Čo je to PID kontrolér?

PID (z anglického P-proporcionálneho, I-integrálu, D-derivátu) - regulátor je zariadenie používané v regulačných slučkách vybavených spätnoväzbovým spojom. Tieto regulátory sa používajú na generovanie riadiaceho signálu v automatických systémoch, kde je potrebné dosiahnuť vysoké požiadavky na kvalitu a presnosť prechodov.

Riadiaci signál PID regulátora sa získa pridaním troch komponentov: prvý je úmerný hodnote chybového signálu, druhý je integrál chybového signálu a tretí je jeho derivát. Ak niektorý z týchto troch komponentov nebude zahrnutý do procesu sčítania, potom už nebude ovládačom PID, ale jednoducho úmerný, úmerne diferencujúci alebo úmerne integrujúci.

Prvá zložka je proporcionálna

Výstupný signál dáva proporcionálnu zložku. Tento signál vedie k pôsobeniu proti aktuálnej odchýlke vstupnej veličiny, ktorá sa má regulovať od nastavenej hodnoty. Čím väčšia je odchýlka, tým väčší je signál. Ak sa vstupná hodnota regulovanej premennej rovná špecifikovanej hodnote, výstupný signál sa rovná nule.

Ak ponecháme iba túto proporcionálnu zložku a použijeme ju iba, hodnota regulovaného množstva sa nikdy nestabilizuje na správnej hodnote. Vždy existuje statická chyba rovnajúca sa takej hodnote odchýlky regulovanej premennej, že výstupný signál sa stabilizuje pri tejto hodnote.

Napríklad termostat riadi výkon vykurovacieho zariadenia. Výstupný signál klesá s približujúcou sa požadovanou teplotou objektu a riadiaci signál stabilizuje výkon na úrovni tepelných strát. Výsledkom je, že nastavená hodnota nedosiahne nastavenú hodnotu, pretože vykurovacie zariadenie musí byť iba vypnuté a začína sa ochladzovať (výkon je nulový).

Zisk medzi vstupom a výstupom je väčší - statická chyba je menšia, ale ak je zisk (v skutočnosti koeficient proporcionality) príliš veľký, potom sa v systéme vyskytnú oneskorenia (a často sa im nedá vyhnúť), čoskoro sa v ňom začnú samoscilácie a ak sa zvýšite koeficient je ešte väčší - systém jednoducho stratí stabilitu.

Alebo príklad umiestnenia motora s prevodovkou. Pri malom koeficiente je požadovaná poloha pracovného telesa dosiahnutá príliš pomaly. Zvýšte koeficient - reakcia bude rýchlejšia. Ak však koeficient ďalej zvýšite, motor „preletí“ do správnej polohy a systém sa rýchlo nepresunie do požadovanej polohy, ako by sa dalo očakávať. Ak teraz zvýšime koeficient proporcionality, oscilácie sa začnú blížiť k požadovanému bodu - výsledok sa znova nedosiahne ...

Druhá zložka sa integruje

Časový integrál nesúladu je hlavnou súčasťou integračného komponentu. Je to úmerné tomuto integrálu. Integračný komponent sa používa iba na odstránenie statickej chyby, pretože radič v priebehu času berie do úvahy statickú chybu.

Ak nedôjde k vonkajším poruchám, hodnota, ktorá sa má regulovať, sa po určitom čase stabilizuje na správnej hodnote, keď sa proporcionálna zložka ukáže ako nula a presnosť výstupu bude úplne zabezpečená integrujúcim komponentom. Integračný komponent však môže tiež generovať oscilácie v blízkosti polohovacieho bodu, ak koeficient nie je vybraný správne.

Tretia zložka je diferenciácia

Miera zmeny odchýlky množstva, ktoré sa má regulovať, je úmerná tretej, diferenčnej zložke.Je potrebné zabrániť odchýlkam (spôsobeným vonkajšími vplyvmi alebo oneskoreniami) od správnej polohy, ktorá sa predpokladá v budúcnosti.

Teória regulátora PID

Ako ste už pochopili, PID regulátory sa používajú na udržiavanie danej hodnoty x0 jednej veličiny z dôvodu zmeny hodnoty u inej veličiny. Existuje požadovaná hodnota alebo daná hodnota x0 a existuje rozdiel alebo nesúlad (nesúlad) e = x0-x. Ak je systém lineárny a stacionárny (prakticky je to ťažko možné), potom pre definíciu u platia nasledujúce vzorce:

V tomto vzorci vidíte koeficienty proporcionality pre každý z troch výrazov.

V praxi používajú regulátory PID iný vzorec na ladenie, pri ktorom sa zisk okamžite aplikuje na všetky komponenty:

Praktická stránka riadenia PID

Prakticky teoretická analýza systémov kontrolovaných PID sa používa zriedka. Problém je v tom, že vlastnosti kontrolného objektu nie sú známe a systém je takmer vždy nestabilný a nelineárny.

V skutočnosti pracujúce PID regulátory majú vždy obmedzenia prevádzkového rozsahu zdola a zhora, čo zásadne vysvetľuje ich nelinearitu. Preto je ladenie takmer vždy a všade experimentálne, keď je riadiaci objekt pripojený k riadiacemu systému.

Použitie hodnoty generovanej softvérovým riadiacim algoritmom má množstvo špecifických nuancií. Ak ide napríklad o reguláciu teploty, potom je často stále potrebné nielen jedno, ale dve zariadenia naraz: prvé reguluje vykurovanie, druhé - chladenie. Prvý dodáva vyhrievané chladivo, druhý - chladivo. Možno zvážiť tri možnosti praktického riešenia.

Prvý je blízky teoretickému opisu, ak je výstupom analógová a spojitá veličina. Druhým je výstup vo forme sady impulzov, napríklad na riadenie krokového motora. Tretí - Ovládanie PWMkeď výstup z regulátora slúži na nastavenie šírky impulzu.

V súčasnosti sú takmer všetky automatizačné systémy vo výstavbe založené na PLCa PID radiče sú špeciálne moduly, ktoré sa pridávajú do riadiaceho radiča alebo sa spravidla implementujú programovo zavádzaním knižníc. Na správne nastavenie zisku takýchto radičov poskytujú ich vývojári špeciálny softvér.