Как работает пид регулятор

Принцип работы ПИД-регулятора для начинающих

как работает пид регулятор
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.

Источник: http://masters.donntu.org/2017/fkita/biryucheva/library/article1.htm

Как настроить ПИД-регулятор для гоночного робота?

как работает пид регулятор

Что такое ПИД-регулятор? Как сделать расчет рассогласования и обратную связь для движущегося по линии робота? Как не перерегулировать? Рассказывает Вячеслав Нефедов (GoodLancer.com).

Абсолютное большинство современных роботов для гонок по линии высокого класса как основу алгоритма движения по линии используют ПИД-регулятор (он же ПИД-контроллер). В то же время для многих юных поклонников робогонок ПИД-регулятор остается сложным и малопонятным механизмом. Давайте попробуем вместе разобраться что такое ПИД-регулятор и как он работает.

Что такое «регулятор»?

Само понятие ПИД-регулятор пришло из теории автоматического управления. Кто читает по-английски, то там эта дисциплина называется control theory. Эта наука занимается исследованием систем автоматического управления, а такие системы мы встречаем на каждом шагу.

Автопилоты, системы наведения торпед и ракет, системы управления температурой в химическом производстве, регуляторы положения поглощающих стержней в атомном реакторе, система регулирования температуры в кондиционерах, поплавковый клапан в сливном бачке унитаза — это всё системы автоматического управления.

Общая схема системы автоматического управления нарисована ниже, а основными понятиями такой системы будут следующие:

  1. Объект управления — это то, чем управляет система. В случае гоночного робота это сам робот, а точнее, положение робота относительно линии;
  2. Уставка (цель, целевое значение) — это то условие, за соблюдением которого «смотрит» автомат. Для нашего случая целью является то, чтобы робот не отклонялся от линии;
  3. Рассогласование (ошибка, ошибка управления) — это отклонение текущего состояния от желаемого. В нашем случае это отклонение робота от линии;
  4. Датчики — то, чем мы определяем рассогласование. Для гоночного робота это обычно «линейка» — система из датчиков серого (пара светодиод/фототранзистор);
  5. Обратная связь — сигнал с датчиков, ориентируясь на который автомат принимает решение об управляющем воздействии;
  6. Регулятор. Ключевой элемент системы. Именно регулятор «принимает решение» о том что сделать, чтобы система вернулась к цели. В сливном бачке это механическая система, в случае гоночного робота это часть программы, реализующая ПИД-алгоритм;
  7. Управление (управляющее воздействие, корректировка) — это действия, которые принимает система, чтобы вернуться к цели. В нашем случае это изменение скорости моторов робота;
  8. Привод. Это та часть системы, которая реализует управляющее воздействие. В нашем случае это моторы.

Для демонстрации работы ПИД-контроллера дальше мы используем робота нашего клиента Марка из Казахстана.

Расчет рассогласования

Первый расчетный блок в этом перечне — расчет рассогласования. Как пример расчета согласования можно взять такой: считаем, что в нашей линейке датчиков каждый датчик даёт выходной сигнал, например, 200 на белом поле и 1000 на черной линии. В этом случае мы можем считать, что если датчик показывает больше, чем 600, то он находится над линией. Меньше или равно 600 — над белым полем.

Этот алгоритм для системы из восьми датчиков линии на Arduino будет выглядеть примерно так:

Источник: http://edurobots.ru/2019/01/pid/

Пид регулятор

как работает пид регулятор

Цифровой регулятор — это программа, которая управляет некоторым процессом (регулирует). Получая входные данные с датчиков, она рассчитывает управляющее воздействие, обычно это некоторое число, которое в итоге с помощью электронной схемы преобразуется в реальное физическое воздействие. Задача регулятора — выйти на заданные показатели датчиков.

Допустим некий прибор на основе микроконтроллера должен регулировать температуру жала паяльника. К прибору подключён датчик температуры жала, который точно показывает текущую температуру жала — Tтек. Ну а пользователь прибора задаёт нужную температуру жала Тзад , которую прибор и должен поддерживать. Вот типичная задача регулирования. Попробуем самостоятельно придумать программу регулятор температуры жала для этого прибора.

Самое простое, что приходит в голову каждому, это включать паяльник когда заданная температура больше текущей и выключать когда меньше.

Данный регулятор очень простой, он получает на входе текущую температуру паяльника, заданную температуру и возвращает число 1 (включить) или 0 (выключить паяльник).

Далее микроконтроллер преобразует это число в высокий или низкий уровень напряжения на выводе и управляет паяльником. Это и есть программа регулятор — вполне рабочий вариант. Посмотрим какие у него есть минусы.

Так как прибор цифровой, то все в нем работает по «часам». Датчик температуры выдаёт данные только через какой-то интервал времени. Пусть это будет один раз в секунду. Теперь опишем свойства самого паяльника. При включении паяльника на полную мощность он нагревается за одну секунду на 20 градусов, а остывает за 1 сек на 5 градусов. В таком случае, температура паяльника будет колебаться около заданной +/- 20 градусов.

Почему так происходит? Как только мы включим паяльник, через одну секунду он добавит 20 градусов к своей температуре, ещё до того как мы узнаем, что эта самая температура превысила заданную. А потом будет долго остывать. Чтобы сделать реакцию паяльника более плавной, нужно управлять не просто включением его на полную мощность, а иметь возможно регулировать эту мощность. И вот тут как раз и нужен будет Пид регулятор.

Пид регулятор

Пусть наш прибор может регулировать мощность паяльника (например с помощью ШИМ модуляции) дискретно (с шагом в 1) в диапазоне от 0 до 10 единиц. 0 — выключен, 10 включён на полную мощность.

Теперь, вместо обычного включения паяльника мы можем включить его с некоторой мощностью. Вопрос какая мощность нужна? Пид регулятор как раз и служит для того, чтобы ответить на этот вопрос.

Эта программа автоматически рассчитает нужную мощность в каждый момент времени. Как расшифровывается аббревиатура ПИД:

  • П — пропорциональный
  • И — интегральный
  • Д — дифференциальный

Мощность которую нужно приложить к паяльнику в текущий момент времени складывается из трёх вышеперечисленных компонент. Пид регулятор находит её автоматически. Разберём что это за компоненты, и как работает алгоритм.

Напомним, что в цифровой электронике нет непрерывных процессов, любая программа выполняется не мгновенно, а за какое-то количество тактов. Датчики выдают данные тоже с некоторой периодичностью. И Пид регулятор тоже будет работать дискретно. Будем считать (и это очень важно), что программа регулятор вызывается строго через одинаковые промежутки времени (например, каждые 300мс) и вычисляет нужное управляющее воздействие.

Из чего состоит Пид регулятор

Первый, он же самый простой и понятный компонент — это «П». Он так и называется «пропорциональный». Как он работает?

Пусть у нас есть Tтек и Тзад. Теперь вычтем одно из другого, получим ошибку E. Задача Пид регулятора привести эту ошибку к 0. На выходе вычислений как раз и получается нужная мощность с которой должен работать паяльник. Итак, если у нас только один компонент, то будет такая формула:

П = E * Kpgain ; P =

P — рассчитанная мощность, Kpgain * Е — пропорциональный компонент, Kpgain — пропорциональный коэффициент, а Kpdiv — коэффициент делитель. В целочисленной арифметике, удобной для микроконтроллеров, лучше использовать два коэффициента, которые оба целочисленные. Из этой формулы следует, что чем большую ошибку видит регулятор, тем большую мощность он подаёт на паяльник, чтобы быстрее уменьшить ошибку.

Таким образом, если паяльник заметно остыл, то он будет включён на полную мощность, а по мере приближения к заданной температуре, регулятор будет подавать все меньшую мощность. Если производить измерения очень быстро и регулировать мощность тоже очень быстро, например 1000 раз в секунду или 10 000, то остальные коэффициенты будут не нужны и будет достаточно одной П компоненты. В таком диапазоне времени все нелинейные процессы становятся линейными.

А вот если как у нас — раз в секунду, то они понадобятся.

Следующий компонент — И — интегральный. Он вычисляется чуть сложнее:

И = И + Kigain * Е ;

«И» компонент потому и называется интегральный, что по сути он накапливает, интегрирует, ошибку. Как мы предположили ранее, регулятор вызывается строго через равные промежутки времени dt. Поэтому, можно сказать, что Kigain содержит делитель . То есть получается, что «И» компонент отражает скорость изменения ошибки.

Если процессы у нас линейные (как в нашем паяльнике) и заданная температура постоянна, то «И» в долгосрочной перспективе отражает ту мощность, при которой скорость нагрева паяльника равна скорости его остывания (что нам и нужно). «П» компонент долгосрочно будет стремиться к нулю, а в краткосрочной перспективе, будет учитывать мгновенные изменения во внешней среде.

ЭТО ИНТЕРЕСНО:  Как проверить тиристор тестером

Например, если мы начали паять, паяльник стал остывать быстрее. «П» компонент отреагирует сразу.

Но у нас есть ещё третий компонент «Д». Он является производной скорости изменения ошибки, то есть отражается ускорение нагрева паяльника. Конечно, у паяльника оно равно 0, и этот компонент здесь не имеет смысла (но в других системах он очень важен, например в квадрокоптере), но все равно рассмотрим как он вычисляется. Пусть Ei-1 — ошибка посчитанная на предыдущем шаге, а Еi — текущая ошибка. Тогда «Д» будет вычисляться так:

Д =

«Д» является как бы тормозом, когда мы «перелетели» через заданную температуру. Когда ещё скорость изменения ошибки положительная, «Д» уже станет отрицательным и быстрее вернёт паяльник к заданной температуре, дополнительно уменьшая рабочую мощность.

Как рассчитать коэффициенты Пид регулятора

Коэффициенты Kpgain, Kigain Kdgain (параметры Пид регулятора) находятся опытным путём в процессе настройки регулятора и не меняются в процессе дальнейшей работы регулятора. Пид регулятор отлично выполняет свою работу, однако, только тогда, когда регулируемая система не меняется.

Например, в случае с паяльником, если мы дополнительно начнём охлаждать жало, то настроенный Пид регулятор перестанет работать, так как дополнительное охлаждение потребует изменения коэффициентов настройки регулятора. Это нужно запомнить.

В случае изменения динамической модели управляемой системы, требуется перенастроить параметры Пид регулятора.

Как же можно подобрать коэффициенты опытным путём? Начнём с коэффициента Kpgain. Его подобрать проще всего. Будем постепенно увеличивать его пока система не начнёт колебаться около заданной температуры. Далее будем уменьшать Kpgain значение пока колебания не уменьшаться. Вот это значение и будет самым оптимальным.

Чтобы подобрать Kigain нужно чуть уменьшить подобранный ранее коэффициент Kpgain . При этом ошибка станет положительной, мы будем не догонять заданную температуру. Вот в это время и начинаем увеличивать Kigain . «И» начнет интегрировать ошибку повышая мощность, пока опять не начнутся колебания. Они уже будут значительно меньше, чем в случае с одним коэффициентом.

«Д» подобрать сложнее. Нужно резко (импульсно) менять заданную температуру и смотреть, чтобы температура паяльник не «перелетала» заданную. Увеличивая Kdgain мы исключим «перелёты».

Как запрограммировать Пид регулятор

Программируется Пид регулятор на удивление просто.

Любой регулятор на языке программирования это функция, которая получает в качестве параметров данные датчиков и возвращает вычисленное значение управляющего воздействия. Сразу приведём пример типичной функции Пид регулятора, а потом разберём как она работает и посмотрим как её использовать в реальном приборе на базе микроконтроллера.

Источник: http://myowndevice.ru/index.php/theory/item/54-pid-regulyator

Регуляторы технологических процессов



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.

Переходный процесс

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

Устойчивый (сходящийся) переходный процесс

Колебательный Апериодический Монотонный

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

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.

Что такое ПИД регулятор для чайников?

Дифференциальный пропорционально-интегральный регулятор — устройство, которое устанавливают в автоматизированных системах для поддержания заданного параметра, способного к изменениям.

На первый взгляд все запутанно, но можно объяснить ПИД регулирование и для чайников, т.е. людей, не совсем знакомых с электронными системами и приборами.

Что такое ПИД регулятор?

ПИД регулятор — прибор, встроенный в управляющий контур, с обязательной обратной связью. Он предназначен для поддержания установленных уровней задаваемых величин, например, температуры воздуха.

Устройство подает управляющий или выходной сигнал на устройство регулирования, на основании полученных данных от датчиков или сенсоров. Контроллеры обладают высокими показателями точности переходных процессов и качеством выполнения поставленной задачи.

Три коэффициента ПИД регулятора и принцип работы

Работа ПИД-регулятора заключается в подаче выходного сигнала о силе мощности, необходимой для поддержания регулируемого параметра на заданном уровне. Для вычисления показателя используют сложную математическую формулу, в составе которой есть 3 коэффициента — пропорциональный, интегральный, дифференциальный.

Возьмем в качестве объекта регулирования ёмкость с водой, в которой необходимо поддерживать температуру на заданном уровне с помощью регулирования степени открытия клапана с паром.

Пропорциональная составляющая появляется в момент рассогласования с вводными данными. Простыми словами это звучит так — берется разница между фактической температурой и желаемой, умножается на настраиваемый коэффициент и получается выходной сигнал, который должен подаваться на клапан. Т.е. как только градусы упали, запускается процесс нагрева, поднялись выше желаемой отметки — происходит выключение или даже охлаждение.

Дальше вступает интегральная составляющая, которая предназначена для того, чтобы компенсировать воздействие окружающей среды или других возмущающих воздействий на поддержание нашей температуры на заданном уровне.

Поскольку всегда присутствуют дополнительные факторы, влияющие на управляемые приборы, в момент поступления данных для вычисления пропорциональной составляющей, цифра уже меняется.

И чем больше внешнее воздействие, тем сильнее происходят колебания показателя. Происходят скачки подаваемой мощности.

Источник: https://odinelectric.ru/knowledgebase/chto-takoe-pid-regulyator-dlya-chajnikov

Тау для самых маленьких: пример реализации пид-регулятора в unity3d

Системы автоматического управления (САУ) предназначены для автоматического изменения одного или нескольких параметров объекта управления с целью установления требуемого режима его работы. САУ обеспечивает поддержание постоянства заданных значений регулируемых параметров или их изменение по заданному закону либо оптимизирует определенные критерии качества управления. Например, к таким системам относятся:

  • системы стабилизации,
  • системы программного управления,
  • следящие системы

Это достаточно широкий класс систем, которые можно найти где угодно.

Но какое это отношение имеет к Unity3D и вероятно к играм в частности? В принципе прямое: в любой игре так или иначе использующей симуляцию как элемент геймплея реализуются САУ, к таким играм относятся, например, Kerbal Space Programm, Digital Combat Simulator (бывший Lock On), Strike Suit Zero и т.д. (кто знает еще примеры — пишите в комментариях).

В принципе любая игра, моделирующая реальные физические процессы, в том числе и просто кинематику с динамикой движения, может реализовывать те или иные САУ — этот подход проще, естественнее, а у разработчика уже есть есть набор готовых инструментов, предоставленных всякими Вышнеградскими, Ляпуновыми, Калманами, Чебышевами и прочими Коломогоровами, поэтому можно обойтись без изобретения велосипеда, т.к. его уже изобрели, да так, что получилась отдельная наука: Теория автоматического управления. Главное тут не переусердствовать. Одна тут только проблема: рассказывают про ТАУ не везде, не всем, зачастую мало и не очень понятно.

Немножко теории

Классическая система автоматического управления представленная на следующем рисунке:

Ключевым элементом любой САУ является регулятор представляющий из себя устройство, которое следит за состоянием объекта управления и обеспечивает требуемый закон управления.

Процесс управления включает в себя: вычисление ошибки управления или сигнала рассогласования e(t) как разницы между желаемой уставкой (set point или SP) и текущей величиной процесса (process value илиPV), после чего регулятор вырабатывает управляющие сигналы (manipulated value или MV).

Одной из разновидностью регуляторов является пропорционально-интегрально-дифференцирующий (ПИД) регулятор, который формирует управляющий сигнал, являющийся суммой трёх слагаемых: пропорционального, интегрального и дифференциального.

Где, ошибка рассогласования, а также, — пропорциональная, — интегральная, — дифференциальная составляющие (термы) закона управления, который в итоговом виде описывается следующими формулами

Пропорциональная составляющая P — отвечает за т.н. пропорциональное управление, смысл которого в том, что выходной сигнал регулятора, противодействует отклонению регулируемой величины (ошибки рассогласования или еще это называют невязкой) от заданного значения. Чем больше ошибка рассогласования, тем больше командное отклонение регулятора.

Это самый простой и очевидный закон управления. Недостаток пропорционального закона управления заключается в том, что регулятор никогда не стабилизируется в заданном значении, а увеличение коэффициента пропорциональности всегда приводит к автоколебаниям.

Именно поэтому в довесок к пропорциональному закону управления приходиться использовать интегральный и дифференциальный.

Интегральная составляющая I накапливает (интегрирует) ошибку регулирования, что позволяет ПИД-регулятору устранять статическую ошибку (установившуюся ошибку, остаточное рассогласование).

Или другими словами: интегральное звено всегда вносит некоторое смещение и если система подвержена некоторыми постоянным ошибкам, то оно их компенсирует (за счет своего смещения). А вот если же этих ошибок нет или они пренебрежительно малы, то эффект будет обратным — интегральная составляющая сама будет вносить ошибку смещения.

Именно по этой причине её не используют, например, в задачах сверхточного позиционирования. Ключевым недостатком интегрального закона управления является эффект насыщения интегратора (Integrator windup).

Дифференциальная составляющая D пропорциональна темпу изменения отклонения регулируемой величины и предназначена для противодействия отклонениям от целевого значения, которые прогнозируются в будущем.

Примечательно то, что дифференциальная компонента устраняет затухающие колебания. Дифференциальное регулирование особенно эффективно для процессов, которые имеют большие запаздывания.

Недостатком дифференциального закона управления является его неустойчивость к воздействую шумов (Differentiation noise).

Таким образом, в зависимости от ситуации могут применятся П-, ПД-, ПИ- и ПИД-регуляторы, но основным законом управления в основном является пропорциональный (хотя в некоторых специфических задачах и могут использоваться исключительно только звенья дифференциаторов и интеграторов).

Казалось бы, вопрос реализации ПИД-регуляторов уже давно избит и здесь на Хабре есть парочка неплохих статей на эту тему в том числе и на Unity3D, также есть неплохая статья PID Without a PhD (перевод) и цикл статей в журнале «Современные технологии автоматизации» в двух частях: первая и вторая. Также к вашим услугам статья на Википедии (наиболее полную читайте в английском варианте). А на форумах коммьюнити Unity3D нет-нет, да и всплывет PID controller как и на gamedev.stackexchange

При вопрос по реализации ПИД-регуляторов несколько глубже чем и кажется. Настолько, что юных самоделкиных, решивших, реализовать такую схему регулирования ждет немало открытий чудных, а тема актуальная. Так что надеюсь сей опус, кому-нибудь да пригодиться, поэтому приступим.

Попытка номер раз

В качестве примера попытаемся реализовать схему регулирования на примере управления поворотом в простенькой космической 2D-аркаде, по шагам, начиная с самого начала (не забыли, что это туториал?).

Почему не 3D? Потому что реализация не измениться, за исключением того, что придется воротить ПИД-регулятор для контроля тангажа, рысканья и крена. Хотя вопрос корректного применения ПИД-регулирования вместе с кватернионами действительно интересный, возможно в будущем его и освящу, но даже в NASA предпочитают углы Эйлера вместо кватернионов, так что обойдемся простенькой моделью на двухмерной плоскости.

Для начала создадим сам объект игровой объект космического корабля, который будет состоять из собственно самого объекта корабля на верхнем уровне иерархии, прикрепим к нему дочерний объект Engine (чисто спецэффектов ради). Вот как это выглядит у меня:

А на сам объект космического корабля накидаем в инспекторе всяческих компонент. Забегая вперед, приведу скрин того, как он будет выглядеть в конце:

Но это потом, а пока в нем еще нет никаких скриптов, только стандартный джентльменский набор: Sprite Render, RigidBody2D, Polygon Collider, Audio Source (зачем?).

Собственно физика у нас сейчас самое главное и управление будет осуществляться исключительно через неё, в противном случае, применение ПИД-регулятора потеряло бы смысл. Масса нашего космического корабля оставим также в 1 кг, а все коэффициенты трения и гравитации равны нулю — в космосе же.

Т.к. помимо самого космического корабля есть куча других, менее умных космических объектов, то сначала опишем родительский класс BaseBody, который в себе будет содержать ссылки на на наши компоненты, методы инициализации и уничтожения, а также ряд дополнительных полей и методов, например для реализации небесной механики:

BaseBody.cs

Источник: https://habr.com/ru/post/345972/

ПИД-регулятор: подробно простым языком

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.

Источник: http://kipiavp.ru/pribori/pid-regulyator.html

Упрощение процесса настройки ПИД-регулятора

Настройка ПИД-регулятора на первый взгляд кажется простой операцией, ведь требуется определить значения всего трех коэффициентов усиления: пропорциональной, интегральной и дифференциальной составляющих. Но на практике определение набора коэффициентов усиления, обеспечивающих наилучшую работу замкнутой системы, представляет собой сложную задачу.

Традиционно ПИД-регуляторы настраивают вручную или с помощью формализованных итеративных процедур. Ручные методы отнимают много времени, а если они применяются к реальному оборудованию, то возможно его повреждение. Формализованные итеративные процедуры не всегда совместимы с неустойчивыми объектами, объектами высокого порядка, а также с объектами с малой постоянной времени.

При работе с ПИД-регулятором также необходимо решать такие задачи проектирования, как дискретизация по времени и масштабирование для арифметики с фиксированной точкой.

Четырехзвенный шарнирный механизм: синтез системы управления

Четырехзвенный шарнирный механизм (рис. 1) имеет широкий спектр применения. Например, он используется в подвеске автомобилей, исполнительных механизмах роботов и шасси самолетов.
Система управления состоит из двух контуров: контура прямой связи и ПИД-регулятора в контуре управления обратной связи.

Регулятор управления прямой связи инвертирует динамику объекта — он обрабатывает основное движение механизма, учитывая нелинейные характеристики. ПИД-регулятор в контуре обратной связи минимизирует ошибки позиционирования с учетом погрешностей моделирования и внешних возмущений.

В этой статье основное внимание уделяется разработке ПИД-регулятора в контуре управления с обратной связью.

Рис. 1. Четырехзвенный шарнирный механизм (неподвижный нижний рычаг выделен синим цветом)

При наличии расхождения между желаемым и фактическим углом поворота одного из рычагов ПИД-регулятор получает сигнал ошибки и формирует корректирующее управление крутящим моментом (рис. 2).

Это корректирующее управление суммируется с заданием по крутящему моменту, формируемым регулятором прямой связи, и суммарный сигнал используется для управления электродвигателем постоянного тока, который вращает шарнир, соединяющий рычаги. Регулятор должен стабилизировать работу объекта. Он также должен обеспечить малое время отклика и небольшое перерегулирование.

Поскольку регулятор будет реализован в 16-разрядном процессоре для обработки данных в арифметике с фиксированной точкой, необходимо применять дискретизацию по времени, а коэффициенты усиления и рассчитываемые сигналы должны иметь соответствующие диапазоны значений.

Рис. 2. Архитектура регулятора четырехзвенного шарнирного механизма

Синтез замкнутой системы и настройка регулятора

Состоящая из четырех рычагов модель механизма моделируется в SimMechanics, а двигатель постоянного тока моделируется в SimElectronics. Для создания архитектуры регулятора, показанной на рис. 2, следует добавить блок ПИД-регулятора с дискретизацией по времени из библиотеки Simulink Discrete. Теперь, когда система управления с обратной связью создана, можно перейти к настройке регулятора.

Для этого требуется открыть диалоговое окно блока PID Controller («ПИД-регулятор»), указать период дискретизации и нажать кнопку Tune («Настройка»). Откроется окно PID Tuner (рис. 3).

Рис. 3. Окно настройки PID Tuner, открытое с помощью диалогового окна блока

Интерфейс настройки Simulink Control Design линеаризует объект в текущей рабочей точке и строит линейную модель объекта с постоянными параметрами (LTI), с которой взаимодействует блок ПИД-регулятора в замкнутом контуре управления.

Вычислительная задержка, связанная с дискретизацией сигнала, учитывается автоматически. Используя метод автоматической настройки, интерфейс Simulink Control Design вычисляет первоначальные коэффициенты усиления ПИД-регулятора.

Этот метод не накладывает никаких ограничений на порядок объекта или постоянную времени, причем он работает в областях как непрерывного, так и дискретного времени.

Рис. 4. Первоначальные параметры, рассчитанные PID Tuner

На рис. 4 показана реакция на ступенчатое воздействие в рабочей точке замкнутой системы с первоначальными коэффициентами ПИД-регулятора.

Если регулятор работает удовлетворительно, следует нажать кнопку Apply («Применить»), чтобы обновить значения коэффициентов усиления P, I, D и N в диалоговом окне блока PID Controller («ПИД-регулятор»).

Затем можно проверить работу системы, моделируя нелинейности и контролируя результаты (рис. 5). Также можно произвести настройку в интерактивном режиме с помощью ползунка, увеличивая или понижая быстродействие регулятора (рис. 4).

Рис. 5. Результаты моделирования модели четырехзвенного шарнирного механизма

Подготовка к реализации

Для подготовки к реализации в 16-разрядном микропроцессоре регулятор масштабируют для расчета в арифметике с фиксированной точкой, которая поддерживается процессором.

Источник: https://www.controlengrussia.com/programmnye-sredstva/uproshhenie-protsessa-nastrojki-pid-regulyatora/

Управление клапанами и задвижками (МЭО) в системах регулирования технологического процесса

Обратите внимание так же внимание на статьи:

Оперативный контроль со смартфонов и планшетов за работой оборудования на базе приборов ASCON TECNOLOGIC
ПИД регулятор и управление температурой при использовании дискретного клапана
ASCON TECNOLOGIC: Решения для управления горелками
Каскадное регулирование с контроллерами KUBE
Особенности обслуживания тепловых систем: по состоянию и предиктивно 

В различных отраслях используются регулирующие клапаны управления температурой, влажностью, давлением, уровнем, концентрацией, весом и т.п., путем изменения расходов жидкостей, газов или сыпучих материалов. В данной статье рассматриваются автономные приборы (регуляторы, контроллеры) и их особенности, предназначенные для подобного типа управления.

Примеры процессов в которых используется управление клапанами и задвижками (МЭО)

Для понимания о каких процессах идет речь приведем примеры: I. При необходимости поддержания заданной температуры путем: ·         управления расходом теплоносителя через теплообменник в системах отопления и ГВС ЖКХ, в тепловых насосах, ·         пастеризаторах пищевых продуктов и т.п.

; ·         управления расходом хладагента в холодильных машинах и кондиционерах; ·         управления пламенем горелки в печах, бойлерах, системах производства CO2 и т.д.; ·         смешивания холодной и горячей воды. II. При необходимости поддержания заданной влажности: ·         управление подачей пара для варочных шкафов для мясоперерабатывающей промышленности. III.

При необходимости поддержания заданного давления: ·         управление перепадом давления на фильтрах в пищевых и химических процессах; ·         поддержание заданного давления в емкости с газированным напитком перед установкой розлива; IV. При необходимости обеспечения заданной концентрации путем: ·         управления подачей материала в емкость смешивания\разведения; V.

При необходимости обеспечение равномерной массовой подачи материала:

·         управлением подачей сыпучего материала из накопительного бункера на подающий конвейер\шнек.

Особенности управления клапанами и задвижками (МЭО)

Примеры общего вида клапанов и задвижек При управлении клапаном важно определится с типом управляющего сигнала и наличием обратной связи с клапана по его положению.  Наиболее распространёнными типами сигналов для управления клапанами являются: аналоговые (0..10 В, 0\4..20 мА) и релейные дискретные (2 сигнала: открыть\больше и закрыть\меньше).

Удобством аналогово управления является прямая зависимость открытия клапана от сигнала задания, тогда как при управлении дискретными сигналами регулятор\контроллер производит расчет процента открытия исходя из данных о времени подачи дискретных сигналов и времени полного открытия клапана. Так же клапаны с аналоговым управлением сигналом могут закрывать при пропадании сигнала, то очень важно в ряде процессов.

Но не смотря на плюсы аналогового управления, клапаны и задвижки (МЭО) с дискретным управлением остаются ощутимо дешевле, что сказывается на их распространенности.
Варианты управления положением: дискретными сигналами или аналоговым сигналом Для повышения точности управления открытием часто используется обратная связь по положению с сигналам 0\4..20 мА или, в более бюджетном варианте, потенциометрическим сигналом в диапазоне от 100 до 10 000 Ом.

Контроллер-регулятор KX6 с обратной связью по положению клапана Для управления клапанами используется алгоритмы на основе классического ПИД регулятора, дополненные рядом важных функций: 

  • В первую очередь используемый ПИД алгоритм должен обладать защитой от насыщения интегратора, возникающего в классическом алгоритме при длительном выходе на заданную величину с максимальным выходным управляющем сигналом и приводящему к существенному перерегулированию.
  • Во-вторых, интегратор должен быть защищен от проблемы «холостого хода» связанного с конечной точностью цифро-аналогово преобразователя управляющего сигнала, и может приводить к статической ошибке.
  • В-третьих, алгоритм должен обеспечивать плавный переходный режим между ручным управление (прямым заданием открытия) к автоматическому.

Компания ASCON TECNOLOGIC (образована объединением компаний ASCON и TECNOLOGIC) выпускает приборы для управления клапанами с 80-х годов прошлого века: начав с серии XM и продолжив с сериями XP в 90-х, с X3, X5, Q3, Q5 в 2000-х и линейкой регуляторов KUBE (K_3, K_5P, KX6).

Варианты исполнения контроллеров-регуляторов KUBE

В серии K_3 регуляторы представлены в четырех видах исполнения корпуса: три в панельном исполнении формата 78×35 – KR3, 48х48 – KM3, 48х96 – KX3 и один для монтажа на DIN-рейку в шкафах KRD3.

В независимости от исполнения корпуса все модели имеют универсальный аналоговый вход (J, K, R, S, T, PT100, PT100, мВ, мА, В) или (J, K, R, S, T, NTC, PTC, мВ, мА, В), 1 дискретный вход для переключения режимов работы регулятора и 1 конфигурируемый вход\выход, так же он может быть использован для питания датчиков с преобразователями 4..20 мА. Экраны регуляторов высококонтрастные цветные. На экране отображаются две величины: измеренное значение (три цвета на выбор для отображения) и вторая величина, по умолчанию задание в автоматическом режиме работы. У моделей с KX3 так же есть дополнительная полоса (горизонтальный барограф), по умолчанию настроенный на отображение выходной величины регулятора\ расчетного открытия клапана.

Диаграмма поясняющая логику изменения цвета экрана KUBE В зависимости от конфигурации предусмотрено два типа (L и H) питания регуляторов 24 В~/= (±10%) или 100 240 В~/= (-15 +10%). Три дополнительных выхода могут следующих типов:

Источник: https://www.cospa.ru/news/publications/upravlenie-klapanami-i-zadvizhkami-meo-v-systemah-regulirovaniya-tekhnologicheskogo-protsessa/

Как управлять ПИД-регулятором на CoDeSyS?

Многие процессы в автоматизации (например порошковая покраска, изготовление выпечки, поддержание давления в трубопроводе) требуют точного регулирования физического параметра. С такими задачами хорошо справляется библиотека CoDeSyS ПИД регулятор. Эта тема довольно сложная, многогранная. Целые институты занимаются разработкой таких сложных и многоуровневых алгоритмов.

Из этой статьи вы узнаете:

Как работает ПИД-регулятор?
Описание библиотеки для CoDeSyS
Рабочая схема ПИД-регулятора

Приветствую посетителей моего блога! В сегодняшней статье я отвечу на вопрос — как работает ПИД-регулирование, для чего это нужно и как его использовать на практике

Как работает ПИД-регулятор?

Начнём с теории. Пропорционально-интегрально-дифференциальный (ПИД) регулятор — прибор в управляющем контуре с обратной связью. Устройство, формирующий сигнал с целью достижения высокого качества и точности переходного процесса в системе. Наиболее эффективный вид регулятора для обеспечения высокой точности параметра(температуры, длины, давления).

Существует специальная формула для формирования сигнала

Ниже приведена таблица составляющих формулы:

Давайте поговорим о параметрах, которые непосредственно участвуют в процессе работы регулятора:

Хр — полоса пропорциональности. В общих чертах, чем шире Хр, тем меньше величина Y при одном и том же E. То есть чем больше Хр, тем короче импульсы.

Ти — интегральная составляющая. Эта величина позволяет выдавать сигнал в зависимости от накопленной ошибки ( или от накопленного отклонения Е). Чем выше параметр, тем он реже и меньше выдаёт сигнал при рассогласовании Е. Это для того, чтобы сигнал не раскачивал систему и не совершал перерегулирование.

Тд — дифференциальная составляющая. Эта величина позволяет выдавать сигнал Y, при дополнительных резких возмущениях в системе. по — русски говоря, этот параметр срабатывает, когда нужно быстро среагировать на возмущающие воздействия. Естественно, чем он больше, тем длиннее импульс.

Я думаю с точки зрения теории все понятно. Тогда переходим непосредственно к практике. Для чего и как используется ПИД-регулятор?

Описание библиотеки для CoDeSyS

Я говорил об этом, скажу ещё раз, библиотеки обязательно скачивайте с. С сайта ОВЕН или библиотеки OSCAT. Рекомендую не использовать библиотеки с форумов или с других источников. Пишите лучше сами. Только вы понимаете от начала до конца, как у вас всё работает.

Для задвижек я рекомендую использовать данный функциональный блок, он хорошо зарекомендовал себя, и за всё время работы на реальном объекте у меня не было к нему никаких вопросов. На изображении ниже приведён функциональный блок ПИД-регулятора.

Описание каждого входа и выхода:

Входные значения:

Переменные Тип данных Пояснения
PV REAL Значение измеренного параметра
PV_Time WORD Время замера параметра PV 1\100 c.
SP REAL Уставка регулятора
RAMP BOOL Разрешение быстрого выхода на уставку
DYX REAL Порог включения режима быстрого выхода на уставку, задает величину изменения пользователем уставки, при превышении которой происходит автоматическое включение БВУ
PV_0 REAL Начальное значение регулируемого параметра или значение параметра при нулевой мощности управляющего сигнала
START_ANR BOOL Запуск АНР, возможные значения: 0 или 1.Примечания. 1. Запуск АНР происходит в момент изменения значения параметра с 0 на 1. 2. После завершения АНР значение параметра остается равным 1 и нет необходимости устанавливать значение параметра равное 0. Для следующего запуска АНР необходимо сначала установить 0, затем вновь 1. 3. Остановка АНР происходит при установлении значения 0 и имеет смысл только в процессе АНР.
SYNC BOOL Установка положения задвижки через вход PV. При установке значения TRUE положение задвижки (в диапазоне от 0 до 1) считывается из входа PV и сохраняется во внутренней переменной функционального блока
TVAL REAL Время полного хода исполнительного механизма, в секундах
TLUFT REAL Время выборки люфта исполнительного механизма, в секундах
TIMP REAL Минимальная длительность импульса управляющего сигнала, в секундах
PMAX REAL Максимальная мощность управляющего сигнала, возможные значения: –11
PMIN REAL Минимальная мощность управляющего сигнала, возможные значения: –11. Примечание. При отсутствии физических ограничителей на ИМ (например, концевых переключателей) рекомендуется устанавливать: для «охладителя» PMIN = –1, PMAX = 0, для «нагревателя» PMIN = 0, PMAX = 1. При наличии физических ограничителей на ИМ рекомендуется устанавливать значения PMIN и PMAX, соответствующие крайним возможным положениям ИМ
Y_MANUAL REAL Приращение мощности управляющего сигнала в режиме РУЧНОЕ УПРАВЛЕНИЕ к значению мощности, которая была при включении ручного управления, возможные значения:      –11
Y_MAN_SET BOOL Режим РУЧНОЕ УПРАВЛЕНИЕ, возможные значения: 0 – выключен, 1 – включен.     Примечание. При выключении режима РУЧНОЕ УПРАВЛЕНИЕ (Y_MAN_SET = 0) происходит безударный переход в режим РЕГУЛИРОВАНИЕ, т. е. выдаваемая регулятором мощность управляющего сигнала будет направлена на достижение заданной уставки

Выходные значения:

Переменные Тип данных Пояснения
LESS BOOL Сигнал на закрытие, возможные значения: 0 – выключено, 1 – включено
MORE BOOL Сигнал на открытие, возможные значения: 0 – выключено, 1 – включено
Y REAL Мощность управляющего сигнала в диапазоне PMINPMAX
ANR_WORK BOOL Признак выполнения АНР, возможные значения: 0 – АНР не выполняется,                 1 – АНР выполняется
FAST_DSP BOOL Признак режима быстрого выхода на уставку, возможные значения:  0 – БВУ не выполняется, 1 – БВУ выполняется

Хочу заметить, функциональный блок универсальный. То есть подходит и для дискретных задвижек, и для аналоговых.

Рабочая схема ПИД-регулятора

Возникает сразу же вопрос, а как же на самом деле правильно использовать данную библиотеку, чтобы она правильно функционировала и не глючила?

Предлагаю вам рабочую схему библиотеки ПИД-регулятора:

Источник: https://kip-world.ru/kak-upravlyat-pid-regulyatorom-na-codesys.html

Пид регулирование (часть 1) — преобразователи частоты для асинхронных электродвигателей цены в санкт-петербурге

В технических характеристиках преобразователя частоты часто указана функция «ПИД-регулирование». О назначении этой характеристики мы попытаемся кратко рассказать в нескольких статьях, что бы при покупке частотного преобразователя имелось полное представление о его возможностях.

Из чего состоит система управления?

В задачах управления всегда есть два объекта – управляемый и управляющий. Управляемый объект обычно называют объектом управления или просто объектом, а управляющий объект – регулятором. Например, при управлении частотой вращения с помощью преобразователя частоты объект управления – это двигатель (электромотор, турбина); в задаче стабилизации курса корабля – корабль, погруженный в воду; в задаче поддержания уровня громкости – динамик.

Регуляторы могут быть построены на разных принципах. Самый знаменитый из первых механических регуляторов – центробежный регулятор Уатта для стабилизации частоты вращения паровой турбины (на рисунке справа). Когда частота вращения увеличивается, шарики расходятся из-за увеличения центробежной силы. При этом через систему рычагов немного закрывается заслонка, уменьшая поток пара на турбину.

Регулятор температуры в холодильнике или термостате – это электронная схема, которая включает режим охлаждения (или нагрева), если температура становится выше (или ниже) заданной.

Во многих современных системах регуляторы – это микропроцессорные устройства, компьютеры. Они успешно управляют самолетами и космическими кораблями без участия человека. Современный автомобиль буквально напичкан управляющей электроникой, вплоть до бортовых компьютеров.

Обычно регулятор действует на объект управления не прямо, а через исполнительные механизмы (приводы), которые могут усиливать и преобразовывать сигнал управления, например, электрический сигнал может превращаться в перемещение клапана, регулирующего расход топлива, или в поворот руля на некоторый угол.

Чтобы регулятор мог видеть, что фактически происходит с объектом, нужны датчики. С помощью датчиков чаще всего измеряются те характеристики объекта, которыми нужно управлять. Кроме того, качество управления можно улучшить, если получать дополнительную информацию – измерять внутренние свойства объекта.

Структура системы управления

Итак, в типичную систему управления входят объект, регулятор (например — частотный преобразователь), привод и датчики. Однако, набор этих элементов – еще не система. Для превращения в систему нужны каналы связи, через них идет обмен информацией между элементами. Для передачи информации могут использоваться электрический ток, воздух (пневматические системы), жидкость (гидравлические системы), компьютерные сети.

Взаимосвязанные элементы – это уже система, которая обладает (за счет связей) особыми свойствами, которых нет у отдельных элементов и любой их комбинации.

Основная интрига управления связана с тем, что на объект действует окружающая среда – внешние возмущения, которые мешают регулятору выполнять поставленную задачу. Большинство возмущений заранее непредсказуемы, то есть носят случайный характер.

Кроме того, датчики измеряют параметры не точно, а с некоторой ошибкой, пусть и малой. В этом случае говорят о шумах измерений по аналогии с шумами в радиотехнике, которые искажают сигналы.

Подводя итого, можно нарисовать структурную схему системы управления так:

Например, в системе управления курсом корабля:

  • объект управления – это сам корабль, находящийся в воде; для управления его курсом используется руль, изменяющий направление потока воды;
  • регулятор – цифровая вычислительная машина;
  • привод – рулевое устройство, которое усиливает управляющий электрический сигнал и преобразует его в поворот руля;
  • датчики – измерительная система, определяющая фактический курс;
  • внешние возмущения – это морское волнение и ветер, отклоняющие корабль от заданного курса;
  • шумы измерений – это ошибки датчиков.

Информация в системе управления как бы ходит по кругу: регулятор выдает сигнал управления на привод, который воздействует непосредственно на объект; затем информация об объекте через датчики возвращается обратно к регулятору и все начинается заново. Говорят, что в системе есть обратная связь, то есть регулятор использует информацию о состоянии объекта для выработки управления. Системы с обратной связью называют замкнутыми, поскольку информация передается по замкнутому контуру.

Как работает регулятор?

Регулятор сравнивает задающий сигнал (задание, уставку, желаемое значение) с сигналами обратной связи от датчиков и определяет рассогласование (ошибку управления) – разницу между заданным и фактическим состоянием. Если оно равно нулю, никакого управления не требуется. Если разница есть, регулятор выдает управляющий сигнал, который стремится свести рассогласование к нулю. Поэтому схему регулятора во многих случаях можно нарисовать так:

Такая схема показывает управление по ошибке (или по отклонению). Это значит, что для того, чтобы регулятор начал действовать, нужно, чтобы управляемая величина отклонилась от заданного значения. Блок, обозначенный знаком , находит рассогласование. В простейшем случае в нем из заданного значения вычитается сигнал обратной связи (измеренное значение).

Можно ли управлять объектом так, чтобы не было ошибки? В реальных системах – нет. Прежде всего, из-за внешних воздействий и шумов, которые заранее неизвестны. Кроме того, объекты управления обладают инерционностью, то есть, не могут мгновенно перейти из одного состояния в другое.

Возможности регулятора и приводов (то есть мощность сигнала управления) всегда ограничены, поэтому быстродействие системы управления (скорость перехода на новый режим) также ограничена.

Например, при управлении кораблем угол перекладки руля обычно не превышает 30° — 35°, это ограничивает скорость изменения курса.

Мы рассмотрели вариант, когда обратная связь используется для того, чтобы уменьшить разницу между заданным и фактическим состоянием объекта управления. Такая обратная связь называется отрицательной, потому что сигнал обратной связи вычитается из задающего сигнала.

Может ли быть наоборот? Оказывается, да. В этом случае обратная связь называется положительной, она увеличивает рассогласование, то есть, стремится раскачать систему.

На практике положительная обратная связь применяется, например, в генераторах для поддержания незатухающих электрических колебаний.

Источник: https://www.technowell.ru/info/articles/pid-regulirovanie/

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).

Рисунок 2 — Структурная схема регулятора с аналоговым выходом

где:АР — непрерывный ПИД-регулятор с аналоговым 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)

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.

Рисунок 4 — Структурная схема регулятора с ШИМ выходом

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,

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

Источник: https://automation-system.ru/main/15-regulyator/type-of-control/90-408-p-pi-pid.html

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
220 вольт
Нагревательный элемент стич или тэн что лучше

Закрыть