3 Строение pid - контроллера

Наиболее часто в задачах АСУ ТП применяются пропорционально-интегрально-дифференциальный (ПИД) контроллер.

При прочих равных условиях пропорционально-интегрально-дифференциальные или ПИД- (PID - Proportional-Integral-Derivative) контроллеры (регуляторы) позволяют поднять точность управления в 5-100 раз по сравнению с позиционным регулятором. Контроллер  - это функциональная единица, которая состоит  из элемента сравнения  и элемента управления.

При ПИД управлении сигнал управления зависит от разницы между измеренным параметром и заданным значением, от интеграла от разности и от скорости изменения параметров. В результате ПИД контроллер обеспечивает такое состояние исполнительного устройства (промежуточное между включен или выключен), при котором измеренный параметр равен заданному. Поскольку состояние исполнительного устройства стабилизируется,  точность  поддержания параметра в системе повышается в десятки раз. Таким образом, закон регулирования обеспечивает точность.

Tочность поддержания управляемой переменной на заданном значении будет определяться точностью измерения сигнала и интенсивностью внешних воздействий на объект.

 Сигнал управления, который вырабатывает контроллер, определяется тем, насколько велико рассогласование (пропорциональная компонента), насколько долго сохраняется рассогласование (интегральная компонента) и, наконец, как быстро изменяется рассогласование (дифференциальная компонента).

4 PID - управление

PID - управление

ПИД-регулятор относится к наиболее распространенному типу регуляторов. Около 90...95% регуляторов , находящихся в настоящее время в эксплуатации , используют ПИД алгоритм. Причиной столь высокой популярности является простота построения и промышленного использования, ясность функционирования, пригодность для решения большинства практических задач и низкая стоимость. Среди ПИД-регуляторов 64% занимают одноконтурные регуляторы и 36% - многоконтурные. Контроллеры с обратной связью охватывают 85% всех приложений, контроллеры с прямой связью - 6%, контроллеры, соединенные каскадно - 9% .

ПИД-регулятор использует пропорционально-интегрально-дифференциальный закон регулирования. ПИД-регулятор, воплощенный в виде технического устройства, называют ПИД-контроллером. ПИД-контроллер обычно имеет дополнительные сервисные свойства автоматической настройки, сигнализации, самодиагностики, программирования, безударного переключения режимов, дистанционного управления, возможностью работы в промышленной сети и т д.

 После появления дешевых микропроцессоров и аналого-цифровых преобразователей в ПИД-регуляторах используется автоматическая настройка параметров, адаптивные алгоритмы, методы нечеткой логики, генетические алгоритмы. Усложнились структуры регуляторов: появились регуляторы с двумя степенями свободы, с применением принципов разомкнутого управления в сочетании с обратной связью, со встроенной моделью процесса.

 Несмотря на долгую историю развития, остается много проблем в вопросах устранения интегрального насыщения, при регулировании в контурах с гистерезисом, нелинейными объектами и транспортной задержкой; практические реализации ПИД-контроллеров не всегда содержат фильтры, граничная частота фильтра часто выбрана неправильно, чрезмерный шум и внешние возмущения затрудняют настройку параметров. Проблемы усложняются тем, что в современных системах управления динамика часто неизвестна, регулируемые процессы нельзя считать независимыми, измерения сильно зашумлены, нагрузка непостоянна, технологические процессы непрерывны.

 Часть проблем возникает по причине сложности эксплуатации. Во многих ПИД-контроллерах дифференциальная компонента выключена только потому, что ее трудно правильно настроить. Пользователи пренебрегают процедурой калибровки, недостаточно глубокие знания динамики регулируемого процесса не позволяют правильно выбрать параметры регулятора. В результате 30% регуляторов, используемых в промышленности, настроены неправильно. Поэтому основные усилия исследователей в настоящее время сосредоточены на поиске надежных методов автоматической настройки регуляторов, как встроенных в ПИД контроллер, так и функционирующих на отдельном компьютере.

5 PID-алгоритм

В установившемся режиме PID -контроллер воздействует на выходную величину так, чтобы свести ошибку регулирования (е) к нулю. Ошибка регулирования представляет собой разность между заданным значением SP (setpoint) и значением переменной процесса (фактическим значением) – PV (process variable). Принцип PID-регулятора основывается на уравнении, представляющем регулирующее воздействие CV(control variable) как сумму пропорциональной, интегральной и дифференциальной составляющих.

Где е – ошибка регулирования (разность между заданным значением и фактическим значением).

- коэффициент усиления

- регулирующее воздействие в зависимости от времени

- начальное значение регулирующего воздействия.

Р  -пропорциональная составляющая (Р-закон регулирования)

Можно выбрать нужный тип регулятора, устанавливая постоянные параметры на определённое значение.

Рисунок 1. а – входное воздействие; b – Р – регулятор.

Наиболее простым и широко распространенным является такой закон регулирования, при котором входной сигнал регулятора z линейно зависит от входного Dx:

  z= z₀ +kDx                 (1)

где k – коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом передачи регулятора, а z₀ – постоянная составляющая сигнала z.

Как видно из формулы (1), z₀ – это такое значение выходного сигнала регулятора, при котором рассогласование Dx на его выходе равно нулю.

 Закон регулирования, выраженный формулой (1), называется пропорциональным. Сокращенно говорят, что это Р-закон регулирования, а сам регулятор с таким законом регулирования называют пропорциональным или Р-контролером.

Р- контроллер

Блок-схема Р- контроллера

Уравнение Р- контроллера

Рис.  2 Характеристики Р- контроллера