Controllo PID for dummies: tutto quello che c'è da sapere

PID Control for Dummies è pensato per coloro che desiderano comprendere meglio il controllo PID senza impantanarsi in concetti tecnici complessi.

Che siate tecnici o studenti nel campo della strumentazione, questo articolo vuole essere una risorsa che vi guiderà verso la conoscenza del controllore pid.

Imparerete le origini del controllo, il funzionamento del PID, l'importanza del controllo PID in diversi settori e i suggerimenti per ottimizzare il vostro processo.

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Punti chiave

  1. Il controllore PID è parte integrante del sistema di controllo in un'ampia gamma di settori e applicazioni.
  2. L'obiettivo principale di un controllore PID è quello di confrontare un valore di setpoint con la misurazione durante il processo, al fine di ridurre al minimo l'errore.
  3. Le giuste impostazioni dei termoregolatori PID possono avere un impatto notevole sulle prestazioni del processo.
  4. La spiegazione dei termini PID, on/off, banda proporzionale, derivata, integrale, loop, setpoint e molti altri concetti correlati vi permetterà di sfruttare tutta la potenza del vostro sistema PID.
stabilità e prestazioni del sistema

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storia del regolatore pid

Storia del controllore PID

È difficile discutere della regolazione PID senza parlare della sua storia. All'inizio del XX secolo, Nicolas Minorsky osservò che le navi non erano in grado di mantenere una rotta costante nonostante i continui sforzi del personale di pilotaggio.

Minorsky sviluppò quindi una soluzione all'esigenza: l'utilizzo di un controller automatico che, sfruttando le differenze tra la direzione desiderata e quella effettiva, poteva regolare il timone per garantire una navigazione più fluida.

Questa è stata la base per la nascita del controllo PID, il cui effetto sul controllo dei processi industriali è stato notevole.

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circuito di controllo per forno da ceramica it

Il principio di funzionamento

Per comprendere facilmente il funzionamento di un controllore PID, esaminiamo un esempio semplice e comune di anello di controllo: un forno per ceramiche.

La temperatura all'interno del forno deve essere mantenuta a un punto di regolazione costante, ad esempio 800°C.

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Invece di un semplice sistema di controllo on/off (il forno si accende o si spegne), il regolatore di temperatura PID mantiene la temperatura costante per evitare qualsiasi deviazione che potrebbe deteriorare la qualità del prodotto all'interno del forno.

sistema ad anello aperto

Ecco come funziona.

L'inizio del processo di controllo coinvolge una sensore di temperatura a termocoppia che monitora la temperatura all'interno del forno.

schema a blocchi equivalente
risposta del sistema in anello chiuso o aperto

Questa misura di temperatura viene confrontata con il setpoint di temperatura (800°C in questo esempio).

sistema ad anello chiuso it

Ladifferenza tra questi due valori, nota come errore, viene inviata al controllore PID, che formula un'azione correttiva sull'uscita per ridurre l'errore.

qualità buona regolamentazione it

Questa correzione è il prodotto di tre funzioni o grandezze: i termini Proporzionale (P), Integrale (I) e Derivativo (D) formano insieme l'acronimo PID (Proporzionale Integrale Derivativo).

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proporzionale p

Proporzionale (P)

L'azione della banda proporzionale equivale a moltiplicare l'errore per un coefficiente proporzionale (Kp). Questa azione regola l'uscita del regolatore in modo che sia proporzionale all'errore. Pertanto, se l'errore o il disturbo è grande, anche la correzione sarà grande e viceversa.

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Integrale (I)

L'azione integrale mira a eliminare l'errore persistente accumulando gli errori passati e integrandoli nel tempo. Questa azione avvicina progressivamente il sistema al setpoint regolando l'uscita in funzione dell'errore integrato. Il coefficiente integrale (Ki) determina l'influenza di questo componente.

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Derivato (D)

L'azione derivata riguarda il tasso di variazione dell'errore. Questa azione predittiva consente al sistema di reagire agli eventi futuri sulla base delle tendenze osservate. Il coefficiente derivato (Kd) regola l'influenza di questa azione per un migliore controllo.

impostazione del regolatore pid

Impostazione di un controllore PID

La regolazione di un controllore Proporzionale Integrale Derivativo può sembrare scoraggiante, ma è essenziale per garantire il corretto funzionamento del processo. Ciascuno dei parametri di regolazione, P, I e D, influisce sul modo in cui il regolatore reagisce alle variazioni del valore del processo.

Le impostazioni giuste possono migliorare notevolmente la stabilità e le prestazioni del sistema.

Tuttavia, una regolazione inadeguata può, al contrario, portare a oscillazioni, sovraeccitazioni e sottoreazioni, deteriorando la qualità del controllo del processo.

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Metodo Ziegler-Nichols

Il metodo Ziegler-Nichols è un approccio ben noto per impostare i parametri di un controllore PID.

Questo metodo consiste nel far oscillare il sistema o il processo regolando il guadagno proporzionale (Kp) fino a raggiungere il limite di stabilità.

Il periodo di oscillazione e il guadagno critico vengono quindi utilizzati per determinare i coefficienti proporzionali (Kp), integrali (Ki) e derivativi (Kd) ottimali.

Sebbene questo metodo sia conveniente per la regolazione iniziale dei parametri PID, è importante notare che l'ottimizzazione del sistema di controllo può richiedere ulteriori regolazioni. Tali regolazioni dipenderanno dalla risposta desiderata e dai vincoli specifici del processo.

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Limiti del controllo PID

Se il sistema presenta un'instabilità intrinseca oaltri problemi prevalenti, come ritardi, disturbi, pressioni esterne e così via, un controllore P, I, D può solo attenuarli, non eliminarli completamente. A volte è utile riprogettare il processo.

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FAQ sul controllo PID

Che cos'è un anello chiuso nel controllo PID?

In un anello chiuso, le informazioni sullo stato attuale del processo vengono costantemente restituite al controllore PID.

Utilizza queste informazioni per apportare una correzione alla sua uscita, mantenendo così il processo il più vicino possibile al setpoint.

Questo meccanismo migliora notevolmente la precisione con cui vengono gestite le variabili di processo, consentendo un controllo più rigoroso e una maggiore stabilità.

Inoltre, i sistemi ad anello chiuso contribuiscono efficacemente a contrastare i disturbi esterni, riducendo al minimo le fluttuazioni indesiderate.

Che cosa significa il termine "tutto o niente" nella normativa?

On/Off si riferisce a una modalità di controllo in cui il sistema è acceso al 100% o completamente spento. Non esistono livelli di funzionamento intermedi.

Quali sono gli svantaggi del controllo On/Off rispetto al controllo PID?

  1. Mancanza di precisione: a differenza del controllo PID, che regola finemente la potenza per raggiungere e mantenere la temperatura desiderata, il controllo On/Off opera solo in stati estremi (100% acceso o spento). Questo metodo tende a generare un superamento della temperatura target prima di stabilizzarsi, creando fluttuazioni anziché la stabilità ottenuta con il controllo PID.
  2. Oscillazioni di temperatura: il funzionamento On/Off porta a maggiori oscillazioni di temperatura intorno al setpoint. Questa fluttuazione può essere dannosa per i processi che richiedono un controllo fine e costante della temperatura.
  3. Usura delle apparecchiature: Le frequenti accensioni e spegnimenti delle apparecchiature con controllo On/Off sottopongono a maggiori sollecitazioni i componenti meccanici ed elettrici, riducendone potenzialmente la durata rispetto al funzionamento più regolare consentito dal controllo PID.
  4. Consumo energetico: anche se il controllo On/Off può sembrare più efficiente dal punto di vista energetico grazie ai periodi di inattività, i frequenti cicli di accensione/spegnimento possono in realtà portare a un consumo energetico maggiore nel lungo periodo, soprattutto nei casi in cui il sistema consuma molta energia all'avvio. Il controllo PID, grazie alla sua regolazione precisa, tende a ottimizzare il consumo energetico.
  5. Risposta ai disturbi: Il controllo On/Off può essere meno efficace di fronte a disturbi improvvisi del processo (ad esempio, l'apertura di una porta in un locale climatizzato), poiché può rispondere solo con l'accensione o lo spegnimento, mentre il controllo PID può regolare proporzionalmente l'energia applicata per contrastare rapidamente il disturbo.

 

In breve, il controllo On/Off può essere adatto per applicazioni semplici e meno impegnative. Tuttavia, per un controllo preciso ed efficace della temperatura, soprattutto in ambienti industriali o per processi critici, il controllo PID offre vantaggi significativi in termini di stabilità, efficienza energetica e protezione delle apparecchiature.

Che cos'è la banda proporzionale nel controllo PID?

La banda proporzionale è l'intervallo di valori entro il quale il regolatore passa dallo stato di spegnimento a quello di piena potenza (e viceversa) in un controllo proporzionale. È la parte del controllo PID che reagisce in base alla differenza tra il valore desiderato e il valore attuale. Maggiore è la differenza, maggiore è la correzione effettuata.

Che cos'è la banda integrale nel controllo PID?

La banda integrale è la parte del controllo PID che si accumula nel tempo. Se la deviazione persiste, per quanto piccola, questa correzione continuerà ad aumentare finché la deviazione non sarà corretta.

Che cos'è la derivata nel controllo PID?

L'azione derivativa nel controllo PID è la parte che reagisce alla velocità di variazione della deviazione. Cerca di prevedere il futuro di questa deviazione e di apportare una correzione preventiva per ridurre al minimo le variazioni troppo rapide.

Dove si possono utilizzare i controllori PID?

I controllori PID sono ampiamente utilizzati in vari settori industriali come l'industria farmaceutica, l'industria alimentare (ad esempio, forni per la panificazione o per la pizza), l'industria automobilistica (ad esempio, cabine di verniciatura), nei laboratori (ad esempio, test sui materiali automobilistici), in macchine speciali come le macchine per l'imballaggio o la lavorazione della plastica, in particolare per :

 

  • Controllo della temperatura
  • Controllo del flusso e della velocità del fluido
  • Monitoraggio del livello
  • Regolazione della pressione

E molte altre applicazioni e sistemi di controllo della temperatura

impostazioni errate
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Alla Fuji Electric, i nostri esperti di controllo della temperatura industriale sono pronti ad aiutarvi a selezionare i controllori PID ideali per i vostri sistemi. Vi assisteremo durante la messa in servizio dei controllori per mettere a punto le impostazioni dei parametri.

Che siate professionisti esperti o novizi del settore, il nostro team è qui per trasformare il controllo PID in una risorsa controllabile e ad alte prestazioni per la vostra azienda.

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