Ce este un controler PID?

PID (din engleză P-proporțional, I-integral, derivat D) - un regulator este un dispozitiv folosit în bucle de control echipate cu o legătură de feedback. Aceste controlere sunt utilizate pentru a genera un semnal de control în sistemele automate, unde este necesar pentru a atinge cerințe ridicate pentru calitatea și precizia tranzitorilor.

Semnalul de control al controlerului PID este obținut prin adăugarea a trei componente: prima este proporțională cu valoarea semnalului de eroare, a doua este integrala semnalului de eroare, iar a treia este derivata acestuia. Dacă oricare dintre aceste trei componente nu este inclusă în procesul de adăugare, atunci controlerul nu va mai fi PID, ci pur și simplu proporțional, diferențiat proporțional sau integrat proporțional.

Prima componentă este proporțională

Semnalul de ieșire oferă o componentă proporțională. Acest semnal duce la contracararea abaterii curente a cantității de intrare care trebuie reglată de la valoarea setată. Cu cât abaterea este mai mare, cu atât semnalul este mai mare. Când valoarea de intrare a variabilei controlate este egală cu valoarea specificată, semnalul de ieșire devine egal cu zero.

Dacă lăsăm doar această componentă proporțională și o folosim numai ea, atunci valoarea cantității care trebuie reglementată nu se va stabiliza niciodată la valoarea corectă. Există întotdeauna o eroare statică egală cu o astfel de valoare a abaterii variabilei controlate încât semnalul de ieșire se stabilizează la această valoare.

De exemplu, un termostat controlează puterea unui dispozitiv de încălzire. Semnalul de ieșire scade odată cu apropierea temperaturii dorite, iar semnalul de control stabilizează puterea la nivelul pierderilor de căldură. Drept urmare, valoarea setată nu va atinge valoarea setată, deoarece dispozitivul de încălzire trebuie doar să fie oprit și începe să se răcească (puterea este zero).

Câștigul dintre intrare și ieșire este mai mare - eroarea statică este mai mică, dar dacă câștigul (de fapt, coeficientul de proporționalitate) este prea mare, atunci este supus întârzierilor în sistem (și sunt adesea inevitabile), auto-oscilațiile vor începe curând în el, iar dacă crești coeficientul este și mai mare - sistemul va pierde pur și simplu stabilitatea.

Sau un exemplu de poziționare a unui motor cu o cutie de viteze. Cu un coeficient mic, poziția dorită a corpului de lucru este atinsă prea lent. Măriți coeficientul - reacția va fi mai rapidă. Dar dacă creșteți mai departe coeficientul, motorul va „trece peste” în poziția corectă, iar sistemul nu se va deplasa rapid în poziția dorită, așa cum s-ar fi așteptat. Dacă acum creștem mai departe coeficientul de proporționalitate, atunci oscilațiile vor începe aproape de punctul dorit - rezultatul nu va fi obținut din nou ...

A doua componentă este integrarea

Integrala în timp a nepotrivirii este partea principală a componentei de integrare. Este proporțional cu această integrală. Componenta de integrare este utilizată doar pentru a elimina eroarea statică, deoarece controlorul ia în considerare în timp eroarea statică.

În absența perturbațiilor externe, după ceva timp, valoarea care trebuie reglată va fi stabilizată la valoarea corectă atunci când componenta proporțională se dovedește a fi zero, iar precizia de ieșire va fi asigurată în întregime de componenta integrantă. Dar componenta de integrare poate genera, de asemenea, oscilații în apropierea punctului de poziționare, dacă coeficientul nu este selectat corect.

A treia componentă este diferențierea

Rata de modificare a abaterii cantității de reglementat este proporțională cu cea de-a treia componentă diferențiată.Este necesar pentru a contracara abaterile (cauzate de influențe externe sau întârzieri) de la poziția corectă, prevăzută în viitor.

Teoria controlorului PID

După cum ați înțeles deja, controlerele PID sunt utilizate pentru a menține o valoare dată x0 a unei anumite cantități, datorită modificării valorii u a unei alte cantități. Există un punct de referință sau un punct de referință x0 și există o diferență sau discrepanță (nepotrivire) e = x0-x. Dacă sistemul este liniar și staționar (practic acest lucru este cu greu posibil), atunci pentru definiția lui u sunt valide următoarele formule:

În această formulă, vedeți coeficienții de proporționalitate pentru fiecare dintre cei trei termeni.

În practică, controlerele PID folosesc o formulă diferită pentru reglare, unde câștigul se aplică imediat tuturor componentelor:

Latura practică a controlului PID

Analiza teoretică a sistemelor controlate PID este rar utilizată. Dificultatea este că caracteristicile obiectului de control sunt necunoscute, iar sistemul este aproape întotdeauna nesigur și neliniar.

Regulatoarele PID care funcționează întotdeauna au o limitare a intervalului de operare de jos și deasupra, acest lucru explică fundamental neliniaritatea acestora. Prin urmare, reglarea se face aproape întotdeauna și pretutindeni experimental când obiectul de control este conectat la sistemul de control.

Utilizarea valorii generate de algoritmul de control software are o serie de nuanțe specifice. Dacă vorbim, de exemplu, despre controlul temperaturii, atunci deseori este necesar nu doar unul, ci două dispozitive simultan: primul controlează încălzirea, al doilea controlează răcirea. Primul furnizează lichidul de răcire încălzit, al doilea - agentul frigorific. Se pot lua în considerare trei opțiuni pentru soluții practice.

Primul este aproape de descrierea teoretică atunci când ieșirea este o cantitate analogică și continuă. Al doilea este o ieșire sub forma unui set de impulsuri, de exemplu, pentru controlul unui motor pas cu pas. Al treilea - Control PWMcând ieșirea din regulator servește la setarea lățimii impulsului.

Astăzi, aproape toate sistemele de automatizare sunt în construcție bazat pe PLC, și controlerele PID sunt module speciale care sunt adăugate la controlerul de control sau, în general, implementate programatic prin încărcarea bibliotecilor. Pentru a stabili corect câștigul în astfel de controlere, dezvoltatorii lor furnizează software special.