение коэффициента пропорциональности Kp, Tmeo, T, руководствуясь «Рекомендациями по настройке ПИД-регуляторов в контроллере «АГАВА 6432.20» или используя заводские настройки контроллера.

  1. Экспериментально снимается (если это допустимо по технологическим условиям) и регистрируется при помощи программы » АГАВА РТ » характеристика переходного процесса.

  2. Возможные варианты кривых переходной характеристики приведены на рис.2.

Рис.2

Переходная характеристика 1 Значение коэффициента пропорциональности очень велико, переходная характеристика (а значит, и настройка регулятора) далека от оптимальной. Коэффициент пропорциональности следует уменьшить.

При этом надо иметь в виду, что варьировать пропорциональную компоненту можно двумя переменными: в явном виде, изменяя Kp и подбирая период регулирования T.

Исходное значение T рассчитывают по формуле:

Т=(0,05÷0,1)Тmeo

Переходная характеристика 2 Для этой кривой характерны затухающие колебания (3-5 периодов). Если в дальнейшем предполагается использовать и дифференциальную компоненту ПИД-регулятора, то выбранное значение коэффициента пропорциональности является оптимальным. Для этого случая настройка пропорциональной компоненты считается законченной.

Если дифференциальная компонента использоваться не будет, то рекомендуется еще уменьшить Kp так, чтобы получились переходные характеристики типа 3 или 4.

Переходная характеристика 3 В этой переходной характеристике имеет место небольшой выброс и быстро затухающие колебания (1-2 периода).

Этот тип переходной характеристики обеспечивает хорошее быстродействие и быстрый выход на заданную температуру.

В большинстве случаев его можно считать оптимальным, если в системе допускаются выбросы при переходе с одной уставки на другую или при резком изменении нагрузок, например, при изменении расхода пара.

Выбросы можно устранить дополнительным уменьшением Kp так, чтобы получилась переходная характеристика типа 4.

Переходная характеристика 4 Регулируемый параметр плавно подходит к установившемуся значению без выбросов и колебаний. Эта тип переходной характеристики также можно считать оптимальным, однако быстродействие регулятора несколько снижено.

Переходная характеристика 5 Сильно затянутый подход к установившемуся значению говорит о том, что коэффициент пропорциональности чрезмерно занижен. Динамическая и статическая точность регулирования здесь мала. Рекомендуется увеличить значение Kp.

Следует обратить внимание на два обстоятельства. Во-первых, во всех рассмотренных выше случаях установившееся значение параметра в системе не совпадает со значением уставки. Чем меньше коэффициент пропорциональности, тем больше остаточное рассогласование.

  1. Во-вторых, чем меньше коэффициент пропорциональности, тем больше длительность переходных процессов.
  2. Однако остаточное рассогласование, характерное для чисто пропорциональных регуляторов (П-регуляторов), минимизируется интегральной компонентой регулятора (ПИ-регулятор).
  3. Выводы:
  1. Во всех рассмотренных выше случаях установившееся значение параметра в системе не совпадает со значением уставки. Чем меньше коэффициент пропорциональности, тем больше остаточное рассогласование.
  2. Чем меньше коэффициент пропорциональности, тем больше длительность переходных процессов.
  3. Остаточное рассогласование, характерное для чисто пропорциональных регуляторов (П-регуляторов), минимизируется интегральной компонентой регулятора (ПИ-регулятор).

Этап 2. Настройка коэффициента дифференцирования Кd

Рис.3

  1. Этот этап присутствует только в том случае, если применяется полнофункциональный ПИД-регулятор. Если дифференциальная компонента применяться не будет (используется ПИ-регулятор), то следует сразу перейти к этапу 3 (Настройка интегральной компоненты Кi).
  2. Устанавливают первоначальное значение Кd. При этом можно использовать «Рекомендации по настройке ПИД-регуляторов в контроллере «АГАВА 6432.20» или применить заводские настройки контроллера.
  3. Предположим, что на этапе 1 установлен коэффициент пропорциональности, соответствующий переходной характеристике типа 1 показанной на рис.3, в которой присутствуют затухающие колебания. В этом случае следует выбрать такое значение Кd, чтобы переходная характеристика имела вид кривой 2 на рис.3. В качестве первого приближения, постоянную времени дифференцирования можно рассчитать по формуле:

    Кd = 0,2 x Tk

    где Tk — период колебания (Рис.1).

Вывод: Дифференциальная компонента устраняет затухающие колебания и делает переходную характеристику, похожей на тип 2 (см. рис.3). Это значит, что динамическая точность регулирования при наличии дифференциальной компоненты (ПД-регулятор) может быть выше, чем для П-регулятора.

  • Этап 3. Настройка величины коэффициента интегрирования Кi
  • После настройки пропорциональной и, при необходимости и дифференциальной компоненты, получается переходная характеристика 1, показанная на рис 4.
  • Рис.4
  1. Начальное значение постоянной времени интегрирования следует установить, руководствуясь «Рекомендациями по настройке ПИД-регуляторов в контроллере «АГАВА 6432.20» или используя заводские настройки контроллера.
  2. Возможные варианты кривых приведены на рис.4.

Переходная характеристика 1 Значение Кi выбрано слишком большим, следует уменьшить значение коэффициента интегрирования Кi.

Переходная характеристика 2 Такая кривая получается при чрезмерно большой величине коэффициента интегрирования. Выход на уставку оказывается затянутым и длится примерно (3…4) х Кi. В этом случае рекомендуется уменьшить значение коэффициента интегрирования Кi.

Переходная характеристика 4 Получается при слишком малой величине коэффициента интегрирования. Выход на уставку также длится (3…4) x Кi. Если коэффициента интегрирования уменьшить еще, то в системе могут возникнуть колебания. Следует увеличить значение коэффициента интегрирования Кi.

Переходная характеристика 3 Значение коэффициента интегрирования Кi выбрано оптимально.

Выводы: Интегральная компонента позволяет минимизировать остаточное рассогласование между установившимся в системе значением регулируемого параметра и уставкой.

П-, ПИ-, ПД-, ПИД — регуляторы

  • В данном разделе приведены описания алгоритмов работы и законы регулирования непрерывных П-, ПИ-, ПД-, ПИД-регуляторов с различными структурами выходного сигнала — аналоговым выходом, дискретным (импульсным) выходом или ШИМ-выходом (широтно импульсным модулированным сигналом).
  • Классификация систем автоматического регулирования (САР) приведена в таблице 1 в «Классификация систем автоматического регулирования».
  • Типовые регуляторы и регулировочные характеристики
  • Для регулирования объектами управления, как правило, используют типовые регуляторы, названия которых соответствуют названиям типовых звеньев (описание типовых звеньев представлено в разделе 2.4):
    1. П-регулятор, пропорциональный регулятор Передаточная функция П-регулятора: Wп(s) = K1. Принцип действия заключается в том, что регулятор вырабатывает управляющее воздействие на объект пропорционально величине ошибки (чем больше ошибка Е, тем больше управляющее воздействие Y).
    2. И-регулятор, интегрирующий регулятор Передаточная функция И-регулятора: Wи(s) = К0/s. Управляющее воздействие пропорционально интегралу от ошибки.
    3. Д-регулятор, дифференцирующий регулятор ПередаточнаяфункцияД-регулятора: Wд(s) = К2*s. Д-регуляторгенерирует управляющее воздействие только при изменении регулируемой веричины: Y= K2 * dE/dt.

      На практике данные простейшие П, И, Д регуляторы комбинируются в регуляторы вида ПИ, ПД, ПИД (см. рис.1):

Рисунок 1 — Виды непрерывных регуляторов

В зависимости от выбранного вида регулятор может иметь пропорциональную характеристику (П), пропорционально-интегральную характеристику (ПИ), пропорционально-дифференциальную характеристику (ПД) или пропорционально-интегральную (изодромную) характеристику с воздействием по производной (ПИД-регулятор).

  1. ПИ-регулятор, пропорционально-интегральный регулятор (см. рис.3.18.а)ПИ-регулятор представляет собой сочетание П- и И-регуляторов. Передаточная функция ПИ-регулятора: Wпи(s) = K1 + K0/s.
  2. ПД-регулятор, пропорционально-дифференциальный регулятор (см. рис.3.18.б)ПД-регулятор представляет собой сочетание П- и Д-регуляторов. Передаточная функция ПД-регулятора: Wпд(s) = K1 + K2 s.
  3. ПИД-регулятор, пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор (см. рис.3.18.в)

ПИД-регулятор представляет собой сочетание П-, И- и Д-регуляторов. Передаточная функция ПИД-регулятора: Wпид(s) = K1 + K0 / s + K2 s.

Наиболее часто используется ПИД-регулятор, поскольку он сочетает в себе достоинства всех трех типовых регуляторов.

Структурные схемы непрерывных регуляторов

В данном разделе приведены структурные схемы непрерывных регуляторов с аналоговым выходом -рис.2, с импульсным выходом — рис.3 и с ШИМ (широтно импульсным модулированным) выходом -рис.4.

В процессе работы система автоматического регулирования АР (регулятор) сравнивает текущее значение измеряемого параметра Х, полученного от датчика Д, с заданным значением (заданием SP) и устраняет рассогласование регулирования E (B=SP-PV). Внешние возмущающие воздействия Z также устраняются регулятором. Работа приведенных структурных схем отличается методом формирования выходного управляющего сигнала регулятора.

Непрерывный регулятор с аналоговым выходом

Структурная схема непрерывного регулятора с аналоговым выходом приведена на рис.2.

Выход Y регулятора АР (например, сигнал 0-20мА, 4-20мА, 0-5мА или 0-10В) воздействует через электропневматический преобразователь Е/Р сигналов (например, с выходным сигналом 20-100кПа) или электропневматический позиционный регулятор на исполнительный элемент К (регулирующий орган).

  1. Рисунок 2 — Структурная схема регулятора с аналоговым выходом
  2. где:АР — непрерывный ПИД-регулятор с аналоговым выходом,SP — узел формирования заданной точки,PV=X- регулируемый технологический параметр,Е — рассогласование регулятора,Д — датчик,
  3. НП — нормирующий преобразователь (в современных регуляторах является входным устройством)

Y — выходной аналоговый управляющий сигнал Е/Р — электропневматический преобразователь, К — клапан регулирующий (регулирующий орган).

Непрерывный регулятор с импульсным выходом

Структурная схема непрерывного регулятора с импульсным выходом приведена на рис.3.

Выходные управляющие сигналы регулятора — сигналы Больше и Меньше (транзистор, реле, симистор) через контактные или бесконтактные управляющие устройства (П) воздействуют на исполнительный элемент К (регулирующий орган).

  • Рисунок 3 — Структурная схема регулятора с импульсным выходом
  • где:АР — непрерывный ПИД-регулятор с импульсным выходом,SP — узел формирования заданной точки,PV=X- регулируемый технологический параметр,Е — рассогласование регулятора,Д — датчик,НП — нормирующий преобразователь (в современных регуляторах является входным устройством) ИМП — импульсный ШИМ модулятор, преобразующий выходной сигнал Y в последовательность импульсов со скважностью, пропорциональной выходному сигналу: Q=Y/100. Сигналы Больше и Меньше — управляющие воздействия,П — пускатель контактный или бесконтактный,
  • К — клапан регулирующий (регулирующий орган).
  • Непрерывный регулятор с ШИМ (широтно импульсным модулированным) выходом

Структурная схема непрерывного регулятора с ШИМ (широтно импульсным модулированным) выходом приведена на рис.4.

Выходной управляющий сигнал регулятора (транзистор, реле, симистор) через контактные или бесконтактные управляющие устройства (П) воздействуют на исполнительный элемент К (регулирующий орган).

Непрерывные регуляторы с ШИМ выходом широко применяются в системах регулирования температуры, где выходной управляющий симисторный элемент (или твердотельное реле, пускатель) воздействуют на термоэлектрический нагреватель ТЭН, или вентилятор.

  1. Рисунок 4 — Структурная схема регулятора с ШИМ выходом
  2. АР — непрерывный ПИД-регулятор с импульсным ШИМ выходом,SP — узел формирования заданной точки,PV=X- регулируемый технологический параметр,Е — рассогласование регулятора,Д — датчик,НП — нормирующий преобразователь (в современных регуляторах является входным устройством) ШИМ — импульсный ШИМ модулятор, преобразующий выходной сигнал Y в последовательность импульсов со скважностью, пропорциональной выходному сигналу: Q=Y/100.П — пускатель контактный или бесконтактный,
  3. К — клапан регулирующий (регулирующий орган).

Согласование выходных устройств непрерывных регуляторов

Выходной сигнал регулятора должен быть согласован с исполнительным механизмом и исполнительным устройством.

В соответствии с видом привода и исполнительным механизмом необходимо использовать выходное устройство непрерывного регулятора соответствующего типа, см. таблицу 1.

Таблица 1 — Согласование выходных устройств непрерывных регуляторов

Выходное устройство непрерывного регулятора Тип выходного устройства Закон регулирования Исполнительный механизм или устройство Вид привода Регулирующий орган
Аналоговый выход ЦАП с выходом 0-5мА, 0-20мА, 4-20мА, 0-10В П-, ПИ-,ПД-, ПИД-закон Преобразователи и позиционные регуляторы электро-пневматические и гидравлические Пневматические исполнительные приводы (с сжатым воздухом в качестве вспомогательной энергии) и электропневматические преобразователи сигналов или электропневматические позиционные регуляторы, электрические (частотные привода)
Импульсный выход Транзистор, реле, симистор П-, ПИ-, ПД-, ПИД-закон Контактные (реле) и бесконтактные (симисторные) пускатели Электрические приводы (с редуктором), в т. ч. реверсивные
ШИМ выход Транзистор, реле, симистор П-, ПИ-, ПД-, ПИД-закон Контактные (реле) и бесконтактные (симисторные) пускатели Термоэлектрический нагреватель(ТЭН) и др.

Реакция регулятора на единичное ступенчатое воздействие

Одной из динамических характеристик обьекта управления является его переходная характеристика -реакция обьекта на единичное ступенчатое воздействие (см. Динамические характеристики), например, изменение заданной точки регулятора.

В данном разделе приведены переходные процессы системы управления при единичном ступенчатом изменении заданной точки при использовании регуляторов с различным законом регулирования.

Если на вход регулятора подается скачкообразная функция изменения заданной точки — см. рис. 5, то на выходе регулятора возникает реакция на единичное ступенчатое воздействие в соответствии с характеристикой регулятора в функции времени.

Рисунок 5 — Единичное ступенчатое воздействие скачкообразная функция изменения заданной точки регулятора

Параметрами П-регулятора являются коэффициент усиления Кр и рабочая точка Y0. Рабочая точка Y0 определяется как значение выходного сигнала, при котором рассогласование регулируемой величины равно нулю. При влиянии возмущающих воздействий возникает, в зависимости от Y0, отклонение регулирования.

Рисунок 6 — П-регулятор. Реакция на единичное ступенчатое воздействие

ПИ-регулятор, реакция на единичное ступенчатое воздействие

В отличие от П-регулятора у ПИ-регулятора, благодаря интегральной составляющей, исключается отклонение регулирования.

Параметром интегральной составляющей является время интегрирования Ти.

  • Рисунок 7 — ПИ-регулятор. Реакция на единичное ступенчатое воздействие
  • У ПД-регуляторов пропорциональная составляющая накладывается на затухающую дифференциальную составляющую.
  • Д-составляющая определяется через усиление упреждения Уд и время дифференцирования Тд.

Рисунок 8 — ПД-регулятор. Реакция на единичное ступенчатое воздействие

Б лагодаря дополнительному подключению Д-составляющей ПИД-регулятор достигает улучшения динамического качества регулирования.

См. ПИ-регулятор, ПД-регулятор.

Рисунок 9 — ПИД-регулятор. Реакция на единичное ступенчатое воздействие

ПИД-регулятор для автоматизации процессов

Что же такое ПИД-регулятор? Прежде всего это алгоритм, который может быть реализован как программно, так и аппаратно. Сегодня мы рассмотрим ПИД-регулятор как законченное устройство, которое может быть использовано для построения систем управления и автоматики. В качестве примера возьмём устройство компании «ОВЕН»  ТРМ210. Но для начала немного теории…

Что такое ПИД-регулятор?

ПИД-регулятор относится к регуляторам непрерывного типа. Аббревиатура «ПИД» расшифровывается как «пропорционально-интегрально-дифференциальный» (регулятор) — эти три слова полностью описывают принцип его действия. Общая структурная схема управления выглядит так:

На вход регулятора подаётся измеренная датчиком физическая величина (температура, влажность и т.д.), регулятор в соответствии со своим алгоритмом (реализующим функцию преобразования) выдаёт управляющее воздействие. Это вызывает изменение регулируемой величины (например, температуры или влажности).

На следующем шаге регулятор снова делает замер регулируемого параметра и сравнивает эту величину с заданной, вычисляя ошибку регулирования. Новое управляющее воздействие формируется с учётом ошибки регулирования на каждом шаге. Значение величины, которое нужно поддерживать, задаётся пользователем.

Функция преобразования ПИД-регулятора выглядит следующим образом:

,где E — ошибка регулирования (разница между заданным значением регулируемой величины и фактическим)

В этой формуле, как вы уже догадались, есь три составляющие: интегральная пропорциональная и дифференциальная. Каждая из них имеет соответствующий коэффициент (Кп, Ки, Кд). Чем больше коэффициент, тем больший вклад данная составляющая вносит в работу регулятора. Теперь разберёмся за что отвечает каждая из них.

Пропорциональная:  «Чем больше — тем больше, чем меньше  — тем меньше»

Тут всё просто. Пропорциональная составляющая просто умножает величину ошибки на свой коэффициент. Например, чем больше заданная температура по сравнению с текущей, тем большую мощность регулятор установит на обогревателе.

Интегральная:  «Учтём предыдущий опыт»

Интегральная составляющая необходима, чтобы учитывать предыдущий опыт работы регулятора и делать управление всё точнее и точнее со временем. Как известно, интеграл — это сумма. Регулятор суммирует все предыдущие значения ошибки регулирования и делает на них поправку.

Как только система выйдет на заданный режим (например, достигнет заданной температуры) ошибка регулирования будет близка к нулю и интегральная часть со временем будет всё меньше влиять на работу регулятора.

Говоря простым языком, интегральная составляющая стремиться исправить ошибки регулирования за предыдущий период.

Дифферинциальная:  «Учтём скорость изменения»

Эта составляющая берёт производную от измеряемой величины. Физический смысл производной- это скорость изменения физической величины.

Например, чем быстрее растёт (или падает) температура в системе, тем больше будет соответствующая производная.

Дифферинциальная составляющая позволяет регулятору по-разному реагировать на резкие и плавные изменения регулируемой величины в системе, тем самым избегая «раскачивания» этой величины.

ТРМ210: Функциональная схема прибора
  • Краткий экскурс в теорию закончен, вернёмся к практике и рассмотрим прибор ТРМ210, реализующий данный алгоритм.
  • Вот его функциональная схема:

Информация с датчика преобразуется прибором с помощью шкалы масштабирования, проходит фильтрацию и коррекцию. Это необходимо, чтоб ПИД-алгоритм получил измеренное значение в удобном и понятном для него виде.

Значение измеренной величины отображается на дисплее прибора.

Управляющее воздействие регулятора может быть импульсным или аналоговым. В первом случае управляющее воздействие регулятора заключается в изменении ширины генерируемых на выходе импульсов. Во втором случае регулятор выдаёт сигнал унифицированного напряжения в диапазоне 0…10 В или тока в диапазоне 4…20 мА. С помощью этих сигналов можно управлять практически любым устройством.

В ТРМ210 предусмотрен блок сигнализации, который сообщает о выходе физической величины за заданные пределы, замыкая дискретный выход, который, например, может «зажигать» лампу «Авария».

Также в приборе имеется блок регистратора, который может передавать измеренное значение физической величины любому другому прибору или устройству с помощью токового сигнала 4…20 мА.

В дополнение ко всему выше перечисленному регулятор имеет «на борту» интерфейс RS-485, который позволяет читать с прибора значения измеряемой величины, выходной мощности регулятора и любых конфигурируемых параметров. Это может пригодиться, если нужно передавать информацию о работе прибора в диспетчерский пункт.

Пример использования

Допустим, необходимо реализовать проветривание помещения следующим образом: чем больше температура внутри, тем больше нужно открыть окно.

Для этого установим на окно привод, который будет плавно поворачиваться на заданный угол, а управляться будет сигналом тока 4…20 мА (такой управляющий сигнал поддерживают практически все подобные приводы).

То есть, если подать на привод сигнал 4 мА — он полностью закроет окно, а 20 мА — полностью его откроет.

Для измерения температуры можно взять любой из поддерживаемых ТРМ210 — это практически любые термопары и любые датчики имеющие унифицированные выходы 0…10 В и 4…20 мА.

Настройка ПИД-регулятора

Прибор ТРМ210 имеет функцию автонастройки. В этом режиме регулятор сам имитирует возмущающие воздействия, отслеживает реакцию системы и исходя из этих данных подстраивает свои коэффициенты.

Однако, таким способом настроить регулятор получается далеко не всегда, поскольку регулятор ничего не знает о реальной системе, и генерируемые им тестовые возмущения могут не совпадать с реальными возмущениями, возникающими в этой системе.

В таких случаях необходимо подобрать коэффициенты вручную. О том, как это правильно сделать мы расскажем в отдельной статье.

До свидания! Читайте LAZY SMART.

Термоконтролеры с ПИД-регулятором

Термоконтроллеры с ПИД-регулятором разработаны для высокоточного регулирования температуры в автоматических системах управления промышленными процессами.

Модели термоконтроллеров с ПИД-регулятором и их характеристики

Температурные контроллеры с функцией ПИД-регулятора отличаются рядом характеристик:

  • возможностью подключения разнообразных вариантов датчиков температуры, включая отдельные типы термометров сопротивления, термопар и др.;
  • возможностью подключения дополнительных видов датчиков: давления, влажности, тока, расхода и т.д.;
  • наличием различных выходов управления;
  • методом настройки параметров и управления работой.

Контроллеры имеют различные модификации с определенным набором параметров, что позволяет подобрать наиболее подходящий вариант. Основные модели термоконтроллеров с общим описанием характеристик представлены в таблице:

Возможности применения температурных контроллеров с ПИД-регулированием

Широкий модельный ряд с различными рабочими характеристики позволяет практически неограниченно применять контроллеры температуры с ПИД-регулятором в промышленности. Устройства могут интегрироваться в автоматические системы управления, в том числе совместно с ПЛК и ПК.

Термоконтроллеры применяются для управления различными технологическими процессами, связанными с температурной обработкой в энергетике, металлургии, химической промышленности, пищевом производстве и многих других.

Возможность подключения различных термодатчиков позволяет контролировать как высокотемпературные процессы, так и отрицательные значения температур, что позволяет применять термоконтроллеры с ПИД-регулятором не только при производстве, но и для контроля перевозки и хранения продуктов и материалов, а также для контроля микроклимата зданий и помещений.

Термоконтроллеры с ПИД-регулятором: решаемые задачи

Температурные контроллеры с возможностью ПИД-регулирования могут решать несколько задач одновременно:

  • обеспечение обратной связи в системах контроля температуры,
  • индикация текущего уровня контролируемых параметров,
  • регулирование и поддержание температуры и других физических величин в автоматических системах,
  • одновременное управление нагреванием и охлаждением,
  • модульное исполнение для сбора информации от нескольких датчиков температуры и управления несколькими устройствами.

В отдельных моделях могут быть реализованы дополнительные возможности применения для расширения функционала.

Преимущества применения температурных контроллеров с ПИД-регулятором

Пропорционально-интегрально-дифференцирующее регулирование, используемое термоконтроллерами, позволяет более точно управлять уровнем температуры и задавать необходимое значение уставки. Различные варианты исполнения ПИД-регуляторов температуры могут иметь дополнительные преимущества:

  • большой выбор подключаемых датчиков температуры,
  • низкая погрешность работы,
  • наличие индикатора для отображения результатов измерения, значения уставки и рабочих состояний,
  • удобное программное обеспечение для настройки и управления,
  • несколько режимов регулирования, включая возможность автоматического управления работой,
  • различные управляющие выходы,
  • возможность монтажа в шкаф управления и на DIN-рейку и многие другие.

Возможные недостатки работы температурного контроллера с ПИД-регулятором

При использовании пропорционального режима работы ПИД-регулятора термоконтроллера необходимо учитывать появление статистической ошибки, что влияет на стабилизацию значения температуры. Влияние статистической ошибки на работу снижается при использовании других режимов ПИД-регулирования.

Ограничением в использовании отдельных моделей контроллеров температуры с ПИД-регулированием может стать несовместимость с отдельными видами термодатчиков и отсутствие необходимых выходов для подключения оборудования. Это необходимо учитывать при подборе конкретной модели контроллера для работы в конкретных условиях.

Принцип работы термоконтроллеров с ПИД-регулятором

Температурный контроллер с ПИД-регулятором формирует сигнал обратной связи для исполнительного оборудования на основе информации, поступающей от подключенного датчика температуры. Сигнал управления складывается из трех величин: пропорциональной, интегрирующей и дифференцирующей, рассчитываемых на основании входного сигнала.

  1. Пропорциональная величина показывает отклонение текущей величины контролируемой температуры от заданного значения уставки. Чем больше отклонение, тем больше выходной сигнал.
  2. Интегральная величина определяет интеграл изменения отклонения значений по времени.
  3. Дифференцирующая величина показывает скорость изменения отклонения.

Работа ПИД-регулятора в зависимости от термоконтроллера может происходить в разных режимах:

  • ПИД-регулирование, при котором управляющий сигнал складывается из суммы всех трех величин,
  • ПИ-регулирование – сумма пропорциональной и интегрирующей величин,
  • ПД-регулирование – сумма пропорциональной и дифференцирующей величин,
  • П-регулирование, при котором для формирования выходного сигнала рассчитывается только пропорциональная величина.

Регулирование может осуществляться в ручном или автоматическом режимах, а также по заданной программе, если это предусмотрено контроллером.

В качестве исполнительного оборудования используются нагреватель и охладитель, либо устройства для подачи горячего теплоносителя или хладоагента. Многоканальные термконтроллеры могут осуществлять одновременное управление нагревательными и охлаждающими процессами по двум и более выходным каналам управления.

Особенности П, ПИ и ПИД регулирования

Особенности П, ПИ и ПИД регулирования

П регулирование. Выходная мощность прямопропорциональна ошибке регулирования. Чем больше коэффициент пропорциональности, тем меньше выходная мощность при одной и той же ошибке регулирования.

Пропорциональное регулирование можно рекомендовать для малоинерционных систем с большим коэффициентом передачи. Для настройки пропорционального регулятора следует сначала установить коэффициент пропорциональности максимальным, при этом выходная мощность регулятора уменьшится до нуля.

После стабилизации измеренного значения, следует установить заданное значение и постепенно уменьшать коэффициент пропорциональности, при этом ошибка регулирования будет уменьшаться.

Когда в системе возникнут периодические колебания, коэффициент пропорциональности следует увеличить так, чтобы ошибка регулирования была минимальной, а периодические колебания максимально уменьшились.  

ПИ регулирование. Выходная мощность равна сумме пропорциона- льной и интегральной составляющих. Чем больше коэффициент пропор- циональности, тем меньше выходная мощность при одной и той же ошибке регулирования, чем больше постоянная времени интегрирования, тем медленее накапливается интегральная составляющая.

ПИ регулирование обеспечивает нулевую ошибку регулирования и нечувствительно к помехам измерительного канала. Недостатком ПИ регулирования является медленная реакция на возмущающие воздействия. Для настройки ПИ регулятора следует сначала установить постоянную времени интегрирования равный нулю, а коэффициент пропорциональности — максимальным.

Затем как при настройке пропорционального регулятора, уменьшением коэффициента пропорциональности нужно добиться появления в системе незатухающих колебаний.

Близкое к оптимальному значение коэффициента пропорциональности будет в два раза больше того, при котором возникли колебания, а близкое к оптимальному значение постоянной времени интегрирования — на 20% меньше периода колебаний.

ПИД регулирование. Выходная мощность равна сумме трех состав- ляющих: пропорциональной, интегральной и дифференциальной.

Чем больше коэффициент пропорциональности, тем меньше выходная мощность при одной и той же ошибке регулирования, чем больше постоянная времени интегрирования, тем медленее накапливается интегральная составляющая, чем больше постоянная времени дифференцирования, тем сильнее реакция системы на возмущающее воздействие. ПИД-регулятор применяется в инерционных системах с относительно малым уровнем помех измерительного канала. Достоинством ПИД регулятора является быстрый выход на режим, точное удержание заданной температуры и быстрая реакция на возмущающие воздействия. Ручная настройка ПИД является крайне сложной, поэтому рекомендуется использовать функцию автонастройки.

 

Автонастройка ПИД регулирования в приборах ЧАО “ТЭРА”:

Главное, что определяет качество ПИД регулятора — это его способность точно и быстро выходить на заданную температуру, для чего у всех современных ПИД регуляторов обязательно присутствует функция автонастройки.

Стандартных алгоритмов автонастройки ПИД не существуют, на практике каждый производитель применяет свой собственный алгоритм.

Поэтому, пользователь, приобретая один и тот же товар под названием “ПИД регулятор” у разных производителей, на своем объекте может получить совсем разные результаты их применения. Основными достоинствами алгоритма автонастройки в ПИД регуляторах ЧАО “ТЭРА” являются:

  • автонастройка и выход на регулирование без перерегулирования (у стандартных ПИД регуляторов перерегулирование может достигать 50-70% от заданной температуры, что на некоторых объектах регулирования технологически нежелательно или вообще запрещено)
  • продолжительность автонастройки в среднем в 2 раза короче, чем у других производителей (крайне важная характеристика для объектов регулирования с часто изменяемыми свойствами, особенно для инерционных объектов)

Автонастройку можно производить при любом стабильном состоянии объекта регулирования. Кроме того, чем больше разность между начальной и заданной температурой, тем точнее определяются коэффициенты ПИД регулятора. Все коэффициенты ПИД хранятся в энергонезависимой памяти прибора.

Автонастройку необходимо повторить, если:

  • изменилась мощность исполнительного устройства
  • изменились физические свойства объекта регулирования (масса, емкость, теплообмен и т.п.)
  • объект регулирования заменен другим неидентичным
  • при значительном изменении заданной температуры

ПИД-регуляторы температуры

ПИД-регулятор и термоконтроллеры


Термоконтроллеры с ПИД регулированием — приборы, позволяющие с высокой точностью регулировать температуру в автоматических системах управления промышленными процессами. Благодаря пропорционально — интегрально-дифференциальному (ПИД) закону регулирования, который лежит в основе логического «мышления» данных приборов, в камере печи удается достигнуть высокой точности реализации заданных температурных программ — погрешность отклонения измеряемой от заданной температуры при использовании этих приборов не превышает 2°С.

Мы оборудуем силовые блоки наших печей ПИД — регуляторами двух марок : Термодат и Термолюкс. Ниже представлены характеристики обоих приборов

Термодат

Термодат-16Е6 — одноканальный программный ПИД-регулятор температуры и электронный самописец с графическим 3,5 — дюймовым дисплеем. Прибор имеет универсальный вход, предназначенный для подключения термопар или термосопротивлений а также датчиков с токовым выходом. Разрешение 1°С или 0,1°С задается пользователем. Может управлять как нагревателем, так и охладителем. Интуитивно понятное управление обеспечивается 4 кнопками внизу экрана.

К основным достоинствам данного прибора следует отнести:

  • наличие большого экрана;
  • наглядное представление информации и техпроцессе;
  • наличие встроенной памяти для архивации данных о техпроцессах;
  • многоканальность – возможность управления несколькими независимыми зонами печи   используя один прибор.

Характеристики:

  • ПИД-регулятор
  • Электронный самописец
  • Графический дисплей
  • Регулирование по программе
  • ПИД-закон регулирования, автоматическая настройка коэффициентов
  • Универсальный вход
  • Логический (дискретный) вход
  • Выходы: релейный, симисторный, транзисторный, аналоговый
  • Интерфейс для связи с компьютером RS485
  • Аварийная сигнализация
  • Прочный металлический корпус, размер 1/4 DIN (96х96х82мм)

Термолюкс

Основные достоинства контроллера Термолюкс определяются тем, что данный контроллер был разработан как специализированный прибор именно для управления печами сопротивления. Прибор предназначен для работы с любыми типами нагревателей:
  • со статической зависимостью сопротивления от температуры (проволочные и карбид-кремниевые нагреватели): Термолюкс — 011
  • c убывающей зависимостью сопротивления от температуры (хромит-лантановые нагреватели): Термолюкс — 011
  • возрастающей зависимостью сопротивления от температуры (дисилицид молибдена, молибден, вольфрам) : Термолюкс — 021

Термолюкс выпускается в двух модификациях (011 и 021). Модификация 011 предназначена для печей с нагревателями со статической или убывающей зависимостью сопротивления от температуры. Модификация 021 позволяет построить систему управления нагревом печей с нагревателями, имеющими возрастающий характер зависимости сопротивления от температуры (дисилицид-молибденовые нагреватели, молибден, вольфрам), то есть имеющих очень низкое сопротивление при комнатных температурах. Такие нагреватели при низких температурах потребляют очень большой ток, существенно превышающий критическое значение, что ведет к моментальному выходу их из строя. В общем случае ток ограничивают установкой в блок управления печью дополнительных мощных дорогостоящих устройств ограничения тока. В этом нет необходимости при использовании контроллера Термолюкс-021, так как он может регулировать подачу тока самостоятельно.

Дополнительно ко всем функциям контроллера Термолюкс-011 в контроллере Термолюкс-021 реализована возможность постоянного измерения тока, подаваемого в нагрузку (организована обратная связь по току). Это позволяет программно ограничить максимальный ток, идущий через нагреватели. Контроллер “учитывает” данное ограничение при подаче мощности на нагреватели и не позволяет току превышать заданное оператором  значение, тем самым обеспечивая функционирование нагревателей в безопасном режиме. Зачастую прибор Термолюкс-021 позволяет отказаться от использования трансформаторов с переключаемыми вручную обмотками, а иногда и вовсе отказаться от использования трансформаторов, что приводит к существенному снижению стоимости оборудования.

Во всех приборах реализован фазо-импульсный метод управления мощностью (ФИМ), который  позволяет добиться плавной подачи мощности, исключая резкие скачки температуры на самом нагревателе, а также  позволяет более точно регулировать температуру. Прибор Термолюкс подает мощность на нагреватель 100 раз в секунду, благодаря чему  нагреватель разогревается плавно и не успевает остыть до включения очередной подачи тока. При этом нагреватели не испытывают дополнительных напряжений и работают в очень мягком режиме, что способствует увеличению срока их службы примерно на 30%. Практически все остальные программируемые контролеры работают методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ), при котором мощность подается по схеме «полностью открыть/полностью закрыть»; при этом на нагреватель поступает сразу 100% мощности. При таком режиме работы нагреватели испытывают редкие мощные удары, соответственно срок службы нагревателя сокращается. На картинках внизу вы можете увидеть графики изменения напряжения по времени, изменения температуры по времени на нагревательных элементах при широтно-импульсной модуляции и фазо-импульсной модуляции.

Управление контроллера реализуется без каких либо дополнительных устройств типа блоков ФИМ, ФИУ, БУС, БУТ – он сразу передает сигнал на исполнительный элемент (тиристор, семистор, оптотиристор, оптосемистор) вне зависимости от типа нагрузки (одно- или трехфазной), схемы соединения нагрузки (“звезда” или “треугольник”). Выбор типа нагрузки производится  оператором программно с экрана контроллера, без каких-либо физических действий и без установки дополнительных устройств.

Приборы имеют выход по шине RS-232 для подключения приборов к компьютеру, что позволяет получить на дисплее график процесса нагрева и остывания в реальном времени. Также Термолюкс позволяет осуществлять управление процессом термообработки через ПК, сохранять данные как в табличном, так и в графическом виде (пример на картинке ниже). Табличные данные при этом могут быть переведены в  формат  EXCEL с возможностью последующего редактирования.

 

Все приборы имеют возможность задания оператором 16 различных программ нагрева-выдержки-остывания печи, каждая из которых состоит из 10 произвольных точек в координатах время-температура. Прибор имеет адаптивный алгоритм управления — он сам в автоматическом режиме постоянно исследует систему «печь+загрузка» и определяет необходимые коэффициенты системы без участия оператора. Благодаря наличию адаптивного алгоритма, прибор можно без перенастройки использовать на любых печах.

Ключевые характеристики всех приборов Термолюкс (011 и 021):

  • дискретность задания температуры 1°С, времени – 1 минута
  • возможность задания неограниченного времени поддержания конечной температуры
  • разрешающая способность измерения температуры 0,1 °С
  • контроль обрыва термопары
  • наличие режима ручного управления мощностью и возможность ограничения выходной мощности
  • возможность ограничения максимальной температуры объекта
  • возможность работы с пирометрами и любыми термопарами, в том числе ВР ИР во всем диапазоне рабочих температур термопары. Возможен переход от одного типа термопары к другому с экрана прибора
  • расположение датчика термокомпенсации на колодке термопарного шнура прибора позволяет уйти от необходимости использования термокомпенсационных проводов
  • возможность записи циклограмм, задания программы и изменения параметров с ПК



Работа, типы, преимущества и применение

Как следует из названия, эта статья даст точное представление о структуре и работе ПИД-регулятора. Однако, вдаваясь в подробности, давайте познакомимся с ПИД-контроллерами. ПИД-регуляторы находят широкое применение в управлении промышленными процессами. Приблизительно 95% операций с обратной связью в секторе промышленной автоматизации используют ПИД-регуляторы. PID расшифровывается как Proportional-Integral-Derivative.Эти три контроллера объединены таким образом, что выдают управляющий сигнал. В качестве контроллера с обратной связью он выдает управляющий сигнал на требуемом уровне. До изобретения микропроцессоров ПИД-регулирование осуществлялось аналоговыми электронными компонентами. Но сегодня все ПИД-регуляторы обрабатываются микропроцессорами. Программируемые логические контроллеры также имеют встроенные инструкции ПИД-регулятора. Благодаря гибкости и надежности ПИД-регуляторов они традиционно используются в приложениях управления технологическими процессами.


Что такое ПИД-регулятор?

Термин ПИД означает пропорциональную интегральную производную, и это один из видов устройств, используемых для управления различными переменными процесса, такими как давление, расход, температура и скорость в промышленных приложениях. В этом контроллере устройство обратной связи контура управления используется для регулирования всех переменных процесса.

Этот тип управления используется для управления системой в направлении целевого местоположения, в противном случае ровного. Он почти везде используется для контроля температуры и используется в научных процессах, автоматизации и множестве химических веществ.В этом контроллере обратная связь с обратной связью используется для поддержания реального результата метода, например, близкого к цели, в противном случае выход в фиксированной точке, если это возможно. В этой статье обсуждаются конструкции ПИД-регуляторов с используемыми в них режимами управления, такими как P, I и D.

История

История ПИД-регулятора такова. В 1911 году Элмер Сперри разработал первый ПИД-регулятор. После этого TIC (Taylor Instrumental Company) в 1933 году внедрила прежний пневматический контроллер с полностью настраиваемым.Через несколько лет инженеры по системам управления устранили ошибку установившегося режима, которая обнаруживается в пропорциональных контроллерах, путем перенастройки конца на какое-то ложное значение, пока ошибка не стала равной нулю.

Эта перенастройка включала ошибку, известную как пропорционально-интегральный регулятор. После этого, в 1940 году, был разработан первый пневматический ПИД-регулятор с производным действием для уменьшения проблем с перерегулированием.

В 1942 году Ziegler & Nichols ввели правила настройки, позволяющие инженерам находить и устанавливать подходящие параметры ПИД-регуляторов.Наконец, в середине 1950-х годов автоматические ПИД-регуляторы получили широкое распространение в промышленности.

Блок-схема ПИД-регулятора

Система с обратной связью, такая как ПИД-регулятор, включает в себя систему управления с обратной связью. Эта система оценивает переменную обратной связи, используя фиксированную точку для генерации сигнала ошибки. Исходя из этого, он изменяет вывод системы. Эта процедура будет продолжаться до тех пор, пока ошибка не достигнет нуля, в противном случае значение переменной обратной связи станет эквивалентным фиксированной точке.

Этот контроллер обеспечивает хорошие результаты по сравнению с контроллером типа ON/OFF. В контроллере типа ВКЛ/ВЫКЛ возможны только два условия для управления системой. Как только значение процесса ниже фиксированной точки, он включится. Точно так же он выключится, как только значение превысит фиксированное значение. Выходной сигнал в этом типе контроллера нестабилен, и он будет часто колебаться в области фиксированной точки. Однако этот контроллер является более стабильным и точным по сравнению с контроллером типа ВКЛ/ВЫКЛ.

Работа ПИД-регулятора

Работа ПИД-регулятора

При использовании недорогого простого контроллера ВКЛ-ВЫКЛ возможны только два состояния управления, например, полностью ВКЛ или полностью ВЫКЛ. Он используется для приложения с ограниченным управлением, где этих двух состояний управления достаточно для цели управления. Однако колебательный характер этого управления ограничивает его использование, и поэтому его заменяют ПИД-регуляторы.

ПИД-регулятор поддерживает выходной сигнал таким образом, чтобы между переменной процесса и заданным значением/требуемым выходным сигналом была нулевая ошибка при операциях с обратной связью.PID использует три основных режима управления, которые поясняются ниже.

P-Контроллер

Пропорциональный или П-регулятор дает выходной сигнал, пропорциональный текущей ошибке e (t). Он сравнивает желаемое или заданное значение с фактическим значением или значением процесса обратной связи. Полученная ошибка умножается на пропорциональную константу, чтобы получить результат. Если значение ошибки равно нулю, то этот выход контроллера равен нулю.

П-контроллер

Этот контроллер требует смещения или ручного сброса при использовании отдельно.Это потому, что он никогда не достигает стационарного состояния. Он обеспечивает стабильную работу, но всегда поддерживает установившуюся ошибку. Скорость отклика увеличивается, когда увеличивается пропорциональная константа Kc.

Ответ P-контроллера

I-контроллер

Из-за ограничения p-регулятора, когда всегда существует смещение между переменной процесса и заданным значением, необходим I-регулятор, который обеспечивает необходимые действия для устранения установившейся ошибки.Он интегрирует ошибку за период времени, пока значение ошибки не достигнет нуля. Он хранит значение конечного устройства управления, при котором ошибка становится равной нулю.

ПИ-регулятор

Интегральное управление уменьшает свой выход, когда имеет место отрицательная ошибка. Это ограничивает скорость отклика и влияет на стабильность системы. Скорость отклика увеличивается за счет уменьшения интегрального усиления Ki.

Ответ ПИ-регулятора

На приведенном выше рисунке по мере того, как коэффициент усиления И-регулятора уменьшается, установившаяся ошибка также продолжает уменьшаться.В большинстве случаев ПИ-регулятор используется, особенно там, где не требуется высокая скорость отклика.

При использовании ПИ-регулятора выходной сигнал И-регулятора ограничен определенным диапазоном для преодоления условий завершения интегральной функции, когда интегральный выходной сигнал продолжает увеличиваться даже в состоянии нулевой ошибки из-за нелинейности в объекте.

D-контроллер

I-контроллер не имеет возможности предсказать будущее поведение ошибки. Таким образом, он нормально реагирует на изменение уставки.D-контроллер преодолевает эту проблему, предвидя будущее поведение ошибки. Его выход зависит от скорости изменения ошибки по времени, умноженной на постоянную производную. Это дает толчок для выхода, тем самым увеличивая реакцию системы.

ПИД-регулятор

На приведенном выше рисунке реакция D регулятора больше по сравнению с ПИ-регулятором, а также уменьшено время установления выходного сигнала. Это улучшает стабильность системы, компенсируя отставание по фазе, вызванное И-контроллером.Увеличение коэффициента усиления производной увеличивает скорость отклика.

Ответ ПИД-регулятора

Итак, наконец, мы заметили, что, объединив эти три контроллера, мы можем получить желаемый отклик системы. Разные производители разрабатывают разные алгоритмы PID.

Типы ПИД-регуляторов

ПИД-регуляторы

подразделяются на три типа, такие как двухпозиционные, пропорциональные и стандартные регуляторы. Эти контроллеры используются на основе системы управления, пользователь может использовать контроллер для регулирования метода.

Управление ВКЛ/ВЫКЛ

Двухпозиционный метод управления является простейшим типом устройства, используемого для контроля температуры. Выход устройства может быть включен/выключен без центрального состояния. Этот контроллер включит выход, как только температура пересечет фиксированную точку. Контроллер ограничения — это особый тип контроллера ВКЛ/ВЫКЛ, в котором используется реле с фиксацией. Это реле сбрасывается вручную и используется для отключения метода при достижении определенной температуры.

Пропорциональное управление

Этот тип контроллера предназначен для устранения цикличности, связанной с управлением ВКЛ/ВЫКЛ.Этот ПИД-регулятор уменьшит нормальную мощность, подаваемую на нагреватель, как только температура достигнет фиксированной точки.

Этот контроллер имеет одну функцию для управления нагревателем таким образом, чтобы он не превышал фиксированную точку, однако достигал фиксированной точки для поддержания постоянной температуры.
Это пропорциональное действие может быть достигнуто путем включения и выключения выхода на короткие промежутки времени. Это пропорциональное распределение времени изменит соотношение между временем включения и временем выключения для управления температурой.

ПИД-регулятор стандартного типа

Этот тип ПИД-регулятора объединяет пропорциональное управление с интегральным и производным управлением, чтобы автоматически помогать устройству компенсировать изменения в системе. Эти модификации, интегральные и производные, выражаются в единицах времени.

Эти контроллеры также упоминаются через их обратные значения, RATE и RESET соответственно. Условия PID необходимо настраивать отдельно, иначе настраиваться на конкретную систему методом проб и ошибок.Эти контроллеры обеспечат наиболее точное и стабильное управление из трех типов контроллеров.

ПИД-регуляторы реального времени

В настоящее время на рынке доступны различные типы ПИД-регуляторов. Эти контроллеры используются для требований промышленного контроля, таких как давление, температура, уровень и расход. Когда эти параметры контролируются с помощью ПИД-регулятора, выбор включает использование отдельного ПИД-регулятора или ПЛК.
Эти отдельные контроллеры используются везде, где требуется проверка одного или двух контуров, а также управление другими способами в условиях, когда это сложно справа от входа через более крупные системы.

Эти устройства управления обеспечивают различные варианты управления одиночной и двойной петлей. ПИД-регуляторы автономного типа обеспечивают несколько конфигураций с фиксированной точкой для создания нескольких автономных аварийных сигналов.
Эти автономные контроллеры в основном состоят из ПИД-регуляторов от Honeywell, контроллеров температуры от Yokogawa, контроллеров с автонастройкой от OMEGA, Siemens и контроллеров ABB.

ПЛК

используются как ПИД-регуляторы в большинстве приложений промышленного управления. Расположение блоков ПИД может быть выполнено в PAC или ПЛК, чтобы обеспечить лучший выбор для точного управления ПЛК.Эти контроллеры умнее и мощнее по сравнению с отдельными контроллерами. Каждый ПЛК включает в себя блок PID в программном обеспечении.

Методы настройки

Перед началом работы ПИД-регулятора его необходимо настроить в соответствии с динамикой управляемого процесса. Дизайнеры дают значения по умолчанию для p, i и d, и эти значения не могут дать желаемую производительность, а иногда приводит к нестабильности и медленному контролю.Для настройки ПИД-регуляторов разработаны различные типы методов настройки, которые требуют от оператора большого внимания для выбора наилучших значений пропорционального, интегрального и дифференциального усиления. Некоторые из них приведены ниже.

ПИД-регуляторы

используются в большинстве промышленных приложений, но необходимо знать настройки этого контроллера, чтобы правильно настроить его для получения предпочтительного выходного сигнала. Здесь настройка — это не что иное, как процедура получения идеального ответа от контроллера путем установки наилучших пропорциональных коэффициентов усиления, интегральных и производных коэффициентов.

Требуемый выходной сигнал ПИД-регулятора можно получить путем настройки контроллера. Существуют различные методы получения требуемого результата от контроллера, такие как метод проб и ошибок, Зейглер-Николс и кривая реакции процесса. Наиболее часто используются методы проб и ошибок, Цейглера-Николса и др.

Метод проб и ошибок: Это простой метод настройки ПИД-регулятора. Пока система или контроллер работает, мы можем настроить контроллер.В этом методе сначала мы должны установить значения Ki и Kd равными нулю и увеличивать пропорциональный член (Kp), пока система не достигнет колебательного поведения. Как только он начнет колебаться, отрегулируйте Ki (интегральный член) так, чтобы колебания прекратились, и, наконец, отрегулируйте D, чтобы получить быстрый отклик.

Техника кривой реакции процесса: Это метод настройки без обратной связи. Он выдает ответ, когда к системе применяется пошаговый ввод. Первоначально мы должны применить некоторые управляющие выходные данные к системе вручную и должны записать кривую отклика.

После этого нам нужно рассчитать наклон, мертвое время, время нарастания кривой и, наконец, подставить эти значения в уравнения P, I и D, чтобы получить значения усиления членов PID.

Кривая реакции процесса

Метод Зейглера-Николса: Зейглер-Николс предложил методы с обратной связью для настройки ПИД-регулятора. Это метод непрерывного циклирования и метод затухающих колебаний. Процедуры для обоих методов одинаковы, но поведение колебаний отличается. При этом, во-первых, мы должны установить константу p-регулятора Kp на определенное значение, в то время как значения Ki и Kd равны нулю.Пропорциональное усиление увеличивается до тех пор, пока система не будет колебаться с постоянной амплитудой.

Коэффициент усиления, при котором система производит постоянные колебания, называется предельным усилением (Ku), а период колебаний называется предельным периодом (Pc). Как только это будет достигнуто, мы можем ввести значения P, I и D в ПИД-регулятор с помощью таблицы Зейглера-Николса в зависимости от используемого контроллера, такого как P, PI или PID, как показано ниже.

Таблица Цейглера-Николса

Структура ПИД-регулятора

ПИД-регулятор состоит из трех составляющих: пропорционального, интегрального и дифференциального управления.Совместная работа этих трех контроллеров дает стратегию управления технологическим процессом. ПИД-регулятор манипулирует переменными процесса, такими как давление, скорость, температура, расход и т. д. В некоторых приложениях используются ПИД-регуляторы в каскадных сетях, где для управления используются два или более ПИД-регулятора.

Структура ПИД-регулятора

На приведенном выше рисунке показана структура ПИД-регулятора. Он состоит из блока PID, который передает свой вывод в блок процесса. Процесс/завод состоит из конечных устройств управления, таких как приводы, регулирующие клапаны и другие устройства управления для управления различными процессами промышленности/завода.

Сигнал обратной связи от технологической установки сравнивается с заданным значением или эталонным сигналом u(t), и соответствующий сигнал ошибки e(t) подается на алгоритм ПИД. В соответствии с расчетами пропорционального, интегрального и производного управления в алгоритме контроллер выдает комбинированный отклик или управляемый выходной сигнал, который применяется к устройствам управления предприятием.

Все приложения управления не нуждаются во всех трех элементах управления. Такие комбинации, как PI и PD, очень часто используются в практических приложениях.

Приложения

Приложения ПИД-регулятора включают следующее.

Лучшее применение ПИД-регулятора — управление температурой, когда контроллер использует вход датчика температуры, а его выход может быть связан с элементом управления, таким как вентилятор или нагреватель. Как правило, этот контроллер является просто одним элементом в системе контроля температуры. Вся система должна быть проверена, а также учтена при выборе правильного контроллера.

Контроль температуры печи

Как правило, печи используются для включения обогрева, а также для хранения огромного количества сырья при огромных температурах.Обычно занимаемый материал включает в себя огромную массу. Следовательно, требуется большое количество инерции, а температура материала не меняется быстро, даже когда применяется огромное количество тепла. Эта функция приводит к умеренно стабильному сигналу PV и позволяет производному периоду эффективно корректировать неисправность без резких изменений FCE или CO.

Контроллер заряда MPPT

ВАХ фотогальванического элемента в основном зависит от диапазона температур, а также от освещенности.В зависимости от погодных условий ток и рабочее напряжение будут постоянно меняться. Таким образом, очень важно отслеживать максимальную производительность эффективной фотоэлектрической системы. ПИД-регулятор используется для нахождения MPPT путем предоставления фиксированных точек напряжения и тока на ПИД-регулятор. Как только погодные условия изменились, трекер поддерживает стабильный ток и напряжение.

Преобразователь силовой электроники

Мы знаем, что преобразователь является приложением силовой электроники, поэтому ПИД-регулятор в основном используется в преобразователях.Всякий раз, когда преобразователь подключается через систему на основе изменения нагрузки, выход преобразователя будет изменен. Например, инвертор связан с нагрузкой; огромный ток подается при увеличении нагрузки. Таким образом, параметр напряжения, а также ток не являются стабильными, но они будут изменяться в зависимости от требований.

В этом состоянии этот контроллер будет генерировать сигналы ШИМ для активации IGBT инвертора. В зависимости от изменения нагрузки на ПИД-регулятор подается ответный сигнал, который выдает ошибку n.Эти сигналы генерируются на основе сигнала неисправности. В этом состоянии мы можем получить изменяемый ввод и вывод через аналогичный инвертор.

Применение ПИД-регулятора: управление с обратной связью для бесщеточного двигателя постоянного тока

Интерфейс ПИД-регулятора

Проектирование и взаимодействие ПИД-регулятора можно выполнить с помощью микроконтроллера Arduino. В лаборатории ПИД-регулятор на основе Arduino разработан с использованием платы Arduino UNO, электронных компонентов, термоэлектрического охладителя, тогда как языки программирования, используемые в этой системе, — C или C++.Эта система используется для контроля температуры в лаборатории.

Физически найдены параметры ПИД для конкретного регулятора. Функции различных ПИД-параметров могут быть реализованы посредством последующего сопоставления различных форм регуляторов.
Эта интерфейсная система может эффективно рассчитывать температуру с погрешностью ± 0,6 ℃, в то время как постоянная температура регулируется за счет небольшого отклонения от предпочтительного значения. Концепции, используемые в этой системе, обеспечат недорогие, а также точные методы управления физическими параметрами в предпочтительном диапазоне в лаборатории.

Таким образом, в этой статье обсуждается обзор ПИД-регулятора, который включает историю, блок-схему, структуру, типы, работу, методы настройки, взаимодействие, преимущества и области применения. Мы надеемся, что смогли предоставить базовые, но точные знания о ПИД-регуляторах. Вот простой вопрос ко всем вам. Какой из различных методов настройки предпочтительнее использовать для достижения оптимальной работы ПИД-регулятора и почему?

Пожалуйста, дайте свои ответы в разделе комментариев ниже.

Фотокредиты

Блок-схема ПИД-регулятора с сайта wikimedia
Структура ПИД-регулятора, P-регулятор, P – ответ контроллера и ПИД-регулятор с сайта blog.opticontrols
P – ответ контроллера с сайтаcontrols.engin.umich control.engin

Работа

и его приложения — StudiousGuy

PID, этот термин означает пропорциональную интегральную производную.ПИД-регулятор обычно использует устройство управления с обратной связью с обратной связью, которое помогает контролировать и регулировать различные параметры процесса, включая давление, температуру, скорость, расход и т. д. ПИД-регулятор используется на фабриках и в промышленности в относительно больших масштабах. контролировать различные виды деятельности. Первый ПИД-регулятор был изобретен американским изобретателем и предпринимателем Элмером Амброузом Сперри-старшим в 1911 году. Автоматические ПИД-регуляторы были представлены для промышленного и коммерческого использования в середине 1950-х годов.

Указатель статей (щелкните, чтобы перейти)

Структура и блок-схема ПИД-регулятора

Структура ПИД-регулятора обычно включает три элемента управления, а именно пропорциональное, интегральное и дифференциальное управление. Эти три контроллера ПИД-регулятора используются для создания комбинированного выходного сигнала, который используется для формирования стратегии управления, которая дополнительно управляет работой устройства и манипулирует физическими параметрами, такими как температура, давление и т. д.Блок PID контроллера передает выход в блок процесса. Блок процесса или установки содержит основные устройства управления, такие как исполнительные механизмы, регулирующие клапаны и т. д. Блок обратной связи принимает текущий входной сигнал и сравнивает его с эталонным сигналом или заданным значением для получения сигнала ошибки. Затем этот сигнал ошибки подается на алгоритм PID. Комбинированный ответ или управляемый сигнал затем подается на устройства управления, установленные на установке. ПИД-регулятор не обязательно состоит из обеих трех переменных управления.Комбинация ПИ- и ПД-регуляторов довольно часто используется для управления различными процессами в промышленности или на предприятии.

Работа ПИД-регулятора

ПИД-регулятор обычно работает по принципу регулирования или настройки пропорциональных, интегральных или производных составляющих. Разница между этими переменными оценивается, и часть входного сигнала возвращается на устройство в качестве управляющего сигнала обратной связи. Это значение обычно называют поправочным коэффициентом.Например, если кондиционер не вырабатывает достаточно холодного воздуха, то контроллер оценивает поправочный коэффициент, т. е. разницу между температурой в помещении и желаемой температурой, и возвращает ее на устройство. Затем внутренний механизм устройства снижает температуру до тех пор, пока не будет достигнута минимальная разница между желаемым и результирующим значением. Точно так же в случае печи, если не вырабатывается достаточное количество тепла, температура регулируется, а тепло увеличивается.Обычно существует три шага для настройки физических параметров, таких как температура, расход и давление, в соответствии с требованиями. К ним относятся пропорциональная настройка, интегральная настройка и настройка по производной.

Пропорциональная настройка

Этот тип настройки включает настройку или коррекцию полезного сигнала, пропорционального текущему сигналу ошибки e(t). Сигнал ошибки представляет собой разницу между заданным или заданным значением и фактическим значением. Текущий сигнал ошибки дополнительно умножается на предварительно вычисленную пропорциональную константу для получения выходного сигнала.Если значение ошибки равно нулю, выходное значение контроллера также равно нулю. Здесь желаемое значение редко достигается, поскольку оно никогда не достигает стационарного состояния. Устройства управления, которые используют пропорциональную настройку или p-регуляторы, обеспечивают стабильную работу, но имеют тенденцию поддерживать установившуюся ошибку. Константа пропорциональности напрямую сравнима со скоростью отклика устройства. Это означает, что при увеличении пропорциональной константы Kc соответственно увеличивается скорость отклика.Если этот тип контроллера не используется в сочетании с другим типом контроллера, требуется ручной сброс и правильное смещение.

Интегральная настройка

Контроллеры «P» или контроллеры, которые используют пропорциональную настройку, подвержены ограничению, заключающемуся в том, что всегда существует установившаяся ошибка, которая представляет собой смещение между уставкой и переменной процесса обратной связи. Этот тип ограничения может быть устранен путем использования I-контроллеров.I-контроллеры используют интегральную настройку для генерации выходного сигнала для управления различными физическими параметрами. Этот тип настройки имеет тенденцию интегрировать сигнал ошибки по времени до тех пор, пока не будет достигнуто минимальное или нулевое значение ошибки. В случае отрицательного значения ошибки интегральное управление стремится уменьшить выход. Скорость отклика и стабильность системы; тем не менее, получить воздействие во время процесса. ПИ-регулятор восприимчив к интегральным условиям насыщения из-за нелинейностей, присутствующих в объекте.При этом условии интегральный выход продолжает увеличиваться даже при нулевом состоянии ошибки. Чтобы преодолеть этот недостаток, выход I-регулятора ограничен определенным диапазоном. Интегральное усиление регуляторов «I», обычно обозначаемое Ki, косвенно пропорционально скорости отклика системы. Это означает, что при увеличении интегрального усиления быстродействие системы снижается на сопоставимую величину. Точно так же интегральное усиление прямо пропорционально установившейся ошибке.Это означает, что установившаяся ошибка уменьшается за счет уменьшения интегрального коэффициента усиления контроллера и наоборот. ПИ-контроллеры обычно используются в приложениях, где большое время отклика системы не имеет первостепенного значения.

Производная настройка

Контроллеры «D» или производная настройка обычно используются для преодоления определенных ограничений настройки «I». Например, «I»-контроллер не может предсказать будущее поведение значения ошибки.Такие устройства, как правило, работают нормально даже при изменении заданной фиксированной точки или требуемого значения. Выходной сигнал регуляторов производной равен скорости изменения сигнала ошибки по времени, умноженной на постоянную производной. Настройка производной помогает улучшить реакцию системы и уменьшить время установления выходного сигнала. Коэффициент усиления производной Kd прямо пропорционален скорости отклика системы. Это означает, что увеличение коэффициента усиления по производной регулятора приводит к увеличению времени отклика системы.

Типы ПИД-регуляторов

В зависимости от типа используемой системы управления ПИД-регуляторы можно разделить на три категории, а именно двухпозиционные, пропорциональные и стандартные регуляторы.

Управление ВКЛ/ВЫКЛ

Регулятор включения/выключения является одним из простейших типов устройств, используемых для регулировки или настройки температуры в определенной области. Здесь контроллер стремится переключить устройство в состояние ВКЛ, как только выходной сигнал пересекает конкретную желаемую фиксированную точку.Одним из наиболее часто используемых устройств включения/выключения является ограничитель. Контроллер ограничения использует для своей работы реле с фиксацией. Реле должно управляться вручную. Температура или другой переменный параметр устанавливается на определенное значение. Устройство имеет тенденцию сохранять выключенное состояние, если выходной сигнал или результирующий сигнал отстает от целевого значения. Как только порог или заданное значение достигнуто, устройство включается.

ВКЛ ВЫКЛ Характеристики управления

Пропорциональное управление

Пропорциональное управление в основном предназначено для преодоления и устранения циклического ограничения управления включением/выключением.Этот тип контроля запрещает контроллеру превышать конкретное предварительно определенное пороговое значение. Устройство стремится достичь желаемой точки, чтобы поддерживать значение физического параметра на постоянном уровне; однако он не превышает фиксированную пороговую точку. Например, нагреватель с пропорциональным регулированием поддерживает температуру на постоянном уровне и предотвращает перегрев. Когда температура нагревателя пытается превысить пороговое значение, срабатывает контроллер.Подача отключается, и температура устройства снижается.

Характеристики пропорционального регулирования

ПИД-регулятор стандартного типа

ПИД-регуляторы стандартного типа используют комбинацию пропорционального управления с интегральным и дифференциальным управлением. Объединенный элемент управления помогает блоку обработки данных и помогает устройству автоматически производить манипуляции в системе и изменять переменные. Интегральные и производные модификации в этом случае выражаются в единицах времени.Эти контроллеры также упоминаются через их обратные значения, RATE и RESET, соответственно. Эти типы контроллеров обеспечивают более точное и стабильное управление по сравнению с другими контроллерами.

ПИД-регуляторы реального времени

ПИД-регуляторы реального времени чаще всего используются в коммерческих и практических приложениях. Устройства управления, которые используют ПИД-регуляторы в реальном времени, предоставляют различные варианты управления SOLO и двухконтурным управлением. Автономный тип ПИД-регуляторов имеет тенденцию обеспечивать различные конфигурации фиксированной точки для создания ряда автономных аварийных сигналов.Эти типы автономных контроллеров в основном включают ПИД-регуляторы, поставляемые Honeywell, контроллеры с автонастройкой от OMEGA, Siemens и ABB, контроллеры температуры от Yokogawa и различные другие. Расположение блоков PID обычно выполняется с помощью PLC или PAC. Здесь каждый PAC или PLC включает в себя блок PID в рамках алгоритма или программного обеспечения. Во многих промышленных приложениях ПЛК используются в качестве ПИД-регуляторов.

Применение ПИД-регулятора

ПИД-регулятор обычно используется в промышленности для управления или регулировки сложных физических параметров окружающей среды, таких как температура и давление.Его также можно использовать для поддержания этих параметров на постоянном уровне. Некоторые из наиболее распространенных применений ПИД-регулятора перечислены ниже:

1. ПИД-регулятор является неотъемлемой частью системы контроля температуры в промышленности. Обычно используется для контроля температуры в помещении. Здесь вход ПИД-регулятора поступает от датчика температуры, а выход подается на вентилятор или нагреватель. вентилятор или обогреватель; следовательно, действует как элемент управления. Скорость вентилятора или температура нагревателя регулируются в соответствии с сигналом обратной связи.

2. В большинстве производственных отраслей используются огромные печи для плавления и нагревания различных элементов. Температуру таких печей требуется периодически контролировать. Кроме того, необходимо иметь возможность контролировать и изменять температуру, чтобы поддерживать температуру печи на желаемом постоянном уровне. Обычно для этой цели используется ПИД-регулятор.

3. ПИД-регулятор в основном используется в качестве контроллера заряда с отслеживанием точки максимальной мощности или контроллера заряда MPPT.ВАХ фотогальванического элемента обычно зависят от двух параметров, а именно освещенности и диапазона температур. По этой причине часто требуется изменять значения тока и рабочего напряжения в зависимости от погодных условий. Отслеживание точки наибольшей мощности фотогальванического элемента является сложной задачей. ПИД-регулятор обычно используется для выполнения задачи поддержания стабильного значения тока и напряжения путем оценки MPPT и обеспечения постоянного значения тока и напряжения при каждом изменении погоды.

4. ПИД-регулятор чаще всего используется в силовых преобразователях.

5. Различные исследовательские, опытно-конструкторские и испытательные организации, такие как химическая, фармацевтическая и обрабатывающая промышленность, используют ПИД-регуляторы для поддержания влажности и температуры в определенной области на постоянном уровне.

6. ПИД-регуляторы также используются в устройствах регулирования pH, расхода и скорости.

Применение ПИД-регулятора

Преимущества ПИД-регулятора

ПИД-регулятор имеет множество преимуществ, например:

1.Большинство современных устройств, оснащенных ПИД-регулятором, стоят недорого.

2. Настройка и эксплуатация ПИД-регуляторов не требуют большого опыта. Следовательно, с такими устройствами может работать и неквалифицированный человек.

3. ПИД-регуляторы не зависят от процесса.

4. Они обеспечивают точное управление заданным значением, что позволяет пользователю зафиксировать значение температуры или давления на определенном постоянном значении.

5. ПИД-регуляторы не требуют частого обслуживания.

6. Устройства и системы, оснащенные ПИД-регуляторами, имеют значительно улучшенное быстродействие.

Недостатки ПИД-регулятора

Некоторые ограничения или недостатки ПИД-регулятора включают:

1. ПИД-регуляторы могут работать нестабильно, если они не настроены должным образом.

2. Эти типы контроллеров чувствительны к дифференциальному усилению шума.

3. Контроллер может поддерживать колебания вокруг рабочей точки и вызывать проблемы.

4. Непрерывное изменение нагрузки влияет на динамические характеристики системы.

5. Повторная настройка контроллера может сократить срок службы и привести к износу.

Как работает ПИД-регулятор? > jjrobots

Алгоритм ПИД-регулятора включает три отдельных постоянных параметра и, соответственно, иногда называется трехчленным управлением : пропорциональное, интегральное и производное значения, обозначаемые P, I , и D . Проще говоря, эти значения можно интерпретировать с точки зрения времени: P зависит от настоящей ошибки , I от накопления прошлых ошибок , а D является ошибкой будущих ошибок , исходя из текущей скорости изменения. Взвешенная сумма этих трех действий используется для регулирования процесса с помощью элемента управления, такого как положение регулирующего клапана, заслонки или мощности, подаваемой на нагревательный элемент.

Из-за отсутствия информации о базовом процессе ПИД-регулятор исторически считался наиболее полезным контроллером . [2] Настраивая три параметра в алгоритме ПИД-регулятора, контроллер может обеспечивать управляющее действие, предназначенное для конкретных требований процесса.

Давайте потратим несколько минут на это очень хорошее видео:


Теория: Анатомия системы управления с обратной связью

 

Вот классическая блок-схема процесса под управлением ПИД-регулятора .

ПИД-регулирование (www.csimn.com)

Уставка (SP) — это значение, которое мы хотим, чтобы процесс был.

Например, система контроля температуры в нашем доме может иметь SP 22°C. Это означает, что

« мы хотим, чтобы процесс нагрева и охлаждения в нашем доме достигал постоянной температуры как можно ближе к 22°C»

ПИД-регулятор проверяет заданное значение и сравнивает его с фактическим значением переменной процесса (PV) .Вернувшись в наш дом, блок электроники, который является ПИД-регулятором в нашей системе отопления и охлаждения, смотрит на значение датчика температуры в комнате и видит, насколько оно близко к 22°C.

Если SP и PV одинаковые — то контроллер очень счастливая коробочка . Ему не нужно ничего делать, он установит свой вывод на ноль.

Однако, если есть несоответствие между SP и PV, у нас есть ошибка, и необходимы корректирующие действия. В нашем доме это будет либо охлаждение, либо обогрев в зависимости от того, выше или ниже PV, чем SP соответственно.

Пример:

Представим, что температура PV в нашем доме выше, чем SP. Слишком жарко. Кондиционер включается, и температура падает.

Датчик улавливает более низкую температуру, передает ее обратно в контроллер, контроллер видит, что «температурная ошибка» не так велика, потому что PV (температура) упала, а кондиционер немного приглушен.

Этот процесс повторяется до тех пор, пока птичник не остынет до 22°C и не возникнет ошибки.

Затем в систему попадает неисправность , и контроллер должен снова включиться .

В нашем доме помехой может быть солнце, палящее по крыше , повышающее температуру воздуха внутри.

Это очень, очень общий обзор простой системы управления с обратной связью. Звучит очень просто, а?

 

Понимание контроллера

К сожалению, в реальном мире нам нужен контроллер немного сложнее, чем описанный выше , если мы хотим получить максимальную производительность от наших циклов.

Чтобы понять почему, мы проведем несколько «мысленных экспериментов», в которых мы выступаем в роли контролера. Когда мы проведем эти мысленные эксперименты, мы поймем, зачем нужен PID-алгоритм и почему/как он работает для управления процессом. Мы будем использовать аналогию с перестроением на автостраде в ветреный день . Мы водитель и, следовательно, контролируем процесс изменения положения автомобиля. Вот блок-схема, которую мы использовали ранее, с измененными метками, чтобы представить контур управления автомобилем на ветреной автостраде.

Пример ПИД-регулятора (www.csimn.com)

 

Обратите внимание, как важно закрыть петлю обратной связи. Если бы мы убрали петлю обратной связи, мы бы оказались в «управлении с разомкнутым контуром» и должны были бы контролировать положение автомобиля с закрытыми глазами!

К счастью, мы находимся под «Замкнутым контуром управления» — используя наши глаза для обратной связи по положению.

Как мы видели в примере с комнатной температурой, контроллер принимает сигналы PV и SP, которые затем пропускает через черный ящик для расчета выходного сигнала контроллера.Этот выходной сигнал контроллера отправляется на исполнительный механизм, который движется, чтобы фактически управлять процессом.

Здесь нас интересует, что на самом деле делает черный ящик, а именно то, что он применяет 1, 2 или 3 вычисления к сигналам SP и Измеренное PV. Эти расчеты, называемые «режимами управления», включают:

  • Пропорциональный (P)
  • Интеграл (I)
  • Производная (D)

 

Всемирно известный ПИД-регулятор

Вот упрощенная блок-схема того, что делает ПИД-регулятор:

Полный ПИД-регулятор (www.csimn.com)

 

Действительно очень прост в эксплуатации. PV вычитается из SP для создания ошибки . Ошибка просто умножается на одно, два или все рассчитанные действия P, I и D (в зависимости от того, какие из них включены). Затем результирующие «действия управления ошибкой x» складываются и отправляются на выход контроллера.

Эти 3 режима используются в различных комбинациях:

  • P – Иногда используется
  • PI — наиболее часто используемый
  • ФИД – Используется
  • PD — редкий, как куриные зубы, но может быть полезен для управления серводвигателями.

 

Производные

Войдите в диспетчерскую технологической установки и спросите оператора:
» Какова производная давления в реакторе 4?»

И ответ обычно будет таким:
» Убирайся в жопу!»

Однако войдите и спросите:
» Какова скорость изменения давления в реакторе 4?»

И оператор изучит динамику давления и скажет что-то вроде:
« Около 5 PSI каждые 10 минут»

Он только что вычислил тренд давления! (только не говори ему, иначе он потребует прибавки к зарплате)

Таким образом, производная — это просто математический термин, означающий скорость изменения.Вот и все.


Интегралы без математики

Стоит ли удивляться, что так много людей пугаются понятия интегралов и интегрирования, когда это типичное определение?

 

хммм… что??

Вот простое английское определение:

Интеграл сигнала представляет собой сумму всех мгновенных значений сигнала с момента, когда вы начали считать, до момента, когда вы прекратили считать .

Итак, если вы хотите построить свой сигнал на тренде, и ваш сигнал замеряется каждую секунду, и допустим, , что вы измеряете температуру. Если бы вы наложили интеграл сигнала за первые 5 секунд — это выглядело бы так:

Зеленая линия — это ваша температура, красные круги — это места, где ваша система управления замерила температуру, а синяя область — это интеграл температурного сигнала. Это сумма 5 значений температуры за интересующий вас период времени.В числовом выражении это сумма площадей каждого из синих прямоугольников:

(13 х 1)+(14 х 1)+(13 х 1)+(12 х 1)+(11 х 1) = 63 °C с

Любопытные единицы измерения (градусы Цельсия x секунды) связаны с тем, что нам нужно умножить температуру на время, но единицы измерения не важны.

Как вы, наверное, помните из школы, интеграл оказывается площадью под кривой. Когда у нас есть реальные системы, мы фактически получаем аппроксимацию площади под кривой, которая, как вы можете видеть на диаграмме, тем лучше, чем быстрее мы сэмплируем.


Пропорциональное управление

Вот схема контроллера, когда мы включили только P-управление:

P-контроллер (www.csimn.com)

 

В пропорциональном режиме контроллер просто умножает ошибку на коэффициент пропорциональности (Kp), чтобы получить выходной сигнал контроллера.

Пропорциональное усиление — это параметр, который мы настраиваем, чтобы получить желаемую производительность от контроллера «только P».


Контроллер P+I

Если мы сложим Пропорциональное и Интегральное действие вместе, мы получим скромный ПИ-регулятор.На приведенной ниже диаграмме показано, как рассчитывается алгоритм в ПИ-контроллере.

ПИ-регулятор (www.csimn.com)

 

Хитрость интегрального действия заключается в том, что оно действительно испортит ваш процесс, если вы точно не знаете, сколько интегрального действия нужно применить.

Хорошая методика настройки ПИД-регулятора точно рассчитает, сколько интегрального действия нужно применить для вашего конкретного процесса, но как в первую очередь настраивается интегральное действие?


Настройка интегрального действия

Чтобы отрегулировать количество Интегрального Действия, которое у вас есть, отрегулируйте термин, называемый «минуты на повтор».Не очень интуитивно понятное имя, не так ли?

Так откуда взялось это странное имя? Это мера того, сколько времени потребуется, чтобы интегральное действие совпало с пропорциональным действием.

Другими словами, если выход пропорционального блока на приведенной выше диаграмме составляет 20 %, время повторения — это время, за которое выход интегрального блока также достигнет 20 %.

И важно отметить, что чем «больше» интегральное действие, тем быстрее оно получит это значение 20%.То есть на это уйдет меньше минут, поэтому значение «минут на повтор» будет меньше.

Другими словами чем меньше «минут на повтор», тем больше интегральное действие.

Чтобы сделать вещи немного более интуитивными, многие контроллеры используют альтернативную единицу «повторений в минуту», которая, очевидно, является обратной единицей «минут на повтор».

Хорошая вещь о «повторениях в минуту» заключается в том, что чем она больше, тем больше результирующее Интегральное действие.

 

 

Производное действие — предсказание будущего!

Итак, комбинация P и I action , кажется, покрывает все основы и делает довольно хорошую работу по управлению нашей системой. По этой причине наиболее распространены ПИ-контроллеры . Они хорошо справляются со своей работой и делают все просто. Здорово.

Но инженеры, будучи инженерами, всегда стремятся улучшить производительность . Они делают это в контуре PID, добавляя последний ингредиент: Производное действие .Таким образом, добавление производного действия может позволить вам получить большее усиление P и I и при этом сохранить стабильность контура, что даст вам более быстрый отклик и лучшую производительность контура .

 

Если подумать, производное действие улучшает действие контроллера, потому что оно предсказывает, что еще произойдет, проецируя текущую скорость изменения в будущее. Это означает, что используется не текущее измеренное значение, а будущее измеренное значение. Единицы, используемые для действия производной, описывают, как далеко в будущее вы хотите заглянуть.т. е. если действие производной равно 20 секундам, производная составляющая будет проецировать текущую скорость изменения на 20 секунд в будущее. ) это чертовски запутывает алгоритм. Смотрит на наклон шумового всплеска и думает: «Черт возьми! Этот процесс быстро меняется, давайте добавим действие D!!!» И ваш контрольный вывод прыгает повсюду, путая ваш контроль.


А теперь проверь себя!:

Приведенный выше график показывает, что пропорциональный регулятор уменьшил как время нарастания, так и установившуюся ошибку, увеличил перерегулирование и немного уменьшил время установления.

На этом графике показано, что регулятор производной уменьшил как выброс, так и время установления, а также оказал небольшое влияние на время нарастания и установившуюся ошибку.

Мы уменьшили пропорциональный коэффициент усиления (Kp), поскольку интегральный регулятор также уменьшает время нарастания и увеличивает перерегулирование, как это делает пропорциональный регулятор (двойной эффект).Приведенный выше ответ показывает, что интегральный регулятор устранил установившуюся ошибку.

Теперь мы получили систему с обратной связью без перерегулирования, с быстрым временем нарастания и без установившейся ошибки.

 


 Другие графики ответа PID:

Вверху: очень низкий пропорциональный и интегральный коэффициент. Между нашей целью и результатом есть смещение. Не очень быстрый отклик (для достижения целевого значения требуется некоторое время) Хорошая производная и пропорциональные коэффициенты, но нам потребуется интегральный коэффициент, чтобы достичь желаемой уставки

 

ПИ-контроль. Нет производного параметра. Система не может очень хорошо предсказать будущее поведение, поэтому имеет тенденцию колебаться вокруг заданного значения

 

Проекты JJrobots с использованием ПИД-регуляторов:

Мы широко используем ПИД-регуляторы в наших проектах. Хорошим примером является проект B-робота . Здесь ПИД используется для решения проблемы перевернутого маятника.

 

 

Информация/ссылки/источники:

  • http://www.csimn.com/CSI_pages/PIDforDummies.html (впечатляющая документация и графики)
  • http://en.wikipedia.org/wiki/ПИД_регулятор

 

 

Что такое ПИД-регулятор температуры?

ПИД-регулирование температуры — это функция контурного управления, используемая в большинстве контроллеров процессов для повышения точности процесса. ПИД-регуляторы температуры работают, используя формулу для расчета разницы между желаемой уставкой температуры и текущей температурой процесса, а затем прогнозируют, сколько энергии нужно использовать в последующих циклах процесса, чтобы гарантировать, что температура процесса остается как можно ближе к заданному значению, устраняя влияние изменения среды процесса.

ПИД-регуляторы температуры отличаются от двухпозиционных регуляторов температуры, в которых 100 % мощности подается до тех пор, пока не будет достигнуто заданное значение, после чего мощность отключается до 0 % до тех пор, пока температура процесса снова не упадет ниже заданного значения. Это приводит к регулярным перерегулированиям и задержкам, которые могут повлиять на общее качество продукта.

Регуляторы температуры с ПИД-регулятором более эффективно справляются с нарушениями процесса, которые могут казаться такими безобидными, как открытие дверцы духовки, но изменение температуры может повлиять на качество конечного продукта.Если ПИД-регулятор температуры настроен правильно, он компенсирует возмущение и вернет температуру технологического процесса к заданному значению, но уменьшит мощность по мере приближения температуры к заданному значению, чтобы не допустить ее превышения и риска повреждения продукта слишком большим количеством тепла.

 

P, I & D

ПИД-регулирование относится к «оптимальной» категории теории управления, которая указывает, что определенная переменная процесса достигается оптимальным образом. Для ПИД-регулятора температуры оптимальной переменной является поддержание температуры процесса на заданном уровне в течение желаемого периода времени, избегая каких-либо серьезных изменений из-за запаздывания, перерегулирования или возмущений.

 Три элемента алгоритма PID: пропорциональный, интегральный и производный. Каждый из этих элементов относится к отклонению температуры процесса от заданного значения за определенный период времени.

  • Пропорциональный — отклонение между заданным значением и текущей температурой процесса
  • Интеграл — предыдущее отклонение от уставки
  • Производная — прогнозируемое будущее отклонение на основе предыдущего и текущего отклонения

Затем эти отклонения во времени рассчитываются с помощью формулы ПИД-регулятора либо вручную инженером, либо автоматически контроллером температуры, и в результате получается, какая мощность должна быть приложена к процессу для поддержания температуры на заданном уровне.

История ПИД-регуляторов температуры

Механические устройства обратной связи используются с конца 18 го века в виде регуляторов. Они были ограничены только одним или двумя элементами из пропорциональных, интегральных или производных и изначально предназначались для поддержания постоянной рабочей скорости в паровых двигателях, которые использовались для привода заводского оборудования.

Первый полноценный ПИД-регулятор был разработан в 1911 году Элмером Сперри для ВМС США для автоматизации управления кораблем.Сперри разработал свою систему, чтобы подражать поведению рулевых, которые были способны компенсировать постоянное отклонение, а также предвидеть, как оно изменится в будущем.

Впоследствии, в 1922 году, инженер Николя Минорский опубликовал первый теоретический анализ ПИД-регулирования, также основанный на наблюдениях за способностью рулевого приспосабливаться к изменяющимся условиям. Минорский представил способность рулевого приспосабливаться к изменяющимся условиям в виде математической формулы, которая легла в основу современного ПИД-регулирования.

Ссылка: Разработка ПИД-регулятора – Стюарт Беннетт

Различные методы настройки ПИД-регуляторов

Существует два основных способа настройки регулятора температуры с помощью значений ПИД.

  1. Инженер вручную определяет переменные P, I и D и уровень мощности, необходимый в процессе для поддержания заданного значения.
  2. При вводе заданных значений и использовании функции самонастройки контроллер температуры автоматически рассчитывает ПИД-регулятор для непосредственного управления процессом.

В любом случае формула ПИД обеспечивает уровень мощности, применяемой в процессе для поддержания уставки, которая либо вводится инженером, либо устанавливается самим ПИД-регулятором.

Чтобы узнать больше о настройке ПИД-регулятора температуры, прочитайте запись в нашем блоге «Что такое настройка ПИД-регулятора и как она работает?».

Какой ПИД-регулятор температуры?

Настройка контура ПИД-регулятора используется в различных регуляторах температуры и для различного количества контуров.Самая базовая настройка — это использование одного контроллера температуры для расчета ПИД-регулятора и управления одним процессом.

Медицинское чистящее оборудование часто использует одноконтурный ПИД-регулятор температуры, чтобы гарантировать, что процесс протекает при нужной температуре в течение времени, достаточного для надлежащей стерилизации инструментов. Датчик температуры будет измерять температуру внутри стерилизационной емкости, которую ПИД-регулятор затем будет интерпретировать и использовать для увеличения или уменьшения мощности нагревательного элемента.

Более сложная настройка ПИД-регулятора температуры – многоконтурная, при которой один регулятор температуры одновременно управляет несколькими процессами. Однако каждый процесс является дискретным и, следовательно, работает в отдельных циклах, поэтому нарушение одного процесса не повлияет на другой. Например, в пекарне может быть несколько печей, работающих с одной и той же уставкой, но не влияющих друг на друга, которые будут управляться многоконтурным ПИД-регулятором температуры.

ПИД-регуляторы с каскадными контурами управления

Некоторые ПИД-регуляторы температуры имеют расширенные возможности, которые позволяют им управлять несколькими контурами, связанными друг с другом, вместо того, чтобы каждый контур работал дискретно под централизованным управлением.

Каскадное управление – это когда два контура управления работают по отношению друг к другу в виде первичного и вторичного контуров. Первичный контур управляет основным нагреваемым элементом процесса, однако не имеет работающего на него непосредственного нагревательного элемента. Вместо этого есть вторичный элемент, который часто представляет собой кожух вокруг первого и управляется нагревательным элементом. ПИД-регулятор измеряет как первичный, так и вторичный контуры и регулирует уровень мощности, влияющий на нагрев вторичного элемента, чтобы он, в свою очередь, нагревал первичный элемент до заданного значения.

Настройка ПИД-регулятора в каскадных контурах очень важна, так как в противном случае возможны чрезмерные выбросы в ожидании достижения первичным элементом заданного значения. ПИД-регулятор снижает мощность по мере того, как температура приближается к заданному значению, чтобы достичь заданного значения, а затем поддерживать его. Знакомым примером этого является плавление шоколада, когда шоколад подвергается прямому воздействию тепла, он может сгореть, но его можно растопить в миске над горячей водой. Шоколад — это первичный контур, нежное вещество, которое в конечном счете необходимо нагреть, а миска с водой — это вторичный контур, промежуточное звено между подводом тепла и первичным контуром.Каскадные контуры работают по тому же принципу, но в гораздо большем масштабе и с точным контролем температуры.

T Чтобы узнать больше о каскадном управлении и ПИД-регуляторах температуры, прочитайте запись в нашем блоге «Как работает каскадное управление?» и наш бесплатный технический документ «Повышение качества процессов с помощью каскадного управления»

Многозонный ПИД-регулятор температуры

Многоконтурные ПИД-регуляторы температуры

также полезны для управления многозонными процессами, в которых необходимо управлять одним процессом, но нагревательный элемент настолько велик, что могут возникать расхождения температур между одной зоной и другой.

Например, в промышленной печи с шестью различными нагревательными элементами температура должна быть одинаковой во всей печи, но из-за различных элементов одни области могут быть более горячими, чем другие. Поскольку для процесса требуется однородная температура, решение состоит в использовании многоконтурного ПИД-регулятора температуры для управления всеми шестью нагревательными элементами, так что фактически шесть контуров управления работают одновременно. Затем ПИД-регулятор может регулировать мощность каждого нагревательного элемента в отдельности, чтобы поддерживать заданное значение во всех зонах нагрева в духовке.

West Control Solutions предлагает широкий ассортимент ПИД-регуляторов температуры, монтируемых на DIN-панели, различных уровней, отвечающих требованиям любых промышленных процессов. См. полный ассортимент цифровых ПИД-регуляторов.

 

Описание ПИД-регулятора • Описание ПИД-регулятора

ПИД-регулятор (пропорционально-интегрально-дифференциальный) работает, управляя выходом, чтобы довести значение процесса до требуемой уставки.

См. сообщение «ЧТО ТАКОЕ ПИД-РЕГУЛЯТОР?» для основного примера ПИД-регулятора.А также страницу PID Simulator для использования живого PID Simulator!

Прежде чем мы углубимся в ПИД-регулятор, необходимо определить несколько терминов:

ПИД-регулятор Термины:

Уставка

Уставка обычно представляет собой значение, введенное пользователем, в круиз-контроле это будет заданная скорость, а для системы отопления — заданная температура.

Значение процесса

Значение процесса является контролируемым значением.Для круиз-контроля это будет фактическая скорость автомобиля, а в системе отопления это будет текущая температура системы.

Выход

Выход представляет собой управляемое значение ПИД-регулятора. В круиз-контроле выходом будет дроссельная заслонка, в системе отопления выходом может быть 3-ходовой клапан в контуре отопления или количество топлива, подаваемое в котел.

Ошибка

Значение ошибки — это значение, используемое ПИД-регулятором для определения того, как манипулировать выходом, чтобы привести значение процесса к заданному значению.

Ошибка = уставка – значение процесса

Описание ПИД-регулятора!

Основное описание ПИД-регулятора. ПИД-регулятор постоянно отслеживает значение ошибки и, используя это значение, вычисляет пропорциональные, интегральные и производные значения. Затем контроллер складывает эти три значения вместе для создания выходных данных.

Ниже мы рассмотрим пропорциональное, интегральное и производное как три отдельных уравнения, а затем добавим их вместе для создания выходного сигнала, но сначала нам нужно поговорить о входных значениях пользователя в ПИД-регуляторе… настройках усиления (P-Gain , I-усиление и D-усиление).

Усиление

Усиление — это термин, используемый для «коэффициента умножения». Регулируя настройки усиления (или коэффициент умножения) пропорционального, интегрального и производного, пользователь может контролировать степень влияния ПИД-регулятора на выход и реакцию контроллера на различные изменения значения процесса.

P или пропорциональный Настройка пропорционального значения

Пропорциональное вычисляется путем умножения P-усиления на ошибку.Цель пропорционального регулирования состоит в том, чтобы иметь большую немедленную реакцию на выходе, чтобы приблизить значение процесса к заданному значению. Чем меньше ошибка, тем меньше влияние пропорционального значения на выход.

Пропорциональная математика выглядит так:

P = Пропорциональный | kP = пропорциональное усиление | SP = уставка | PV = значение процесса | Ошибка = Ошибка

Ошибка = SP – PV

P = кПа x ошибка

I или интегральный Настройка интегрального значения

Интеграл рассчитывается путем умножения I-Gain на ошибку, затем умножения этого значения на время цикла контроллера (как часто контроллер выполняет вычисление ПИД-регулятора) и непрерывного накопления этого значения как «общего интеграла».

Немного подробнее: каждый раз, когда контроллер выполняет вычисление ПИД-регулятора (пример времени цикла — каждые 100 мс), новое вычисленное интегральное значение добавляется к интегральной сумме. Интеграл обычно не оказывает такого непосредственного влияния на выходной сигнал, как пропорциональный, но, поскольку интеграл непрерывно накапливается в течение долгого времени, чем дольше значение процесса достигает заданного значения, тем больше влияние интеграла на выходной сигнал. .

И интегральная математика:

I = Интеграл | kI = интегральное усиление | дт = время цикла контроллера | Это = Интеграл Итого

I = kI x Err x dt

Оно = Оно + Я

D или производный Настройка производного значения

Производная вычисляется путем умножения D-усиления на скорость линейного изменения значения процесса.Цель производной состоит в том, чтобы «предсказать», куда движется значение процесса, и сместить выходной сигнал в направлении, противоположном пропорциональному и интегральному, чтобы, как мы надеемся, предотвратить превышение контроллером заданного значения, если скорость линейного изменения слишком высока. .

Объясняется немного проще: если значение процесса быстро приближается к заданному значению, производная будет ограничивать выход, чтобы предотвратить выход значения процесса за пределы заданного значения.

Производная математика:

D = Производная | kD = производное усиление | dt = время цикла контроллера | pErr = Предыдущая ошибка

D = kD x (Err – pErr) / dt

Выход

Выходной сигнал ПИД-регулятора вычисляется простым сложением Пропорционального , Интегрального и Производного .В зависимости от настройки усиления этих трех значений будет определяться их влияние на выходной сигнал.

Математика выхода ПИД-регулятора:

Выход = P + It + D

В целом контур ПИД-регулирования выглядит следующим образом;

Ошибка = Sp – PV

P = кПа x ошибка

It = It + (Err x kI x dt)

D = kD x (pErr – Err) / dt

пЭрр = Ошибка

Выход = P + It + D

Подождите dt (100 мс) и снова выполните цикл.

Настройка ПИД-регулятора

Прочтите этот пост, чтобы узнать, как настроить ПИД-регулятор и как настроить его с нуля.

Чтобы попрактиковаться в контурах ПИД-регулирования, загрузите приложение PID Simulator из магазина Microsoft!

Посмотрите это видео, чтобы узнать больше о ПИД-регуляторах

Что такое ПИД-регулятор, их типы и как они работают?

Конструкция и работа ПИД-регуляторов

ПИД-регулятор является наиболее распространенным алгоритмом управления, используемым в промышленной автоматизации и приложениях, и более 95% промышленных контроллеров относятся к типу ПИД.ПИД-регуляторы используются для более точного и точного управления различными параметрами.

Чаще всего они используются для регулирования температуры, давления, скорости, расхода и других параметров процесса. Благодаря надежной работе и функциональной простоте они были приняты в огромных промышленных приложениях, где более точное управление является первоочередным требованием. Давайте посмотрим , как работает ПИД-регулятор ?

Что такое ПИД-регулятор?

Комбинация пропорциональных, интегральных и производных воздействий чаще называется ПИД-действием, отсюда и название: ПИД-регулятор (Пропорционально-интегрально-дифференциальный) Контроллер .Эти три основных коэффициента варьируются в каждом ПИД-регуляторе для конкретного приложения, чтобы получить оптимальную реакцию.

Он получает входной параметр от датчика, который называется фактической переменной процесса. Он также принимает требуемый выходной сигнал привода, который называется установленной переменной, а затем вычисляет и объединяет пропорциональные, интегральные и производные характеристики для вычисления выходного сигнала привода.

Рассмотрим типичную систему управления, показанную на рисунке выше, в которой переменная процесса процесса должна поддерживаться на определенном уровне.Предположим, что переменной процесса является температура (в градусах Цельсия). Для измерения переменной процесса (т. е. температуры) используется датчик (скажем, RTD).

Уставка – это желаемая реакция процесса. Предположим, что процесс должен поддерживаться при температуре 80 градусов по Цельсию, а затем уставка равна 80 градусам по Цельсию. Предположим, что измеренная датчиком температура составляет 50 градусов по Цельсию (что является не чем иным, как переменной процесса), но уставка температуры составляет 80 градусов по Цельсию.

Это отклонение фактического значения от желаемого в алгоритме ПИД-регулирования приводит к тому, что выходной сигнал на привод (здесь это нагреватель) подается в зависимости от комбинации пропорциональной, интегральной и производной характеристик. Таким образом, ПИД-регулятор непрерывно изменяет выходной сигнал привода до тех пор, пока переменная процесса не установится на установленное значение. Это также называется системой управления с обратной связью .

Работа ПИД-регулятора

При ручном управлении оператор может периодически считывать переменную процесса (которая должна контролироваться, например, температура, расход, скорость и т. д.) и отрегулируйте управляющую переменную (которой нужно манипулировать, чтобы довести управляющую переменную до заданных пределов, таких как нагревательный элемент, проточные клапаны, мощность двигателя и т. д.). С другой стороны, при автоматическом управлении измерение и регулировка производятся автоматически в непрерывном режиме. Все современные промышленные регуляторы относятся к автоматическому типу (или регуляторам с замкнутым контуром), которые обычно предназначены для выполнения одного или нескольких управляющих воздействий. Эти управляющие действия включают

  • Контроллер ВКЛ-ВЫКЛ
  • Пропорциональный контроллер
  • Пропорционально-интегральный регулятор
  • Пропорционально-дифференциальный регулятор
  • Пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор

В случае контроллера ON-OFF возможны два состояния для управления регулируемой переменной, т.е.т. е. либо полностью включен (когда переменная процесса ниже уставки), либо полностью выключен (когда переменная процесса выше уставки). Таким образом, выход будет носить колебательный характер. Для достижения точного управления в большинстве отраслей промышленности используется ПИД-регулятор (, PI или PD в зависимости от приложения). Рассмотрим эти управляющие действия.

П-контроллер

Пропорциональное управление или просто П-регулятор выдает управляющий сигнал, пропорциональный текущей ошибке.Здесь ошибка представляет собой разницу между заданным значением и переменной процесса (т. е. e = SP – PV). Это значение ошибки, умноженное на пропорциональный коэффициент усиления (Kc), определяет выходной отклик, или, другими словами, пропорциональный коэффициент определяет отношение пропорционального выходного отклика к значению ошибки.

Например, величина ошибки равна 20, а Kc равна 4, тогда пропорциональная реакция будет равна 80. Если значение ошибки равно нулю, выход или отклик контроллера будут равны нулю. Скорость реакции (переходная характеристика) увеличивается за счет увеличения значения пропорционального усиления Kc.Однако, если Kc увеличивается за пределы нормального диапазона, переменная процесса начинает колебаться с большей скоростью, что вызывает нестабильность системы. Хотя П-регулятор обеспечивает стабильность переменной процесса с хорошей скоростью отклика, всегда будет ошибка. между заданным значением и фактической переменной процесса. В большинстве случаев этот контроллер снабжен ручным сбросом или смещением, чтобы уменьшить ошибку при отдельном использовании. Однако этот контроллер не может обеспечить нулевое состояние ошибки.Следовательно, в отклике p-регулятора всегда будет устойчивая ошибка, как показано на рисунке.

I-контроллер
Ответ D-контроллера

Производный контроллер ( или просто D-контроллер) видит, как быстро изменяется переменная процесса в единицу времени, и выдает выходной сигнал, пропорциональный скорости изменения. Выходная производная равна скорости изменения ошибки, умноженной на константу производной. D-контроллер используется, когда переменная процессора начинает изменяться с высокой скоростью.

В таком случае D-контроллер перемещает конечное управляющее устройство (такое как регулирующие клапаны или двигатель) в таком направлении, чтобы противодействовать быстрому изменению переменной процесса. Следует отметить, что D-контроллер сам по себе не может использоваться ни для каких приложений управления.

Действие производной увеличивает скорость отклика, так как оно запускает выходной сигнал, таким образом предвосхищая поведение ошибки в будущем. Более быстро D-регулятор реагирует на изменение переменной процесса, если член производной велик (что достигается увеличением постоянной производной или времени Td).

В большинстве ПИД-регуляторов отклик D-регулятора зависит только от переменной процесса, а не от ошибки. Это позволяет избежать всплесков производительности (или резкого увеличения производительности) в случае внезапного изменения заданного значения оператором. Кроме того, в большинстве систем управления используется меньшее время производной td, поскольку отклик производной очень чувствителен к шуму в переменной процесса, что приводит к получению чрезвычайно высокого выходного сигнала даже при небольшом уровне шума.

Таким образом, путем объединения пропорциональных, интегральных и производных управляющих характеристик формируется ПИД-регулятор.ПИД-регулятор находит универсальное применение; однако необходимо знать настройки ПИД-регулятора и правильно настраивать его, чтобы получить желаемый выходной сигнал. Под настройкой понимается процесс получения идеального отклика ПИД-регулятора путем установки оптимальных коэффициентов усиления пропорциональных, интегральных и производных параметров.

Существуют различные методы настройки ПИД-регулятора для получения желаемого отклика. Некоторые из этих методов включают метод проб и ошибок, метод кривой реакции процесса и метод Зейглера-Николса.Чаще всего используются методы Зейглера-Николса и метод проб и ошибок.

Это про ПИД-регулятор и его работу. Благодаря простоте структуры регулятора ПИД-регуляторы применимы для множества процессов. А также его можно настроить на любой процесс, даже не зная подробной математической модели процесса. Некоторые из приложений включают управление скоростью двигателя на основе ПИД-регулятора, контроль температуры, контроль давления, контроль расхода, уровня жидкости и т. д.

ПИД-регуляторы реального времени

На современном рынке доступны различные типы ПИД-регуляторов, которые можно использовать для всех потребностей промышленного управления, таких как уровень, расход, температура и давление.При принятии решения об управлении такими параметрами процесса с помощью ПИД-регулятора можно использовать либо ПЛК, либо автономный ПИД-регулятор.

Автономные ПИД-регуляторы

используются там, где необходимо контролировать и контролировать один или два контура или в ситуациях, когда к ним трудно получить доступ в более крупных системах. Эти специализированные устройства управления предлагают множество вариантов для одноконтурного и двухконтурного управления. Автономные ПИД-регуляторы предлагают несколько конфигураций уставок, а также генерируют несколько независимых аварийных сигналов.

Некоторые из этих автономных контроллеров включают контроллеры температуры Yokogava, ПИД-регуляторы Honeywell, ПИД-регуляторы с автоматической настройкой OMEGA, ПИД-регуляторы ABB и ПИД-регуляторы Siemens.

В большинстве приложений управления ПЛК используются в качестве ПИД-регуляторов. Блоки PID встроены в PLC/PAC и предлагают расширенные возможности для точного управления. ПЛК более интеллектуальны и мощны, чем автономные контроллеры, и облегчают работу. Каждый ПЛК содержит блок PID в своем программном обеспечении, будь то ПЛК Siemens, ABB, AB, Delta, Emersion или Yokogava.

На рисунке ниже показан блок PID Allen Bradley (AB) и окно его настройки.

На рисунке ниже показан блок ПИД-регулирования Siemens .

На приведенном ниже рисунке показаны ВП ПИД-регулятора , предлагаемые набором инструментов LabVIEW PID.

Похожие сообщения:

Современная промышленная рабочая лошадка: ПИД-регуляторы

Пропорционально-интегрально-дифференциальные (ПИД) регуляторы сегодня используются в большинстве приложений автоматического управления технологическими процессами в промышленности для регулирования расхода, температуры, давления, уровня и многих других переменных промышленных процессов.

Они восходят к 1939 году, когда компании Taylor и Foxboro представили первые два ПИД-регулятора. Все современные регуляторы основаны на этих исходных пропорциональных, интегральных и производных режимах.

ПИД-регуляторы — это рабочая лошадка современных систем управления технологическими процессами, поскольку они автоматизируют задачи регулирования, которые в противном случае пришлось бы выполнять вручную. Несмотря на то, что режим пропорционального управления является основной движущей силой контроллера, каждый режим выполняет уникальную функцию.Пропорциональный и интегральный режимы управления необходимы для большинства контуров управления, в то время как производный режим отлично подходит для управления движением. Температурный контроль является типичным приложением, в котором используются все три режима управления.

Ручное управление
Рис. 1. Оператор выполняет ручное управление

Без ПИД-регулятора ручное управление температурой воды является утомительным процессом. Например, чтобы поддерживать постоянную температуру воды, выходящей из промышленного газового нагревателя, оператор должен следить за датчиком температуры и соответствующим образом регулировать клапан топливного газа (рис. 1).Если температура воды становится слишком высокой, оператор должен закрыть газовый клапан ровно настолько, чтобы вернуть температуру к желаемому значению. Если вода становится слишком холодной, он должен открыть газовый кран.

Задача управления, выполняемая оператором, называется управлением с обратной связью, поскольку оператор изменяет скорость горения на основе обратной связи от процесса через датчик температуры. Оператор, клапан, технологический процесс и датчик температуры образуют контур управления. Любое изменение, которое оператор вносит в газовый клапан, влияет на температуру, которая возвращается оператору, тем самым замыкая контур.

Автоматическое управление

Для автоматизации управления температурой с помощью ПИД-регулятора требуется следующее:

  • Установите электронное устройство измерения температуры
  • Автоматизируйте клапан, добавив привод (и, возможно, позиционер), чтобы он мог управляться электронным способом
  • Установите контроллер и подключите его к устройству измерения температуры и автоматическому регулирующему клапану
Рис. 2. ПИД-регулятор, выполняющий автоматическое управление систем управления с обратной связью

Оператор устанавливает заданное значение ПИД-регулятора (SP) на требуемую температуру, а выход контроллера (CO) устанавливает положение регулирующего клапана.Измерение температуры, называемое переменной процесса (PV), затем передается на ПИД-регулятор, который сравнивает его с заданным значением и вычисляет разницу или ошибку (E) между двумя сигналами. Основываясь на ошибке и константах настройки контроллера, контроллер рассчитывает соответствующий выходной сигнал контроллера, чтобы установить регулирующий клапан в правильное положение, чтобы поддерживать температуру на заданном уровне (рис. 2). Если температура поднимется выше заданного значения, контроллер уменьшит положение клапана и наоборот.

Каждый из трех режимов контроллера по-разному реагирует на ошибку. Величина отклика, производимого каждым режимом управления, регулируется путем изменения настроек настройки контроллера.

Режим пропорционального управления

Режим пропорционального управления изменяет выходной сигнал контроллера пропорционально ошибке. Если ошибка увеличивается, управляющее воздействие увеличивается пропорционально.

Настраиваемая настройка для пропорционального управления называется коэффициентом усиления контроллера (Kc).Более высокий коэффициент усиления регулятора увеличивает количество пропорционального управляющего действия для данной ошибки. Если усиление контроллера установлено слишком высоким, контур управления начнет колебаться и станет нестабильным. Если установлено слишком низкое значение, контур управления не будет адекватно реагировать на возмущения или изменения уставки.

Для большинства контроллеров настройка усиления контроллера влияет на величину отклика в режимах интегрального и дифференциального управления.

Только пропорциональный контроллер

ПИД-регулятор можно настроить на выполнение только пропорционального действия путем отключения интегрального и производного режимов.Пропорциональные контроллеры просты для понимания и легко настраиваются: выходной сигнал контроллера представляет собой произведение ошибки управления на усиление контроллера плюс смещение. Смещение необходимо для того, чтобы контроллер мог поддерживать ненулевой выходной сигнал, пока ошибка равна нулю (переменная процесса в заданной точке). Недостатком является смещение, которое представляет собой устойчивую ошибку, которую нельзя устранить только пропорциональным управлением. При пропорциональном управлении смещение будет сохраняться до тех пор, пока оператор вручную не изменит смещение на выходе контроллера, чтобы удалить смещение.Это известно как ручной сброс контроллера.

Интегральный режим управления
Рис. 3. (слева) Алгоритм неинтерактивного ПИД-регулятора; (справа) алгоритм параллельного ПИД-регулятора

Необходимость ручного сброса привела к разработке автоматического сброса, известного как режим интегрального управления. Функция интегрального режима управления заключается в увеличении или уменьшении выходного сигнала контроллера с течением времени для уменьшения ошибки, пока присутствует какая-либо ошибка (переменная процесса не соответствует заданному значению).При наличии достаточного времени интегральное действие будет управлять выходом контроллера до тех пор, пока ошибка не станет равной нулю.

Если ошибка велика, интегральный режим будет увеличивать/уменьшать выходной сигнал контроллера с высокой скоростью; если ошибка небольшая, изменения будут медленными. Для заданной ошибки скорость интегрального действия задается настройкой интегрального времени контроллера (Ti). Если время интегрирования установлено слишком большим, контроллер будет работать вяло; если он установлен слишком коротким, контур управления будет колебаться и станет нестабильным.

Большинство контроллеров используют время интегрирования в минутах в качестве единицы измерения интегрального управления. Некоторые используют интегральное время в секундах, а некоторые контроллеры используют интегральное усиление (Ki) в повторениях в минуту.

Пропорционально-интегральный регулятор

Обычно называемый ПИ-регулятором, выходной сигнал пропорционально-интегрального регулятора состоит из суммы пропорционального и интегрального управляющих воздействий.

После возмущения интегральный режим продолжает увеличивать выходной сигнал контроллера до тех пор, пока он не устранит все смещения и не вернет температуру на выходе нагревателя к заданному значению.

Производный режим управления

Производное управление редко используется в процессах управления, хотя часто используется в управлении движением. Он очень чувствителен к шуму измерения, затрудняет настройку методом проб и ошибок и не является обязательным для управления технологическим процессом. Однако использование дифференциального режима контроллера может привести к тому, что некоторые типы контуров управления, например регулирование температуры, будут реагировать быстрее, чем при использовании только ПИ-регулирования.

Режим управления производной выдает результат на основе скорости изменения ошибки.Он производит большее управляющее воздействие, если ошибка изменяется с большей скоростью; если ошибка не меняется, действие производной равно нулю. Этот режим имеет регулируемую настройку, которая называется Derivative Time (Td). Чем больше настройка времени производной, тем больше действие производной. Однако, если время производной установлено слишком большим, будут возникать колебания, и контур управления будет нестабильным. Нулевое значение Td эффективно отключает режим производной. Для настройки производной регулятора используются две единицы измерения: минуты и секунды.

Пропорциональный + интегральный + дифференциальный регулятор
Рис. 4. Реакция П-, ПИ- и ПИД-регулятора на возмущение

Выходной сигнал ПИД-регулятора состоит из суммы пропорционального, интегрального и дифференциального управляющих воздействий. Алгоритмы ПИД-регулирования бывают разных конструкций, включая неинтерактивный алгоритм и параллельный алгоритм. Оба показаны на рис. 3.

В ПИД-регуляторе дифференциальный режим обеспечивает более быстрое управление, чем это возможно при П- или ПИ-регулировании.Это уменьшает влияние возмущения и сокращает время, необходимое для возврата уровня к заданному значению.

На Рисунке 4 сравнивается время восстановления температуры на выходе технологического нагревателя после резкого изменения давления топливного газа при P-, PI- и PID-регулировании.

Настройка контроллера

ПИД-регуляторы требуют настройки, но когда они только появились на рынке, не было четких инструкций, как это сделать. Настройка производилась методом проб и ошибок до 1942 года, когда Дж.Г. Зиглер и Н. Б. Николс из компании Taylor Instruments.

Эти правила настройки хорошо работают с процессами с очень большими постоянными времени относительно их мертвых времен и с контурами управления уровнем, которые содержат интегрирующий процесс. Они плохо работают с контурами управления, содержащими саморегулирующиеся процессы, такие как поток, температура, давление, скорость и состав.

Саморегулирующийся процесс всегда стабилизируется в некоторой точке равновесия, которая зависит от конструкции процесса и выходных данных контроллера; если выход контроллера установлен на другое значение, процесс отреагирует и стабилизируется в новой точке равновесия.

Большинство контуров управления содержат саморегулирующиеся процессы, и для них разработаны методы настройки. Например, правила настройки Коэна-Куна хорошо работают практически во всех контурах управления с саморегулирующимися процессами. Эти правила изначально были разработаны для обеспечения очень быстрого отклика, но это привело к петлям с высокой колебательной характеристикой. При незначительном изменении правил контуры управления по-прежнему реагируют быстро, но менее подвержены колебаниям. На сегодняшний день существует более 100 методов настройки контроллера, каждый из которых предназначен для достижения определенной цели.

Заключение

Современные системы управления технологическими процессами не могут существовать без ПИД-регуляторов, так как все функции управления должны выполняться вручную. Каждый из режимов пропорционального, интегрального и производного управления выполняет уникальную функцию, и правила настройки были разработаны для обеспечения эффективного управления процессом для всех типов контуров и приложений.

Эта статья была написана Ли Пейном, генеральным директором корпорации Dataforth, Тусон, Аризона. Для получения дополнительной информации нажмите здесь  .

Ресурсы

Для получения информации о системе сбора и управления промышленными данными MAQ ® 20 компании Dataforth загрузите каталог.

ссылки

ссылки
6
    • AN122: Введение в PID Control
    • AN123:
    • AN123: Тюминология петли управления для быстрой реакции
    • AN124: Тенирование тени управления с методом настройки IMC
    • AN125: УПРАВЛЕНИЕ УПРАВЛЕНИЯ УСЛУГА Loops
    • an126: Tuning Surge Tank Loops Control Loops

    Еще от SAE Media Group

    Журнал NASA Tech Briefs

    Читать другие статьи из этого номера здесь.

    Больше статей из архива читайте здесь.

    ПОДПИСАТЬСЯ

    .

0 comments on “Как работает пид регулятор: ПИД-регуляторы – для чайников-практиков / Теория, измерения и расчеты / Сообщество EasyElectronics.ru

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.