Программный пид регулятор. Что такое пид-регулятор. Составляющие ПИД регулятора
1. Перевести регулятор в ручной режим, дождаться пока стабилизируется процесс и произвести однократное изменение выходного сигнала (выхода на клапан) X, которое обеспечит приемлемый отклик переменной технологического процесса Y (рисунок.1).
2. После получения отклика вернуться к исходному значению выходного параметра сигнала регулятора. Переменная технологического процесса также должна вернуться к исходному значению. Если различие значительно, повторите попытку отклика.
3. Определить коэффициент усиления процесса (Kp=Y/X), время запаздывания d, и временную константу Т усреднением значений верхнего и нижнего откликов.
4. Рассчитать коэффициенты настройки ПИД регулятора по формулам представленным в таблице 1.
5. Для более устойчивой работы регулятора возможно необходимо будет увеличить временную константу замкнутого контура (E).
Рисунок 1. Отклик процесса на ступенчатое воздействие.
Таблица 1. Формулы вычисления коэффициентов для ПИД регуляторов
Где: Х – значение изменения выходного воздействия (в %);
Y – значение изменения переменной процесса (в % от шкалы);
Kp – коэффициент усиления процесса;
d – время запаздывания реакции процесса (в минутах);
Т – временная константа процесса (в минутах);
E – заданная временная константа замкнутого контура (минуты). Минимально возможное время в течении которого настраиваемый регулятор может привести значение переменной процесса к заданию.
Kp=Y/X
E=T+d
Для более устойчивой работы регулятора значение E нужно увеличить.
При настройке каскадных регуляторов, сначала настраивается ведомый регулятор, затем ведущий регулятор. Причем, временная константа E ведущего регулятора должна быть больше временной константы E ведомого регулятора минимум в 5 раз.
Настройка ПИД регулятора по методу максимального коэффициента усиления (Метод №2).
1. Переключите регулятор в ручной режим работы, когда процесс достаточно стабилен и на установке не ожидается резких отклонений от заданного режима. Установите Td (постоянную дифференцирования регулятора) и K (пропорциональный коэффициент регулятора) в значение равное нулю, а Ti (постоянную интегрирования регулятора) на максимальное значение.
2. Запомните исходное положение клапана на тот случай, если вам потребуется вернуться к нему в процессе настройки. Переключите регулятор в автоматический режим.
3. Постепенно увеличивайте значение пропорционального коэффициента до тех пор, пока не начнутся колебания. Нужно добиться, чтобы колебания были с постоянной амплитудой. Если колебания будут с возрастающей амплитудой, то пропорциональный коэффициент нужно уменьшить. При сильной раскачке необходимо перевести регулятор в ручной режим, выставить запомненное ране в пункте 2 значение выхода на клапан, уменьшить пропорциональный коэффициент и повторить попытку. Когда получатся равномерные колебания, замерьте период колебания tc (время отработки одного полного цикла)(см. рисунок 2). Получившийся пропорциональный коэффициент будет максимальным для данной системы регулирования (Kmax).
4. По полученным tc и Kmax, рассчитать коэффициенты настройки ПИД регулятора по формулам представленным в таблице 2.
Рисунок 2. Определение периода колебаний
Таблица 2.Формулы вычисления коэффициентов для ПИД регуляторов
Общие правила для настройки регуляторов:
Регулятор не будет нормально работать, если клапан почти полностью закрыт или почти полностью открыт.
Настраивать регулятор нужно в той зоне шкалы, предположительно в которой ему предстоит работать.
Не следует использовать воздействие дифференциальной составляющей для регуляторов расхода.
Не следует использовать малые значения интегральной составляющей в регуляторах уровня.
Не следует использовать воздействие дифференциальной составляющей в регуляторах уровня.
После настройки регулятора, необходимо проверить его устойчивость, сменив значение задания на значительную величину. Если будет наблюдаться раскачка, то необходимо уменьшит коэффициент усиления.
Следует помнить о том, что безопасными для устойчивости регулятора, являются большие значения Ti и малые значения Td.
При зашумленных результатах измерений использование дифференциальной составляющей, как правило, невозможно. Ни в коем случае не устанавливайте дифференциальную составляющую, которая превышает интегральную.
При настройке каскадных регуляторов время интегрирования ведущего регулятора должно быть в 4 раза больше чем время интегрирования ведомого регулятора.
Примечание: После настройки регулятора по методу 1 или методу 2, для более точной работы регулятора можно подстроить его коэффициенты опираясь на рисунок 3.
Рисунок 3. Графики для уточнения настройки регулятора.
С дополнительными материалами по настройке ПИД регуляторов Вы можете ознакомиться .
Узнать больше про регуляторы и алгоритмы работы регуляторов Вы можете .
Для закрепления полученных знаний предлагаем Вам воспользоваться программой имитации контуров регулирования
Можно утверждать, что наибольшее быстродействие обеспечивает П-закон , - исходя из соотношения tp / T d .
Однако, если коэффициент усиления П-регулятора Кр мал (чаще всего это наблюдается в с запаздыванием), то такой не обеспечивает высокой точности регулирования, т.к. в этом случае велика величина .
Если Кр > 10, то П-регулятор приемлем, а если Если Кр < 10, то требуется введение в закон управления составляющей.
ПИ-закон регулирования
Наиболее распространенным на практике является ПИ-регулятор, который обладает следующими достоинствами:
- Обеспечивает нулевую регулирования.
- Достаточно прост в настройке, т.к. настраиваются только два параметра, а именно коэффициент усиления Кр и постоянная времени интегрирования Ti. В таком регуляторе имеется возможность оптимизации величины отношения Кр/Ti-min, что обеспечивает управление с минимально возможной среднеквадратичной регулирования.
- Малая чувствительность к шумам в измерения (в отличие от ПИД-регулятора).
ПИД-закон регулирования
Для наиболее ответственных контуров регулирования можно рекомендовать использование , обеспечивающего наиболее высокое быстродействие в системе.
Однако следует учитывать, что это выполняется только при его оптимальных настройках (настраиваются три параметра).
С увеличением запаздывания в системе резко возрастают отрицательные фазовые сдвиги, что снижает эффект действия дифференциальной составляющей регулятора. Поэтому качество ПИД-регулятора для систем с большим запаздыванием становится сравнимо с качеством работы ПИ-регулятора.
Кроме этого, наличие шумов в канале измерения в системе с ПИД-регулятором приводит к значительным случайным колебаниям управляющего сигнала регулятора, что увеличивает дисперсию ошибки регулирования и износ механизма.
Таким образом, ПИД-регулятор следует выбирать для систем регулирования, с относительно малым уровнем шумов и величиной запаздывания в управления. Примерами таких систем является системы регулирования температуры.
П-регулятор - Это регулятор, у которого μ пропорционально σ, т.е.μ = – Кσ.
При скачке входной величины σ на значение (–10ºС) затвор регулирующего органа переходит в новое μ - положение скачком (рис.2.10).
Рис.2.10. Закон регулирования П-регулятора.
Достоинство такого регулирования: регулирующий орган быстро перемещается на новое положение, т.е. высокая скорость регулирования (t – время).
Недостаток: имеет место остаточное отклонение, т.е. имеет место некоторая ошибка регулирования.
И-регулятор Это регулятор, у которого μ пропорционально интегралу σ
При скачке входной величины на значение (–10ºС) затвор регулирующего органа медленно переходит в новое положение (рис.2.11).
Рис.2.11. Закон регулирования И-регулятора.
Достоинство:отсутствие остаточного отклонения регулируемого параметра от зад-го знч-я.
Недостаток: низкая скорость рег-я, т.е. затвор в новое положение перемещается медленно.
ПИ-регулятор – это параллельное соединение предыдущих двух регуляторов (П и И - регуляторов). Этот регулятор сочетает положительные моменты П и И -регуляторов. У ПИ-регулятора (рис.2.12) регулирующее воздействие μ перемещает затвор пропорционально отклонению параметра σ и интегралу отклонения σ.
Где: К, Т и – параметры настройки регулятора. Как видим, формула данного закона – это сумма двух предыдущих формул. Затвор регулирующего органа часть пути пройдет скачком по П-закону, а оставшуюся часть – медленно по И - закону.
Рис.2.12. Закон регулирования ПИ-регулятора
Регуляторы с предварением
ПД-регулятор - это такой регулятор (рис.2.13), у которого выходной сигнал μ пропорционален входному сигналу σ и производной dσ/dt, т.е..
Рис.2.13. Закон регулирования ПД-регулятора.
Производная dσ/dt характеризует тенденцию изменения (отклонения) регулируемой величины. Величина и знак воздействия от производной позволяют регулятору как бы предвидеть в какую сторону и на сколько отклонилась бы регулируемая величина под действием данного возмущения. Это предвидение позволяет регулятору предварять своим воздействием возможное отклонение регулируемой величины. В результате процесс регулирования завершается в более короткое время.
Сначала затвор скачком переходит из точки а в точку в (П – закон), т.е. больше чем надо, затем отскакивает назад в точку б (дифференциальное действие), и остаётся в этом положении.
ПИД-регулятор .
У него 3 родителя: П-регулятор, И-регулятор, ПД-регулятор. Соответственно складываются 3 формулы (рис.2.14.)
.
Здесь: К, Т и, Т д – параметры настройки, которые можно настроить вручную.
Рис.2.14. Закон регулирования ПИД-регулятора.
ПИД - закон используется во всех контроллерах. Сначала затвор скачком переходит из точки а в точку в (П – закон), т.е. больше чем надо, затем отскакивает назад в точку б (дифференциальное действие), а далее затвор медленно перемещается в конечное положение (И – закон). В результате процесс регулирования завершается в более короткое время и с меньшей погрешностью регулирования.
Общие сведения
Обычно, при использовании пропорционально-интегрально-дифференциального или ПИД- (PID- Proportional-Integral-Derivative) регулятора и грамотной его настройке, достигается лучшая точность управления по сравнению с двухпозиционным (релейным) регулятором. Но для оптимальной настройки регулятора и, как следствие, получение желаемого качества управления, необходимо понимание механизмов и принципов работы ПИД-регулятора.
При ПИД-регулировании сигнал управления зависит не только от разницы между текущим и заданным значением (величины ошибки или рассогласования), а также от накопленной ошибки (интеграла) и от скорости изменения ошибки во времени (дифференциала). В результате ПИД-регулятор обеспечивает такое значение сигнала управления, при котором ошибка в установившемся режиме стремится к нулю. Качество управления определяется многими факторами, ключевыми являются недетерминированность объекта управления, точность ввода-вывода регулятора и интенсивность внешних воздействий.
Где:
Xp - полоса пропорциональности
Ei = (SP-PV) = (уставка-тек) = ошибка (рассогласование)
Тд - постоянная времени дифференцирования
∆Ei - разность ошибок соседних измерений (Ei - Ei-1)
∆tизм - время между соседними измерениями (ti - t i-1)
Ти - постоянная времени интегрирования
- Накопленная к i-ому шагу сумма рассогласований (интегральная сумма)
Легко заметить, что сигнал управления является суммой трех составляющих: пропорциональной (слагаемое 1), дифференциальной (слагаемое 2), и интегральной (слагаемое 3).
Пропорциональная составляющая зависит от текущей ошибки Ei и компенсирует текущую ошибку пропорционально ее величине.
Дифференциальная составляющая зависит от скорости изменения ошибки ∆Ei / ∆tизм и компенсирует резкие возмущения.
Интегральная составляющая накапливает ошибку регулирования, что позволяет ПИД-регулятору поддерживать нулевую ошибку в установившемся режиме (устраняет статическую ошибку управления).
Обычно ПИД-регулятор имеет дополнительные параметры помимо трех коэффициентов (Xp, Ти, Тд). Рассмотрим их более подробно на примере скриншота меню параметров ПИД-регулятора прибора “ ”.
| Рис. 1 |
 |
Каналов (выходов) ПИД-регулирования в приборе может быть несколько и параметры для каждого из них свои собственные. Поэтому выберите желаемый канал в первой графе.
Источником обратной связи с объекта управления (текущая контролируемая величина) может быть любой измерительный канал прибора, поэтому необходимо выбрать желаемый измерительный канал в графе ВЛАДЕЛЕЦ.
ПИД-регулятор может управлять как по закону прямой логики (управление печью), так и по обратному закону (управление хладоустановкой). Выберите желаемую логику работы.
Уставка (SP) - это желаемая величина, на которую регулятор должен выйти в установившемся режиме.
Xp - зона пропорциональности. Задается в единицах контролируемой величины (для терморегулятора в градусах). Зона пропорциональности называется так, потому что только в ней ((SP - Xp)…(SP + Xp)) пропорциональная составляющая ПИД-регулятора может формировать мощность выходного сигнала управления пропорционально ошибке. А за ее пределами мощность будет равна либо 0%, либо 100%. Таким образом, чем уже эта зона, тем быстрее отклик регулятора, но слишком высокое быстродействие может ввести систему в автоколебательный режим.
Ти - постоянная времени интегрирования.
Тд - постоянная времени дифференцирования.
Текущая мощность - это информационный параметр.
Минимальная и максимальная мощность определяют границы мощности выхода ПИД-регулятора.
Аварийная мощность - это такая мощность, которая формируется регулятором при неисправности датчика или измерительного канала. Так можно обеспечить отрицательную температуру холодильной камеры или не дать остыть печи даже при аварийной ситуации.
Последним параметром идет период ШИМ. Этот параметр один для всех ПИД-регуляторов, т.к. каналы ШИМ синхронизированы между собой от одного таймера. ШИМ сигнал позволяет регулировать мощность посредством регулировки скважности сигнала (регулируется ширина импульса при постоянной частоте модуляции). Разрядность ШИМ (число позиций мощности) равна 8192 дискреты (13 бит). Период ШИМ (от 1 мс до 250 сек). Этот параметр зависит от типа и коммутационных способностей силовых исполнительных ключей (м.б. реле, пускатель, твердотельное реле, симистор). Чем выше частота коммутации (чем меньше период) тем больше тепловые потери в ключах (квадратичная зависимость потерь от частоты) и больше износ механических коммутаторов, но лучше качество регулирования. Важно найти золотую середину.
Настройка пропорциональной компоненты (Xp)
Перед настройкой зоны пропорциональности интегральная и дифференциальная компоненты отключаются, постоянная интегрирования устанавливается максимально возможной (Ти = макс), а постоянная дифференцирования минимально возможной (Тд = 0). Устанавливается безопасная величина уставки, равная (0,7…0,9)×SP, где SP - это реальная уставка настраиваемой системы. Зона пропорциональности устанавливается минимально возможной (Xp = 0).
В этом случае регулятор выполняет функции двухпозиционного релейного регулятора с гистерезисом равным нулю. Регистрируется переходная характеристика.
| Рис. 2 |
 |
Тο - начальная температура в системе;
Тsp - заданная температура (уставка);
∆T - размах колебаний температуры;
∆t - период колебаний температуры.
Установить зону пропорциональности равной размаху колебаний температуры: Xp = ∆T. Это значение служит
первым приближением для зоны пропорциональности.
Следует проанализировать переходную характеристики еще раз и при необходимости скорректировать значение зоны пропорциональности. Возможные варианты переходных характеристик показаны на рис. 3.
| Рис. 3 |
 |
Переходная характеристика типа 1: Значение зоны пропорциональности очень мало, переходная характеристика далека от оптимальной. Зону пропорциональности следует значительно увеличить.
Переходная характеристика типа 2: В переходной характеристике наблюдаются затухающие колебания (5 - 6 периодов). Если в дальнейшем предполагается использовать и дифференциальную компоненту ПИД-регулятора, то выбранное значение зоны пропорциональности является оптимальным. Для этого случая настройка зоны пропорциональности считается законченной.
Если в дальнейшем дифференциальная компоненты использоваться не будет, то рекомендуется еще увеличить зону пропорциональности так, чтобы получились переходные характеристики типа 3 или 4.
Переходная характеристика типа 3: В переходной характеристике наблюдаются небольшой выброс (перерегулирование) и быстро затухающие колебания (1 - 2 периода). Этот тип переходной характеристики обеспечивает хорошее быстродействие и быстрый выход на заданную температуру. В большинстве случаев его можно считать оптимальным, если в системе допускаются выбросы (перегревы) при переходе с одной температуры на другую.
Выбросы устраняются дополнительным увеличением зоны пропорциональности так, чтобы получилась переходная характеристика типа 4.
Переходная характеристика типа 4: Температура плавно подходит к установившемуся значению без выбросов и колебаний. Этот тип переходной характеристики также можно считать оптимальным, однако быстродействие регулятора несколько снижено.
Переходная характеристика типа 5: Сильно затянутый подход к установившемуся значению говорит о том, что зона пропорциональности чрезмерно велика. Динамическая и статическая точность регулирования здесь мала.
Следует обратить внимание на два обстоятельства. Во-первых, во всех рассмотренных выше случаях установившееся значение температуры в системе не совпадает со значением уставки. Чем больше зона пропорциональности, тем больше остаточное рассогласование. Во-вторых, длительность переходных процессов тем больше, чем больше зона пропорциональности. Таким образом, нужно стремиться выбирать зону пропорциональности как можно меньше. Вместе с тем, остаточное рассогласование, характерное для чисто пропорциональных регуляторов (П-регуляторов), убирается интегральной компонентой регулятора.
Настройка дифференциальной компоненты (Tд)
Этот этап присутствует только в том случае, если применяется полнофункциональный ПИД-регулятор. Если дифференциальная компонента применяться не будет (используется пропорционально-интегральный (ПИ) регулятор), то следует пропустить этот этап.
На предыдущем этапе была задана зона пропорциональности, соответствующая переходной характеристике типа 2, в которой присутствуют затухающие колебания (см. рис. 3, кривая 2, рис. 4, кривая 1.).
| Рис. 4 |
 |
Следует установить постоянную времени дифференцирования Тд так, чтобы переходная характеристика имела вид кривой 2 на рис. 4. В качестве первого приближения постоянная времени дифференцирования делается равной Тд = 0,2×∆t.
Примечательно то, что дифференциальная компонента устраняет затухающие колебания и делает переходную характеристику, похожей на тип 3 (см. рис. 3). При этом зона пропорциональности меньше, чем для типа 3. Это значит, что динамическая и статическая точность регулирования при наличии дифференциальной компоненты (ПД-регулятор) может быть выше, чем для П-регулятора.
Настройка интегральной компоненты (Ти)
После настройки пропорциональной компоненты (а при необходимости и дифференциальной компоненты) получается переходная характеристика, показанная на следующем рисунке, кривая 1.
| Рис. 5 |
 |
Интегральная компонента предназначена для того, чтобы убрать остаточное рассогласование между установившимся в системе значением температуры и уставкой. Начинать настраивать постоянную времени интегрирования следует с величины Ти = ∆t.
Переходная характеристика типа 2: Получается при чрезмерно большой величине постоянной времени интегрирования. Выход на уставку получается очень затянутым.
Переходная характеристика типа 4: Получается при слишком малой величине постоянной времени интегрирования. Если постоянную времени интегрирования уменьшить еще, то в системе могут возникнуть колебания.
Переходная характеристика типа 3: Оптимальная.
Использованные источники информации
- Сабинин Ю.А. Ковчин С.А. “Теория электропривода”
- Шрейнер Р. Т. “Системы подчиненного регулирования электроприводов”
- Олссон, Пиани “Цифровые системы автоматизации и управления”
- Материалы сайта www.asu-tp.org
Сегодняшняя статья будет посвящена такой замечательной вещи, как . По определению, пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор - устройство в цепи обратной связи, используемое в системах автоматического управления для поддержания заданного значения измеряемого параметра. Чаще всего можно встретить примеры, где ПИД-регулятор используется для регулировки температуры, и, на мой взгляд, этот пример прекрасно подходит для изучения теории и понимания принципа работы регулятора. Поэтому именно задачу регулировки температуры и будем сегодня рассматривать.
Итак, что у нас имеется?
Во-первых, объект, температуру которого необходимо поддерживать на заданном уровне, кроме того, эту температуру необходимо регулировать извне. Во-вторых, наше устройство на базе микроконтроллера, с помощью которого мы и будем решать поставленную задачу. Кроме того, у нас есть измеритель температуры (он сообщит контроллеру текущую температуру) и какое-нибудь устройство для управления мощностью нагревателя. Ну и поскольку необходимо как-то задавать температуру, подключим микроконтроллер к ПК.
Таким образом, у нас есть входные данные – текущая температура и температура, до которой необходимо нагреть/остудить объект, а на выходе мы должны получить значение мощности, которое необходимо передать на нагревательный элемент.
И для такой задачи, да и вообще любой похожей задачи, отличным решением будет использование пропорционально-интегрально-дифференциального регулятора 😉
Пропорциональная составляющая.
Здесь все просто, берем значение нужной нам температуры (уставку) и вычитаем из него значение текущей температуры. Получаем рассогласование (невязку). Умножаем полученную невязку на коэффициент и получаем значение мощности, которое и передаем на нагреватель. Вот и все) Но при использовании только пропорциональной составляющей есть два больших минуса – во-первых, эффект от нашего воздействия наступает не моментально, а с запаздыванием, и, во-вторых, пропорциональная составляющая никак не учитывает воздействие окружающей среды на объект. Например, когда мы добились того, чтобы температуры объекта была равна нужному нам значению, невязка стала равна нулю, а вместе с ней и выдаваемая мощность стала нулевой. Но температура не может просто так оставаться постоянной, поскольку происходит теплообмен с окружающей средой и объект охлаждается. Таким образом, при использовании только пропорциональной составляющей температура будет колебаться около нужного нам значения.
Давайте разбираться, как ПИД-регулятор решает две выявленные проблемы)
Для решения первой используется дифференциальная составляющая . Она противодействует предполагаемым отклонениям регулируемой величины, которые могут произойти в будущем. Каким образом? Сейчас разберемся!
Итак, пусть у нас текущая температура меньше нужного нам значения. Пропорциональная составляющая начинает выдавать мощность и нагревать объект. Дифференциальная составляющая вносит свой вклад в мощность и представляет из себя производную невязки, взятую также с определенным коэффициентом. Температура растет и приближается к нужному значению, а следовательно невязка в предыдущий момент больше текущего значения невязки, а производная отрицательная. Таким образом, дифференциальная составляющая начинает постепенно снижать мощность до того, как температура достигла необходимого значения. С этим вроде разобрались, вспоминаем про вторую проблему регулятора 😉
А с ней нам поможет справиться интегральная составляющая . Как нам в программе получить интеграл? А легко – просто суммированием (накоплением) значений невязки, на то он и интеграл) Возвращаемся к нашему примеру. Температура ниже значения уставки, начинаем подогревать. Пока мы нагреваем, значение невязки положительное и накапливается в интегральной составляющей. Когда температура “дошла” до нужного нам значения, пропорциональная и дифференциальная составляющая стали равны нулю, а интегральная перестала изменяться, но ее значение не стало равным нулю. Таким образом, благодаря накопленному интегралу мы продолжаем выдавать мощность и нагреватель поддерживает нужную нам температуру, не давая объекту охлаждаться. Вот так вот просто и эффективно =)
В итоге мы получаем следующую формулу ПИД-регулятора:
Тут u(t) – искомое выходное воздействие, а e(t) – значение невязки.
Частенько формулу преображают к следующему виду, но суть от этого не меняется:
Пожалуй, на этом закончим, разобрались мы сегодня как работает ПИД-регулятор, а в ближайшее время разберемся еще и как произвести подбор коэффициентов ПИД-регулятора)
