Книга " ПИД-регулирование для чайников " предназначена для тех, кто хочет лучше понять ПИД-регулирование, не увязая в сложных технических концепциях.
Независимо от того, являетесь ли вы техническим специалистом или студентом в области приборостроения, эта статья призвана стать ресурсом, который поможет вам получить знания о pid-контроллере.
Вы узнаете о происхождении управления, принципах работы ПИД-регулирования, значении ПИД-регулирования в различных отраслях промышленности и советы по оптимизации технологических процессов.
Трудно говорить о ПИД-регулировании, не коснувшись его истории. В начале XX века Николай Минорский заметил, что корабли не могут поддерживать постоянный курс, несмотря на постоянные усилия лоцманского состава.
Затем г-н Минорски разработал решение этой проблемы: использование автоматического контроллера, который, используя разницу между желаемым направлением и фактическим курсом, мог регулировать руль для обеспечения более плавной навигации.
Это послужило основой для рождения ПИД-регулирования, и его влияние на управление промышленными процессами было огромным.
Чтобы легко понять, как работает ПИД-регулятор, давайте рассмотрим простой и распространенный пример контура управления - гончарную печь.
Температура внутри печи должна поддерживаться на постоянном заданном уровне, например 800°C.
Вместо простой системы управления "все или ничего" (печь либо включена, либо выключена), ПИД-регулятор температуры будет поддерживать постоянную температуру, чтобы избежать любых отклонений, которые могут ухудшить качество продукта внутри печи.
Вот как это работает.
В начале процесса управления используется термопарный датчик температуры который контролирует температуру внутри печи.
Это измерение температуры сравнивается с заданным значением температуры (800°C в данном примере).
Разница между этими двумя значениями, известная как ошибка, передается в ПИД-регулятор, который формулирует корректирующее воздействие на выход, чтобы уменьшить ошибку.
Эта коррекция представляет собой произведение трех функций или величин: термины " пропорциональный" (P), "интегральный" (I) и " производный" (D) вместе образуют аббревиатуру PID (Proportional Integral Derivative).
Действие пропорционального диапазона эквивалентно умножению ошибки на коэффициент пропорциональности (Kp). Это действие регулирует выход регулятора таким образом, чтобы он был пропорционален ошибке. Таким образом, если ошибка или возмущение велики, то и коррекция будет велика, и наоборот.
Интегральное действие направлено на устранение постоянной ошибки путем накопления прошлых ошибок и их интеграции во времени. Это действие постепенно приближает систему к заданному значению, регулируя выход в зависимости от интегрированной ошибки. Интегральный коэффициент (Ki) определяет влияние этого компонента.
Производное действие касается скорости изменения ошибки. Это прогностическое действие позволяет системе реагировать на будущие события на основе наблюдаемых тенденций. Производный коэффициент (Kd) регулирует влияние этого действия для улучшения управления.
Настройка пропорционально-интегрально-деривативного регулятора может показаться сложной задачей, но она необходима для обеспечения бесперебойной работы процесса. Каждый из параметров настройки, P, I и D, влияет на то, как контроллер реагирует на изменение значения процесса.
Правильные настройки могут значительно повысить стабильность и производительность вашей системы.
Однако плохо подобранные настройки могут, наоборот, привести к колебаниям, перевозбуждениям и заниженным реакциям, ухудшая качество управления процессом.
Метод Зиглера-Николса - это хорошо известный подход к настройке параметров ПИД-регулятора.
Этот метод заключается в том, чтобы заставить систему или процесс колебаться, регулируя пропорциональный коэффициент усиления (Kp) до тех пор, пока он не достигнет предела стабильности.
Период колебаний и критический коэффициент усиления затем используются для определения оптимальных коэффициентов пропорциональности (Kp), интеграла (Ki) и производной (Kd).
Хотя этот метод удобен для первоначальной настройки параметров ПИД-регулятора, важно отметить, что оптимизация системы управления может потребовать дополнительных настроек. Эти настройки будут зависеть от желаемого отклика и конкретных ограничений процесса.
Если вашей системе присуща нестабильность илидругие преобладающие проблемы, такие как задержки, помехи, внешнее давление и т. д., то контроллер P, I, D может только смягчить их, но не устранить полностью. Иногда полезно перепроектировать процесс.
В замкнутом контуре информация о текущем состоянии процесса постоянно поступает обратно в ПИД-регулятор.
Используя эту информацию, он вносит поправку в свой выход, тем самым поддерживая процесс как можно ближе к заданному значению.
Этот механизм значительно повышает точность управления переменными процесса, обеспечивая более жесткий контроль и большую стабильность.
Кроме того, системы с замкнутым циклом эффективно противостоят внешним возмущениям, сводя к минимуму нежелательные колебания.
On/Off означает режим управления, при котором система либо включена на 100%, либо полностью выключена. Промежуточные уровни работы отсутствуют.
Одним словом, управление On/Off может подойти для простых, менее требовательных приложений. Однако для точного и эффективного регулирования температуры, особенно в промышленных условиях или в критических процессах, ПИД-регулирование дает значительные преимущества в плане стабильности, энергоэффективности и защиты оборудования.
Диапазон пропорциональности - это диапазон значений, в пределах которого регулятор переключается из выключенного состояния в состояние полной мощности (и наоборот) при пропорциональном управлении. Это часть ПИД-регулирования, которая реагирует в зависимости от разницы между желаемым и текущим значением. Чем больше разница, тем больше коррекция.
Интегральная полоса - это часть ПИД-регулирования, которая накапливается со временем. Если отклонение сохраняется, каким бы маленьким оно ни было, эта поправка будет увеличиваться до тех пор, пока отклонение не будет устранено.
Производное действие в ПИД-регулировании - это часть, которая реагирует на скорость изменения отклонения. Она пытается предсказать будущее отклонение и провести превентивную коррекцию, чтобы свести к минимуму слишком быстрые колебания.
ПИД-регуляторы широко используются в различных отраслях промышленности, таких какфармацевтическая, пищевая (например, хлебопекарные печи или печи для пиццы), автомобильная (например, покрасочные камеры), в лабораториях (например, для тестирования автомобильных материалов), в специальных машинах, таких как упаковочные машины или машины для переработки пластмасс, в частности, для :
И многие другие применения и системы контроля температуры
Специалисты компании Fuji Electric по промышленному контролю температуры готовы помочь вам выбрать идеальные ПИД-регуляторы для ваших систем. Мы поможем вам при вводе контроллеров в эксплуатацию для точной настройки параметров.
Независимо от того, являетесь ли вы опытным профессионалом или новичком в этой области, наша команда готова превратить ПИД-регулирование в управляемый, высокопроизводительный актив для вашего бизнеса.
