Co je PID regulátor?

PID (z anglického P-proporcionálního, I-integrálu, D-derivátu) - regulátor je zařízení používané v regulačních smyčkách vybavených zpětnou vazbou. Tyto regulátory se používají k generování řídicího signálu v automatických systémech, kde je nutné dosáhnout vysokých požadavků na kvalitu a přesnost přechodových stavů.

Řídicí signál PID regulátoru je získán přidáním tří složek: první je úměrný hodnotě chybového signálu, druhý je integrálem chybového signálu a třetí je jeho derivát. Pokud některá z těchto tří složek nebude zahrnuta do procesu sčítání, nebude již řídicí jednotka PID, ale jednoduše úměrná, úměrně rozlišující nebo úměrně integrující.

První složka je proporcionální

Výstupní signál dává proporcionální složku. Tento signál vede k protikladu k aktuální odchylce vstupní veličiny, která má být regulována od nastavené hodnoty. Čím větší odchylka, tím větší signál. Když se vstupní hodnota regulované proměnné rovná zadané hodnotě, výstupní signál se rovná nule.

Pokud ponecháme pouze tuto proporcionální složku a použijeme ji pouze, hodnota regulovaného množství se nikdy nestabilizuje na správné hodnotě. Vždy existuje statická chyba rovná takové hodnotě odchylky regulované proměnné, že výstupní signál se stabilizuje na této hodnotě.

Například termostat řídí výkon topného zařízení. Výstupní signál klesá s přibývající požadovanou teplotou objektu a řídicí signál stabilizuje výkon na úrovni tepelné ztráty. Výsledkem je, že nastavená hodnota nedosáhne nastavené hodnoty, protože vytápěcí zařízení musí být vypnuto a začne se ochladit (výkon je nulový).

Zisk mezi vstupem a výstupem je větší - statická chyba je menší, ale pokud je zisk (ve skutečnosti koeficient proporcionality) příliš velký, pak se zpoždění v systému (a často jsou nevyhnutelná), v něm brzy začnou samoscilace, a pokud zvýšíte koeficient je ještě větší - systém jednoduše ztratí stabilitu.

Nebo příklad umístění motoru s převodovkou. S malým koeficientem je požadované polohy pracovního těla dosaženo příliš pomalu. Zvyšte koeficient - reakce bude rychlejší. Pokud však koeficient dále zvýšíte, motor „přelétne“ do správné polohy a systém se rychle nepřesune do požadované polohy, jak by se dalo očekávat. Pokud nyní ještě zvýšíme koeficient proporcionality, začnou se oscilace blížit k požadovanému bodu - výsledek nebude znovu dosažen ...

Druhá složka se integruje

Časový integrál nesouladu je hlavní součástí integrující komponenty. Je úměrná tomuto integrálu. Integrační komponenta se používá pouze k odstranění statické chyby, protože řídicí jednotka časem bere v úvahu statickou chybu.

Při nepřítomnosti vnějších poruch bude po určité době hodnota, která má být regulována, stabilizována na správné hodnotě, když se proporcionální komponenta ukáže jako nula, a přesnost výstupu bude zcela zajištěna integrující komponentou. Integrační komponenta však může také generovat oscilace v blízkosti polohovacího bodu, pokud koeficient není správně vybrán.

Třetí složkou je rozlišení

Míra změny odchylky regulovaného množství je úměrná třetí, rozlišující složce.Je nutné zabránit odchylkám (způsobeným vnějšími vlivy nebo zpožděním) od správné polohy, předpovězené v budoucnosti.

Teorie regulátoru PID

Jak jste již pochopili, PID regulátory se používají k udržování dané hodnoty x0 jedné veličiny kvůli změně hodnoty u jiné veličiny. Existuje žádaná hodnota nebo žádaná hodnota x0 a existuje rozdíl nebo nesoulad (neshoda) e = x0-x. Pokud je systém lineární a stacionární (prakticky je to téměř nemožné), platí pro definici u následující vzorce:

V tomto vzorci vidíte koeficienty proporcionality pro každý ze tří výrazů.

V praxi regulátory PID používají pro ladění jiný vzorec, kde je zisk aplikován okamžitě na všechny komponenty:

Praktická stránka řízení PID

Prakticky teoretická analýza systémů řízených PID se používá jen zřídka. Obtížnost spočívá v tom, že vlastnosti kontrolního objektu nejsou známy a systém je téměř vždy nestálý a nelineární.

Ve skutečnosti pracující PID regulátory mají vždy omezení provozního rozsahu zespodu a shora, což zásadně vysvětluje jejich nelinearitu. Proto je ladění téměř vždy a všude prováděno experimentálně, když je kontrolní objekt připojen k řídícímu systému.

Použití hodnoty generované algoritmem řízení softwaru má řadu specifických nuancí. Pokud mluvíme například o regulaci teploty, pak je často nutné nejen jedno, ale dvě zařízení najednou: první řídí vytápění, druhé řídí chlazení. První dodává chladicí kapalinu, druhá chladivo. Lze zvážit tři možnosti praktických řešení.

První je blízký teoretickému popisu, pokud je výstupem analogová a spojitá veličina. Druhým je výstup ve formě sady impulsů, například pro řízení krokového motoru. Třetí - PWM ovládáníkdyž výstup z regulátoru slouží k nastavení šířky impulsu.

Dnes jsou téměř všechny automatizační systémy ve výstavbě založené na PLC, a PID řadiče jsou speciální moduly, které jsou přidávány do kontroléru nebo obecně implementovány programově načtením knihoven. Aby správně nastavili zisk takových ovladačů, jejich vývojáři poskytují speciální software.