Porozumění PID regulátoru

První úspěšné hodnocení teorie řízení PID bylo prakticky ověřeno v oblasti automatických systémů řízení pro lodě, a to již kolem roku 1920. Poté bylo použito v různých průmyslových automatických řízeních procesů vyžadujících optimalizované a přesné specifikace výrobního výstupu. U výrobních jednotek byl PID populárně implementován pro dosažení přesného pneumatického ovládání a nakonec byla teorie PID použita v elektronických řadičích v moderní době.

Co je PID Controller

Termín PID je zkratka pro proporcionální integrální derivační řadič, což je mechanismus zpětnovazební smyčky, navržený k přesnému ovládání různých průmyslových řídicích strojů a mnoha dalších podobných aplikací, které vyžadují kritické a automatizované řízení modulace.

Aby to bylo možné implementovat, PID regulátor nepřetržitě sleduje činnost systému a vypočítává indukovaný chybový prvek. Poté vyhodnotí tuto okamžitou chybovou hodnotu ve formě rozdílu mezi požadovanou žádanou hodnotou (SP) a měřenou procesní proměnnou (PV).

S odkazem na výše uvedené se provádí okamžitá a automatická korekce zpětné vazby z hlediska proporcionálních (P), integrálních (I) a derivačních (D) výrazů, a tedy názvu PID regulátoru.

Jednoduše řečeno, PID regulátor nepřetržitě monitoruje fungování daného strojního systému a stále koriguje svoji výstupní odezvu v závislosti na variacích způsobených vnějšími vlivy prostřednictvím specifikovaného algoritmu. Zajišťuje tak, že stroj vždy pracuje za stanovených ideálních podmínek.

Porozumění blokovému diagramu PID

PID regulátor je považován za všestranný řídicí systém díky své schopnosti detekovat a spravovat 3 regulační parametry: proporcionální, integrální a derivační a aplikovat zamýšlené optimální řízení na výstup s extrémní přesností, s odkazem na tyto 3 parametry.

Obrázek níže ukazuje blokové schéma PID. Můžeme rychle pochopit základní princip fungování PID odkazem na toto blokové schéma.

obrázek s laskavým svolením: en.wikipedia.org/wiki/File:PID_en.svg

Zde jsme schopni vidět sadu proměnných, jako je e (t) odpovídající chybové hodnotě, r (t) odpovídající cílové žádané hodnotě a y (t) jako měřená procesní proměnná. PID regulátor po celou dobu svého provozu sleduje chybovou hodnotu e (t) vyhodnocením rozdílu mezi zamýšlenou žádanou hodnotou r (t) nebo SP a naměřenou procesní hodnotou y (t) nebo PV a následně provádí korekci zpětné vazby nebo optimalizaci pomocí parametrů a to: proporcionální, integrální a derivační.

Regulátor pokračuje ve snaze snížit účinek chyby v celém rozsahu úpravou regulační proměnné u (t) na nové hodnoty na základě analyzovaného váženého součtu kontrolních výrazů (p, I, d).

Například při provozu ovládání ventilu může být jeho otevírání a zavírání plynule měněno PID prostřednictvím komplexních hodnocení, jak je vysvětleno výše.

V zobrazeném systému lze různé pojmy chápat tak, jak je vysvětleno níže:

P- ovladač:

Termín P je úměrný okamžitým hodnotám chyb e (t) získaným hodnocením výsledku pro SP - PV. V situaci, kdy má chybová hodnota tendenci se zvětšovat, se regulační výstup také proporcionálně zvětší s odkazem na faktor zesílení „K“. Avšak v procesu vyžadujícím kompenzaci, jako je regulace teploty, může proporcionální řízení solitárně vést k nepřesnostem přes nastavenou hodnotu a skutečnou hodnotu procesu, protože bez generování proporcionální odezvy nemůže uspokojivě fungovat bez chybové zpětné vazby. Znamená to, že bez chybové zpětné vazby nemusí být možná správná opravná reakce.

I- Controller:

Termín I se stává odpovědným za dříve vyhodnocené hodnoty chyb SP - PV a integruje je během svého provozního období, aby vytvořil termín I. Například když se aplikuje proporcionální řízení, pokud SP - PV způsobí nějakou chybu, parametr I se aktivuje a pokusí se tuto zbytkovou chybu ukončit. To se skutečně děje s odezvou řízení spuštěnou kvůli kumulativní hodnotě chyby zaznamenané dříve. Jakmile k tomu dojde, přestane se termín I dále vylepšovat. To způsobí, že se proporcionální efekt odpovídajícím způsobem minimalizuje s poklesem chybového faktoru, i když je také kompenzován, jak se vyvíjí integrální efekt.

D- ovladač:

Termín D je nejvhodnější aproximací odvozenou pro vyvíjející se trendy chyby SP - PV, v závislosti na okamžité rychlosti změny faktoru chyby. Pokud se tato rychlost změny rychle zvyšuje, zpětnovazební řízení se implementuje agresivněji a naopak.

Co je ladění PID

Výše uvedené parametry mohou vyžadovat správné vyvážení, aby byla zajištěna optimální funkce řízení, čehož je dosaženo procesem zvaným „ladění smyčky“. Příslušné ladicí konstanty jsou označeny jako „K“, jak je znázorněno v následujících dedukcích. Každá z těchto konstant musí být pro vybranou aplikaci individuálně odvozena, protože konstanty striktně závisí a liší se podle charakteristik a vlivů konkrétních externích parametrů zapojených do smyčky. Mezi ně může patřit odezva senzorů použitých pro měření daného parametru, konečný škrticí prvek, jako je regulační ventil, možný časový interval v signálu smyčky a samotný proces atd.

Může být přijatelné použít přibližné hodnoty pro konstanty na začátku implementace na základě typu aplikace, ale to může nakonec vyžadovat nějaké vážné jemné doladění a doladění praktickým experimentováním, vynucením změn v nastavených hodnotách a následným pozorováním reakce ovládání systému.

Ať už jde o matematický model, nebo o praktickou smyčku, oba lze vidět při použití „přímé“ kontrolní akce pro zadané výrazy. To znamená, když je detekováno zvýšení kladné chyby, je zahájena příslušně zvýšená pozitivní kontrola, aby se kontrolovala situace pro sečtené zahrnuté pojmy.

Může však být požadováno, aby to bylo obráceno v aplikacích, kde výstupní parametr může mít opačně nakonfigurovanou charakteristiku vyžadující zpětné korekční opatření. Uvažujme příklad průtokové smyčky, kde je proces otevírání ventilu specifikován pro provoz se 100% a 0% výkonem, ale je třeba jej řídit odpovídajícím 0% a 100% výkonem, v tomto případě se stává nezbytným zpětné korekční řízení. Přesněji řečeno zvažte vodní chladicí systém, který má ochrannou funkci, u které je vyžadováno, aby jeho ventil byl během ztráty signálu 100% otevřený. V tomto případě musí být výstup regulátoru schopen změnit na 0% regulaci při absenci signálu, aby se ventil mohl otevřít na celých 100%, což se označuje jako „reverzně působící“ regulace.

Matematický model řídicí funkce

V tomto matematickém modelu znamenají všechny nezáporné konstanty Kp, Ki a Kd koeficienty pro proporcionální, integrální a derivační členy (v některých případech se také označují jako P, I a D).

Přizpůsobení podmínek kontroly PID

Z výše uvedených diskusí jsme pochopili, že v zásadě PID řídicí systém pracuje se třemi regulačními parametry, nicméně některé menší aplikace mohou upřednostňovat použití několika těchto termínů nebo dokonce jediného termínu ze tří termínů.

Přizpůsobení se provádí vykreslením nepoužitého výrazu na nulu a začleněním několika výrazů PI, PD nebo jednotlivých výrazů jako P nebo I. Mezi nimi je běžnější konfigurace PI regulátoru, protože výraz D je obvykle náchylný k šumu vlivy, a proto je ve většině případů vyloučeno, pokud to není přísně povinné. Termín I je obvykle zahrnut, protože zajišťuje, aby systém dosáhl zamýšlené optimální cílové hodnoty na výstupu.