Mi az a PID vezérlő?

PID (az angol P-arányos, I-integrál, D-származék) - a szabályozó egy olyan eszköz, amelyet visszacsatoló kapcsolattal ellátott vezérlőhurkokban használnak. Ezeket a vezérlőket vezérlőjel generálására használják automatikus rendszerekben, ahol magas követelmények teljesítése szükséges a tranziensek minőségére és pontosságára.

A PID vezérlő vezérlőjelét három komponens összeadásával kapjuk: az első arányos a hibajel értékével, a második a hibajel integrálta, a harmadik pedig a származéka. Ha a három komponens valamelyikét nem veszi figyelembe az összeadási folyamatban, akkor a vezérlő nem lesz többé PID, hanem egyszerűen arányos, arányosan megkülönböztető vagy arányosan integráló.

Az első komponens arányos

A kimeneti jel arányos komponenst ad. Ez a jel ellensúlyozza a szabályozandó bemeneti mennyiség aktuális eltérését a beállított értéktől. Minél nagyobb az eltérés, annál nagyobb a jel. Ha a vezérelt változó bemeneti értéke megegyezik a megadott értékkel, akkor a kimeneti jel nulla lesz.

Ha csak ezt az arányos összetevőt hagyjuk, és csak azt használjuk, akkor a szabályozandó mennyiség értéke soha nem stabilizálódik a megfelelő értéknél. Mindig fennáll egy statikus hiba, amely megegyezik a szabályozott változó eltérésének olyan értékével, hogy a kimeneti jel ezen az értéken stabilizálódjon.

Például egy termosztát szabályozza a fűtőberendezés teljesítményét. A kimeneti jel csökken, amikor a kívánt tárgyhőmérséklet közeledik, és a vezérlőjel stabilizálja az energiát a hőveszteség szintjén. Ennek eredményeként a beállított érték nem éri el a beállított értéket, mivel a beépített fűtőkészüléket csak ki kell kapcsolni, és lehűlni kezd (az energia nulla).

A bemenetek és a kimenetek közötti nyereség nagyobb - a statikus hiba kevesebb, de ha az erősítés (valójában az arányosság együtthatója) túl nagy, akkor a rendszer késleltetéseinek kitéve (és ezek gyakran elkerülhetetlenek) az ön-oszcillációk hamarosan megkezdődnek benne, és ha növekszik az együttható még nagyobb - a rendszer egyszerűen elveszíti stabilitását.

Vagy példa a motor elhelyezésére a sebességváltóval. Kis együtthatóval a munkagép kívánt helyzetét túl lassan érik el. Növelje az együtthatót - a reakció gyorsabb lesz. De ha tovább növeli az együtthatót, akkor a motor „repül” a megfelelő helyzetbe, és a rendszer nem mozog gyorsan a kívánt helyzetbe, ahogyan azt elvárhatnák. Ha tovább növeljük az arányossági együtthatót, akkor az oszcillációk a kívánt pont közelében kezdődnek - az eredményt nem fogjuk újra elérni ...

A második elem az integráció

Az eltérés időintegrálja az integráló komponens fő részét. Arányos ezzel az integrállal. Az integráló komponenst csak a statikus hiba kiküszöbölésére használják, mivel a vezérlő idővel figyelembe veszi a statikus hibát.

Külső zavarok hiányában egy idő múlva a szabályozandó érték helyesen stabilizálódik, amikor az arányos elem nulla lesz, és a kimenet pontosságát az integráló elem teljes mértékben biztosítja. Az integráló elem viszont rezgéseket generálhat a pozicionálási pont közelében, ha az együtthatót nem megfelelően választják meg.

A harmadik elem megkülönböztető

A szabályozandó mennyiség eltérésének változási sebessége arányos a harmadik, a megkülönböztető komponenstel.Szükség van a jövőben előrejelzett helyes helyzetből (külső behatások vagy késések) származó eltérések ellensúlyozására.

PID vezérlőelmélet

Mint már megértetted, a PID-vezérlőket valamilyen mennyiség adott x0 értékének fenntartására használják, egy másik mennyiség u értékének megváltozása miatt. Van egy alapérték vagy egy adott x0 érték, és van különbség vagy eltérés (eltérés) e = x0-x. Ha a rendszer lineáris és álló (gyakorlatilag ez aligha lehetséges), akkor az u meghatározására a következő képletek érvényesek:

Ebben a képletben mindhárom kifejezés arányossági együtthatóit látja.

A gyakorlatban a PID-vezérlők eltérő képletet használnak a hangoláshoz, ahol a nyereséget azonnal alkalmazzák minden komponensre:

A PID-szabályozás gyakorlati oldala

A PID-vezérelt rendszerek gyakorlati elméleti elemzését ritkán alkalmazzák. A nehézség az, hogy a vezérlőobjektum jellemzői ismeretlenek, és a rendszer szinte mindig bizonytalan és nemlineáris.

A ténylegesen működő PID-vezérlők mindig alulról és felülről korlátozzák a működési tartományt, ez alapvetően magyarázza azok nemlinearitását. Ezért a hangolást szinte mindig és mindenhol kísérletileg végzik, amikor a vezérlőobjektum csatlakozik a vezérlőrendszerhez.

A szoftvervezérlő algoritmus által generált érték felhasználásával számos specifikus árnyalattal rendelkezik. Ha például a hőmérséklet-szabályozásról van szó, akkor gyakran továbbra is nem csak egy, hanem két eszközre van szükség: az első szabályozza a fűtést, a második a hűtést. Az első szállítja a fűtött hűtőközeget, a második a hűtőközeget. A gyakorlati megoldások három lehetőségét mérlegelhetjük.

Az első közel áll az elméleti leíráshoz, ha a kimenet analóg és folyamatos mennyiség. A második egy kimenet impulzuskészlet formájában, például egy léptetőmotor vezérlésére. Harmadik - PWM vezérlésamikor a szabályozó kimenete szolgál az impulzus szélességének beállítására.

Manapság szinte minden automatizálási rendszer fejlesztés alatt áll alapja a PLC, és a PID-vezérlők olyan speciális modulok, amelyeket hozzáadnak a vezérlőhöz vagy általában programozottan valósítják meg könyvtárak betöltése révén. Az ilyen vezérlők nyereségének megfelelő beállításához fejlesztőik speciális szoftvert biztosítanak.