Пид регулятор: ПИД регулятор

принцип работы, схемы, примеры и т.д.

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.

Двухпозиционное регулирование
регулирование, при котором регулирующий орган перемещается из одного крайнего положения в другое и обратно: включено или выключено

Дифференциальное регулирование
выработка составляющей выходного сигнала регулятора в зависимости от скорости отклонения регулируемой переменной

Интегральное регулирование
формирует регулирующее воздействие пропорционально интегралу отклонения регулируемой величины так долго, пока существует отклонение

Пропорциональное регулирование
способ регулирования, при котором характеристики выходного сигнала пропорциональны характеристикам входного сигнала

Исполнительный механизм
устройство, преобразующее выходной сигнал регулятора в перемещение регулирующего органа

Просто о PID-регулировании

#Dataforth

В записную книжку инженера

Принцип PID-регулирования используется в автоматическом управлении процессами повсеместно. Большинство современных промышленных контроллеров имеют встроенный механизм, реализующий PID-управление. Но для успешного применения этого мощного средства необходимо чётко понимать механизм его действия. Эта статья в популярной форме представляет начальные сведения о PID-регулировании.

4158

В ЗАКЛАДКИ

Статья
в электронной версии
«СТА» №4 / 2019 стр. 92

Статья в PDF
3 МБ

А знаете ли вы, что…


В 1939 году приборостроительная компания Taylor представила новую версию своего пневматического контроллера Fulscope с функцией предварительного действия в дополнение к ранее доступным режимам пропорционального управления и сброса. В настоящее время три режима управления называются пропорциональным, интегральным (сброс) и дифференциальным (предварительное действие), следовательно, сокращённо PID. В отечественной литературе принята аббревиатура ПИД, означающая пропорционально-интегрально-дифференциальный режим. В том же году компания Foxboro Instrument добавила к ранее доступным в контроллере Stabilog режимам пропорциональности и сброса гиперсброс, что делает его вторым ПИД-регулятором на рынке. Сегодня все ПИД‑регуляторы, в том числе и в системе Dataforth MAQ®20, основаны на тех самых пропорциональном, интегральном и производном (дифференциальном) режимах контроллеров, выпущенных в 1939 году (рис. 1).


ПИД‑регуляторы используются в большинстве приложений автоматического управления процессами в промышленности. Они могут регулировать расход, температуру, давление, уровень и многие другие параметры производственных процессов. В статье рассматривается конструкция ПИД‑регуляторов и объясняются используемые в них режимы управления P, I и D.

Ручное управление


В отсутствие автоматических контроллеров все задачи регулирования приходится выполнять вручную. Например, для поддержания постоянной температуры воды, подогреваемой промышленным газовым нагревателем, оператор должен следить за датчиком температуры и соответствующим образом регулировать подачу газа при помощи клапана (рис. 2).


Если температура воды по какой-либо причине становится слишком высокой, оператор должен немного закрыть газовый клапан на величину, достаточную, чтобы температура вернулась к желаемому значению. Если вода становится слишком холодной, он должен приоткрыть газовый клапан.

Контроль и обратная связь


Процесс управления, реализуемый оператором, называется управлением с обратной связью, поскольку оператор изменяет силу пламени на основе обратной связи, которую он получает от процесса через датчик температуры. Управление с обратной связью может быть выполнено вручную, но обычно это происходит автоматически, как будет объяснено в следующем разделе. Клапан, процесс горения и датчик температуры образуют контур управления. Любое изменение, вносимое оператором в состояние газового клапана, влияет на температуру, значение которой становится доступно оператору, тем самым контур управления замыкается.

Автоматическое управление


Чтобы избавить оператора от утомительной задачи ручного управления, функцию управления можно автоматизировать с помощью ПИД‑регулятора. Для этого требуется следующее: Установить электронное устройство измерения температуры. Автоматизировать клапан, добавив к нему исполнительный механизм (и, возможно, позиционер), чтобы клапаном можно было управлять электронным способом. Установить контроллер, например, ПИДрегулятор MAQ®‑20, и подключить к нему устройство измерения температуры и автоматизированный клапан управления. Более подробная информация о PID-регуляторе Dataforth MAQ®20 представлена во врезке.

ПИД‑регулятор имеет уставку (SP — Set Point), чтобы оператор мог задать значение температуры. Выходной сигнал контроллера (CO — Controller Output) устанавливает положение регулирующего клапана. А значение измеренной температуры, называемое параметром регулирования процесса (или переменной процесса, PV — Process Variable), даёт контроллеру столь необходимую обратную связь. Переменная процесса и выходной сигнал контроллера передаются в цифровой форме или посредством сигналов тока, напряжения (рис. 3).


Когда всё включено и работает, ПИД‑регулятор получает сигнал переменной процесса, сравнивает его с уставкой и вычисляет разницу между двумя сигналами, также называемую ошибкой (E — Error). Затем на основании величины ошибки и констант настройки ПИД-регулятора контроллер рассчитывает соответствующий выходной сигнал, который устанавливает регулирующий клапан в правильное положение для поддержания температуры на заданном уровне. Если температура поднимется выше заданного значения, контроллер уменьшит степень открытия клапана, и наоборот.

ПИД-контроль


ПИД-регуляторы имеют три режима управления: пропорциональный, интегральный и дифференциальный. Каждый из трёх режимов по-своему реагирует на возникновение ошибки. Размер и характер отклика, создаваемого каждым режимом управления, регулируется путём изменения соответствующих настроек контроллера.

Режим пропорционального управления


Главной движущей силой в контроллере является режим пропорционального управления. Он изменяет сигнал на выходе контроллера пропорционально ошибке (рис. 4).


Если ошибка увеличивается, управляющее действие увеличивается про­порцио­нально ей. Это очень полезно, так как для исправ­ления бо́льших оши­­бок требуется более интенсивное действие. Регулируемая настройка для пропорционального управления называется усилением контроллера (Kc — Controller Gain). Более высокое усиление увеличит пропорциональное управляющее воздействие для данной ошибки. Если усиление регулятора установлено слишком высоким, контур управления начнёт колебаться и станет нестабильным. Если усиление регулятора установлено слишком низким, контроллер не будет адекватно реагировать на изменения параметра регулирования или уставки.

В большинстве контроллеров изменение усиления влияет на величину отклика в интегральном и дифференциальном режимах управления. Вот почему этот параметр называется усилением контроллера. Однако существует одна конструкция контроллера (называемая алгоритмом параллельного, или независимого усиления), в которой регулировка пропорционального усиления не влияет на другие режимы.

Пропорциональный контроллер


Отключив интегральный и дифференциальный режимы, ПИД-регулятор можно настроить так, чтобы он производил только пропорциональное действие. Пропорциональные контроллеры просты для понимания и настройки. Выходной сигнал контроллера — это просто ошибка управления, умноженная на усиление контроллера, плюс смещение (рис. 5).


Смещение необходимо, чтобы контроллер мог поддерживать ненулевой выходной сигнал при нулевой ошибке (переменная процесса в заданном значении). Использование пропорционального управления имеет большой недостаток — отклонение. Отклонение — это постоянная ошибка, которая не может быть устранена одним только пропорциональным управлением. Давайте рассмотрим контроль уровня воды в баке на рис. 6 с помощью пропорционального контроллера.


Пока расход воды из бака остаётся постоянным, уровень будет находиться на заданном значении. Но если оператор увеличит расход из резервуара, уровень воды начнёт уменьшаться из-за дисбаланса между притоком и оттоком. При снижении уровня воды в баке ошибка растёт и пропорциональный контроллер увеличивает выходной сигнал пропорционально этой ошибке. Следовательно, клапан, управляющий потоком в бак, открывается шире и в бак поступает больше воды. Если уровень всё равно продолжает падать, ошибка увеличивается ещё больше и клапан продолжает открываться, пока не будет достигнута точка, в которой приток снова будет соответствовать оттоку. В этот момент уровень воды в баке (и ошибка) станет постоянным. Поскольку ошибка остаётся постоянной, наш P‑контроллер будет поддерживать постоянный выходной сигнал и регулирующий клапан будет удерживать своё положение. Система теперь снова сбалансирована, но уровень воды в баке стал ниже заданного значения. Эта оставшаяся постоянная ошибка называется отклонением. На рис. 7 показано влияние внезапного снижения давления топливного газа на работу описанного ранее промышленного нагревателя и реакция пропорционального контроллера на данную ситуацию.


Снижение давления топливного газа понижает интенсивность горения и соответственно мощность нагревателя. Температура воды снижается. Это создаёт ошибку, на которую отвечает контроллер. Однако обнаруживается новая точка баланса между управляющим воздействием и ошибкой и изменение температуры пропорциональным регулятором не устраняется. При пропорциональном управлении отклонение будет сохраняться до тех пор, пока оператор с целью его устранения вручную не скорректирует выходной сигнал контроллера. Тогда говорят, что оператор вручную сбрасывает контроллер.

Интегральный режим управления


Необходимость избавиться от ручного сброса по описанному ранее сценарию привела к разработке автоматического сброса, или режима встроенного управления, как это называется сегодня. Функция режима встроенного управления заключается в увеличении или уменьшении выходного сигнала контроллера с течением времени, чтобы уменьшить имеющуюся ошибку (когда переменная процесса не находится в заданном интервале значений). При наличии достаточного времени интегральный механизм будет изменять выходной сигнал контроллера, пока ошибка не станет равной нулю. Если ошибка велика, интегральный режим будет увеличивать/уменьшать выходной сигнал контроллера с более высокой скоростью; если ошибка мала, изменения будут медленными. Для данной ошибки скорость интегрального действия задаётся интегральной настройкой времени контроллера (Ti — Integral Time). Большое значение Ti (длинное время интегрирования) приводит к медленному интегральному действию, а небольшое значение Ti (короткое время интегрирования) приводит к быстрому интегральному действию (рис. 8).


Если интервал времени интегрирования установлен слишком большим, контроллер будет реагировать медленно; если он установлен слишком коротким, контур управления будет колебаться и станет нестабильным. Большинство контроллеров, включая MAQ®20, в качестве единицы измерения для интегрального управления используют интегральное время (Ti) в минутах, но некоторые определяют его в секундах. Немногие контроллеры, обычно с параллельным алгоритмом, используют параметр «интегральное усиление» (Ki) в повторениях в минуту. Параллельный алгоритм работы также доступен в MAQ®20.

Пропорционально-интегральный контроллер


Обычно пропорционально-интегральный контроллер называют PI‑контроллером, его выход состоит из суммы пропорциональных и интегральных управляющих воздействий (рис. 9).


На рис. 10 показано, как после возмущения интегральный режим продолжает увеличивать выходной сигнал контроллера, чтобы вернуть температуру на выходе нагревателя к заданному значению.


Если сравнить это с рис. 7, становится ясно, как интегральное управление продолжает управлять выходом контроллера до тех пор, пока смещение не будет устранено полностью.

Режим дифференциального управления


Третий режим управления в ПИД-контроллере — это режим управления по производной. Дифференциальный контроль редко используется в управлении процессами, но он часто применяется в управлении движением. Для управления процессом это не является абсолютно необходимым: дифференциальный режим очень чувствителен к инструментальному шуму и усложняет настройку методом проб и ошибок. Тем не менее, его использование может привести к тому, что определённые типы контуров управления будут реагировать немного быстрее, чем при применении только ПИ-регулирования. Температурное управление, например, является типичной задачей для ПИД-регулирования. Режим управления по производной обеспечивает сигнал, основанный на скорости изменения ошибки (рис. 11).


Из-за этого дифференциальный режим изначально назывался управлением по скорости. Дифференциальный режим производит большее управляющее действие, если ошибка изменяется с большей скоростью. Если величина ошибки не меняется во времени, действие дифференциальной составляющей равно нулю. Дифференциальный режим имеет настройку, называемую Derivative Time (Td). Чем больше значение этого времени, тем больше вклад дифференциального управления. Установка времени Td на ноль полностью отключает этот режим. Если время установлено слишком большим, будут возникать колебания и контур управления станет нестабилен. Для настройки дифференциальной составляющей контроллера используются две единицы измерения: минуты и секунды.

Пропорционально-интегрально-дифференциальный контроллер


Такой контроллер, обычно называемый ПИД-регулятором, работает на основе суммы пропорциональных, интегральных и дифференциальных управляющих воздействий.

На рис. 12 показан алгоритм неинтерактивного (также называемого идеальным) ПИД-регулятора, а на рис. 13 представлен алгоритм параллельного контроллера.


Оба они поддерживаются в системе MAQ®20. Дифференциальный режим ПИД-регулятора обеспечивает большее управляющее воздействие раньше, чем это возможно при управлении только P или PI.

Это уменьшает влияние возмущения и сокращает время, необходимое для того, чтобы уровень вернулся к своему заданному значению (рис. 14).


На рис. 15 сравнивается скорость восстановления при P, PI и PID-регулировании температуры на выходе нагревателя после внезапного изменения давления топливного газа, как описано ранее.

Заключение


ПИД-регулятор является рабочей лошадкой современных систем управления процессами. Каждый из режимов пропорционального, интегрального и дифференциального управления выполняет свою уникальную функцию. Пропорциональные и интегральные режимы необходимы для большинства контуров управления, а регулирование по производной полезно только в некоторых случаях. Существуют различные алгоритмы ПИД‑регулирования, и MAQ®20 поддерживает наиболее распространённый неинтерактивный алгоритм, а также параллельный алгоритм.

Универсальность делает MAQ®20 чрезвычайно мощным устройством и адаптируемым для широкого спектра приложений управления процессами, включая:

  • тестирование и измерения;

  • автоматизацию производства и процессов;

  • автоматизацию машин;

  • военную и аэрокосмическую промышленность;

  • энергетику;

  • мониторинг окружающей среды;

  • нефтегазовую сферу.


Линейка продуктов MAQ®20, вобравшая в себя более 25 лет опыта проектирования компании Dataforth в индустрии управления процессами, предлагает самую низкую стоимость на канал, точность ±0,035% и изоляцию 1500 В, а также обеспечивает превосходное ПИД-управление процессами.

Авторизованный перевод Юрия Широкова

E-mail: [email protected]

#Dataforth

Показать больше

ПИД-регулятор и объяснение теории

Основная идея ПИД-регулятора состоит в том, чтобы считывать показания датчика, затем вычислять требуемый выходной сигнал исполнительного механизма, вычисляя пропорциональные, интегральные и производные отклики и суммируя эти три компонента для вычисления выходного сигнала. Прежде чем мы начнем определять параметры ПИД-регулятора, мы увидим, что такое система с замкнутым контуром, и некоторые связанные с ней термины.

Замкнутая система

В типичной системе управления переменная процесса — это системный параметр, который необходимо контролировать, например, температура (ºC), давление (psi) или скорость потока (литры/мин). Датчик используется для измерения переменной процесса и обеспечения обратной связи с системой управления. Уставка — это желаемое или заданное значение переменной процесса, например 100 градусов Цельсия в случае системы контроля температуры. В любой момент времени разница между переменной процесса и заданным значением используется алгоритмом системы управления 9.0009 (компенсатор) , чтобы определить желаемую выходную мощность привода для управления системой (установкой). Например, если измеренная переменная процесса температуры составляет 100 ºC, а желаемая уставка температуры равна 120 ºC, то выходной сигнал привода , заданный алгоритмом управления, может управлять нагревателем. Приведение в действие исполнительного механизма для включения нагревателя приводит к тому, что система нагревается, что приводит к увеличению технологической переменной температуры. Это называется системой управления с замкнутым контуром, потому что процесс считывания показаний датчиков для обеспечения постоянной обратной связи и расчета желаемого выходного сигнала исполнительного механизма повторяется непрерывно и с фиксированной скоростью цикла, как показано на рисунке 1. 9.0004

Во многих случаях выход привода — не единственный сигнал, влияющий на систему. Например, в температурной камере может быть источник холодного воздуха, который иногда дует в камеру и нарушает температуру. Такой термин обозначается как возмущение . Обычно мы пытаемся спроектировать систему управления так, чтобы свести к минимуму влияние возмущений на переменную процесса.

Рис. 1: Блок-схема типичной замкнутой системы.

Определение терминов

Процесс разработки системы управления начинается с определения требований к производительности. Производительность системы управления часто измеряется путем применения ступенчатой ​​функции в качестве командной переменной уставки, а затем измерения отклика переменной процесса. Обычно ответ определяется количественно путем измерения определенных характеристик сигнала. Время нарастания — это количество времени, которое требуется системе для перехода от 10% к 90% установившегося или конечного значения. Процент превышения — это величина превышения переменной процесса конечного значения, выраженная в процентах от конечного значения. Время установления — это время, необходимое для того, чтобы переменная процесса установилась в пределах определенного процента (обычно 5 %) от конечного значения. Установившаяся ошибка — это окончательная разница между переменной процесса и заданным значением. Обратите внимание, что точное определение этих величин будет различаться в промышленности и научных кругах.

Рис. 2: Реакция типичной замкнутой системы ПИД-регулятора.

После использования одной или всех этих величин для определения требований к характеристикам системы управления полезно определить наихудшие условия, при которых ожидается, что система управления будет соответствовать этим проектным требованиям. Часто в системе возникает возмущение, которое влияет на переменную процесса или измерение переменной процесса. Важно разработать систему управления, которая удовлетворительно работает в наихудших условиях. Мера того, насколько хорошо система управления способна преодолевать последствия возмущений, называется 9.0009 Подавление помех системы управления.

В некоторых случаях реакция системы на заданный управляющий выход может меняться со временем или в зависимости от какой-либо переменной. Нелинейная система представляет собой систему, в которой параметры управления, дающие желаемую реакцию в одной рабочей точке, могут не дать удовлетворительной реакции в другой рабочей точке. Например, камера, частично заполненная жидкостью, будет демонстрировать гораздо более быструю реакцию на мощность нагревателя, когда она почти пуста, чем когда она почти заполнена жидкостью. Мера того, насколько хорошо система управления будет выдерживать помехи и нелинейности, называется надежность системы управления.

Некоторые системы демонстрируют нежелательное поведение, называемое deadtime . Мертвое время — это задержка между изменением переменной процесса и моментом, когда это изменение можно наблюдать. Например, если датчик температуры расположен далеко от впускного клапана для холодной воды, он не будет измерять изменение температуры немедленно, если клапан открыт или закрыт. Время простоя также может быть вызвано системой или выходным приводом, который медленно реагирует на управляющую команду, например, клапан, который медленно открывается или закрывается. Распространенным источником простоя на химических заводах является задержка, вызванная потоком жидкости по трубам.

Цикл цикла также является важным параметром замкнутой системы. Интервал времени между вызовами алгоритма управления является временем цикла цикла. Системы, которые быстро изменяются или имеют сложное поведение, требуют более высоких скоростей контура управления.

Рис. 3: Реакция замкнутой системы с мертвым временем.

После определения требований к производительности настало время изучить систему и выбрать подходящую схему управления. В подавляющем большинстве приложений ПИД-регулятор обеспечивает требуемые результаты

ПИД-регулятор: типы, что это такое и как он работает

text. skipToContent
text.skipToNavigation

Поиск Омега

  • Свяжитесь с нами
  • Все продукты

  • Ресурсы

  • О нас
  1. Дом
  2. См. Ресурсы
  3. Что такое ПИД-регулятор?

ПИД-регулятор — это инструмент, используемый в приложениях промышленного управления для регулирования температуры, расхода, давления, скорости и других переменных процесса. PID, что означает пропорциональную интегральную производную, контроллеры используют механизм обратной связи контура управления для управления переменными процесса и являются наиболее точными и стабильными контроллерами.
В этой статье более подробно объясняется, как работает PID.

ПИД-регулирование — это хорошо зарекомендовавший себя способ управления системой в направлении целевого положения или уровня. Он практически вездесущ как средство контроля температуры и находит применение во множестве химических и научных процессов, а также в автоматизации. ПИД-регулирование использует обратную связь управления с обратной связью, чтобы фактический выходной сигнал процесса был как можно ближе к целевому или заданному выходному сигналу.

Что такое ПИД-регулятор температуры?

ПИД-регулятор температуры, как следует из его названия, представляет собой прибор, используемый для контроля температуры, в основном без участия оператора. ПИД-регулятор в системе контроля температуры будет принимать датчик температуры, такой как термопара или RD, в качестве входных данных и сравнивать фактическую температуру с желаемой температурой управления или заданным значением. Затем он предоставит вывод элементу управления.

Что такое цифровой ПИД-регулятор?

Цифровой ПИД-регулятор считывает сигнал датчика, обычно с термопары или резистивного датчика температуры, и связывает измерение с техническими единицами, такими как градусы Фаренгейта или Цельсия, которые затем отображаются в цифровом формате.

История ПИД-регулятора

Первая эволюция ПИД-регулятора была разработана в 1911 году Элмером Сперри. Однако только в 1933 году компания Taylor Instrumental Company (TIC) представила первый пневматический контроллер с полностью настраиваемым пропорциональным контроллером. Несколько лет спустя инженеры по системам управления решили устранить стационарную ошибку, обнаруженную в пропорциональных контроллерах, путем сброса точки до некоторого искусственного значения, пока ошибка не равна нулю. Этот сброс «интегрировал» ошибку и стал известен как пропорционально-интегральный регулятор. Затем, в 1940, компания TIC разработала первый пневматический ПИД-регулятор с производным действием, который уменьшил проблемы с перерегулированием. Однако только в 1942 году, когда были введены правила настройки Циглера и Николса, инженеры смогли найти и установить соответствующие параметры ПИД-регуляторов. К середине 1950-х годов автоматические ПИД-регуляторы получили широкое распространение в промышленности.