Цифровой пид. AVR221: Дискретный ПИД-регулятор. Настраивание ПИД-регулятора общего вида
ПИД (или английская аббревиатура — PID) – это регулятор, осуществляющий пропорциональное, интегрирующее и дифференциальное управление. ПИД регуляторы находят широкое применение в современных системах точного контроля, таких как управление термосистемами и системами позиционирования. Использование ПИД регуляторов помогает уменьшить энергетические потери на настройку системы и обеспечивают более быстрый выход на требуемые параметры.
В общем случае ПИД регулятор получает значение определяющего параметра от объекта (Рис. 1) и воздействует на управление, состояние которого влияет на исходный параметр. Классическим примером применения ПИД регулятора являются управление термосистемой, будь это нагреватель или холодильная установка. Данный пример интересен тем, что нагрев или охлаждение процессы достаточно инертные и зачастую снижение температуры получается естественным путем из-за потерь
ПИД регуляторы применяются в системах, математическое описание которых трудоемко, или не может быть получено из-за случайного характера воздействия внешней среды или помех. Для термосистемы информация о состоянии объекта представляет собой значение температуры с датчика, а объект управления – нагреватель системы. Размерности графиков приведены условно, так как точная модель регулятора зависит от конкретных особенностей термосистемы.
Пропорциональное управление рассчитывается как произведение постоянного коэффициента К p на текущую ошибку отклонения. Если включить в обратную связь нагревателя термосистемы только пропорциональное управление, требуемую температуру вообще невозможно достичь (Рис. 2). Это связано с инерционностью системы, так как управление нагревателем должно осуществляется с учетом динамики повышения температуры объекта.
Интегральное регулирование
реализуется умножениясуммы ошибок температурдо текущего момента временина интегральный коэффициент K I . Для термосистем интегрирующее управление вполне может поддерживать заданную температуру(Рис. 3). Такое управление компенсирует запаздывание нагревание объекта и позволяет приблизиться к требуемому значению с большей или меньшей точностью. Для систем с меньшей инерционностью применения только интегрального управления неприменимо, так как запаздывание процесса накопления ошибки приведет к «вылетанию» регулируемого параметра и появлению колебаний.
С применением дифференциального управления
система получает возможность компенсировать возможную будущую ошибку параметра. Расчет дифференциальной составляющей численно выглядит как разность между текущим и предыдущим значением параметра, умноженную на коэффициент регулирования K D . Так как используется измерения, выполненные в небольшом интервале времени, ошибки и внешнее воздействие сильно влияет на процесс регулирования. Дифференциальное управление в чистом виде трудно реализуется для большинства систем из-за указанных факторов.
В сумме, три компоненты ПИД регулятора обеспечивает получение эффективного результата в коротком промежутке времени (Рис. 4).
На практике лучшие результаты достигаются подбором констант для каждого компонента регулирования. Также находят применения саморегулирующие ПИД контроллеры, для которых коэффициенты рассчитываются программным путем внутри системы.
Для процессов системы требуется способность параметров к реагированию на внешнее действие и поддержание системных постоянных величин. Для примера, система насосов с клапанами отвода. Для каждого клапана поддержание потока в постоянном виде обеспечивает постоянное давление в трубах. Помпа в системе приводится в действие приводом, при открывании клапана скорость двигателя увеличивается и снижается при закрытии, чтобы поддерживать давление в трубах на одном уровне.
Настраивание ПИД-регулятора общего вида
Для такого поддержания давления существует прибор, который называется регулятором задания. Давление в трубах на датчике идет в сравнение с параметром заданного давления. Регулятор сравнивает системное давление с давлением задания, определяет задачу скорости для двигателя для изменения ошибки. Простой вид регулятора применяет план действий ПИД-регулирования. В нем применяются три составляющие типа регуляторов для удаления ошибки: дифференциальный, интегральный и пропорциональный регулятор.
Регулятор пропорционального типа
Такой регулятор – главный, скорость задается в прямой зависимости от ошибки. При применении пропорционального регулятора система будет иметь ошибку. Малые значения коэффициента регулятора пропорционального типа дают вялость системы, а высокие параметры к колебаниям и нестабильности системы.
Регулятор интегрального типа
Такой регулятор применяется для удаления ошибки. Скорость увеличится до удаления ошибки (снизится при негативной ошибке). Небольшие значения суммирующей составляющей слишком оказывают влияние на деятельность регулятора в общем. При установлении больших значений происходит промахивание системы, она функционирует с перерегулированием.
Регулятор дифференциального типа
Такой регулятор измеряет скорость корректировки ошибки, применяет для повышения системного быстродействия, увеличивает регуляторное быстродействие в общем. Во время увеличения быстродействия регулятора повышается перерегулирование. Это обуславливает к системной нестабильности. Во многих случаях составляющая дифференциальная становится равной нулю или близкой к наименьшему значению для того, чтобы предотвратить это состояние. Она бывает полезной в позиционирующей системе.
Работа регулятора в обратном и прямом действии
Множество регуляторов имеют принцип прямого действия. Повышение скорости двигателя приводит к повышению переменной величины процесса. Это случай в системе насосов, давление это величина переменная процесса. Повышение скорости двигателя обуславливает повышение давления. Во многих системах повышение скорости двигателя обуславливает к снижению параметра переменной процесса. Температура вещества, которое обдувается вентиляционной системой теплообменника – процессная переменная величина: при повышении скорости вентиляционной системы температура вещества снижается. В этом разе нужно применить регулятор действия обратного вида.
Настраивание ПИД-регулятора
Для моторной управляемости системы настраивание ПИД-регулятора бывает сложным процессом. Расскажем, какие шаги для настройки могут сделать проще эту процедуру.
- Определите значение дифференциальной и интегральной равной нулю. Определите наибольшую скорость и контролируйте системную реакцию.
- Повышайте составляющую прямопропорционально и выполните первый пункт. Продолжайте действия до момента начала процесса с автоматическими колебаниями возле точки определения скорости.
- Снижайте пропорциональную величину, пока система не стабилизируется. Волны колебаний начнут затухать.
- Определите пропорциональную величину около 15% меньше этого постоянного пункта.
- Определяйте наибольшую скорость прерывисто, повышайте суммирующую составляющую до начала уменьшения колебаний скорости перед стабильным состоянием системы. Снижайте суммирующую составляющую до достижения системой определенной скорости без ошибки и колебаний.
- Во многих системах настраивание составляющей дифференциального вида не нужно. Если нужно быстродействие системы больше, то можно достигнуть этого путем настройки составляющей дифференциального вида. Устанавливайте скорость по интервалам, повышайте составляющую дифференциального вида, пока не стабилизируется система с наименьшим временем действия (повышайте медленно, избегая состояния нестабильности). Система станет оптимальной при одном перерегулировании.
- Контролируйте стабильность системы, устанавливая значения скорости с интервалами и периодами для гарантированной стабильности системы при плохом исполнении задания.
Настраивание датчика на 20 миллиампер ПИД-регулированием
1. Действия в программном меню
3. Подсоединение датчика (выход на 20 миллиампер)
- Установку производить при .
- Напряжение датчика подсоединить к контакту «+24В», сигнал соединить с контактом «AI1», установить перемычку на контакты «COM» и «GND».
Переставить соединение «J1» в состояние «I».
4. Контроль обратной связи
- Подключите напряжение на частотный преобразователь, на экране возникнет подсветка 50 герц.
- Нажмите клавишу «сдвиг» 2 раза.
- На экране будет параметр обратной связи в интервале 0-10 (0-20 мА), зависит от настраиваемого параметра.
Связь обратного вида (4 мА).
- После подтверждения обратной связи нажмите три раза клавишу «сдвиг», появится на экране 50 герц.
- Установите наименьшее значение сигнала входа в величине Р4-13=2.00 (4 мА).
5.Как настраивать значение параметра ПИД-регулирования.
- Установите источник основной частоты Р0-03=8 (частоту определяет ПИД-регулятор).
- Поставьте значение ПИД-регулятора в значение РА-01= результат поддерживаемой величины в процентах (от 0 до 100%) от интервала датчика, РА-01= (результат поддерживаемого параметра/интервал датчика)*100%.
Пример установки значения:
Подсоединен датчик давления на 16 бар с сигналом выхода от 4 до 20 мА. Для давления в 10 бар нужно установить значение
РА-01=(10/16)*100%=62,5%
Произведите тестовый пуск. Проверяйте поддерживаемое значение параметра по приборам, дублирующим измерения (ротаметр, термометр, манометр). Если система регулировки функционирует нестабильно или долгий отклик на замену проверяемого параметра, то применяйте настройки значений РА-05, -06, -07. Эти значения предназначены для точной настройки ПИД-регулятора.
Пример использования регулирования ПИД
Данные
- Механизм вентиляторного управления.
- Характеристика градуировочная датчика давления, интервал 1000-5000 Па, ток 4-20 мА.
- Значение давления 1500 Па.
- Мощность механизма и инерционные данные вентилятора отсутствуют.
Наружные подключения
Датчик обратной связи подсоединен к токовому входу аналогового типа, датчик значения уставки к входу аналогового типа напряжения.
Обратная связь
Датчик связи определен по токовому выходу, входом связи обратного вида применяется токовый вход. Задается РR.10-00=02 (обратная связь с минусом по входу, повышение частоты выхода, повышает давление).
Отградуированная характеристика датчика
Сигнал связи обратного вида в масштабе
Вход связи обратного вида не создает масштаб по усилению и смещению. Применяя параметр PR10-01 можно изменять значение сигнала связи обратного вида в расчетах.
Применение параметра PR10-01 для корректировки значения сигнала связи обратного типа.
Значением PR10-01 можно корректировать значение сигнала связи обратного вида, который применяется в вычислениях. Интервал пропорциональности 0-10, по настройкам завода 1.
Сигнал связи обратного вида повышается в 2 раза перед установкой в ПИД-регулятор. Это равно снижению интервала входа в 2 раза.
Сигнал связи обратного вида снижается в 2 раза перед установкой в регулятор, это эквивалентно увеличению интервала входа в 2 раза. Сейчас интервал ограничен значением датчика.
Пример установки значения параметра PR10-01 (масштаб усиления обратной связи).
Интервал действия датчика:
1000Ра – 5000Ра.
Наибольшее давление функционирования: 2000Ра.
Применяемая часть интервала работы датчика (закрепленная): -1000Ра-2000Ра.
Это будет равно: 2000Ра –(-1000Ра)
5000Ра –(-1000Ра) = 50%
Если интервал действия не больше 2000Ра с датчиком, то величина параметра
PR10-01 = 1/50%=2
Формула вычисления параметра PR10-01.
Наибольший сигнал датчика: MaxVal
Наименьший сигнал датчика: MinVal
Наибольший нужный сигнал связи обратного вида MaxFBVal
Величина значения ПИД (установленная частота).
Установленную частоту можно изменять операторами наклона и перемещения опции преобразования.
Направление момента вращения установки вентилятора не изменяется, лучше применять AVI вход с заданием значения PR 02-00=01.
PR10-01 (наибольшая частота).
Задать в PR01-00 величину наибольшей вентиляции (PR01-00 = 50 герц).
Наименьшая частота.
Наименьшая частота не оказывает влияния на действие регулировки.
Наклон и перемещение опции преобразования.
Задать PR04-00 AVI перемещение интервала.
PR04-01 AVI полярность.
PR04-02 AVI корректировка наклона.
Вращение производится в одну сторону, PR04-03 = 0 (по заводским настройкам).
Величина уставки.
Для установки величины входа интервал частоты рассчитывается 0-100%.
Установка значения уставки.
При функционировании вентилятора давлению в 1500 Ра равен сигнал датчика 10,67 мА. Величине уставки 1500 Ра равна частота выхода 42%*50 герц = 21 герц и 84%*50 герц = 42 герц.
Можно устанавливать значение в Ра. Если 100% интервала равно 2000 Ра, то при коэффициенте 00-05 = 2000/Fmax = 2000/50 = 40, установленная величина 1500 и задается 1500 Ра.
Интервал частоты выхода.
Верхняя граница частоты выхода при регулировке определяется формулой:
Fmax=Pr01-00хPr10-07.
ПИД-регулирование
Ускорение – замедление.
При взаимодействии с регулированием ПИД нужно время ускорения и замедления устанавливать минимальным для качественной регулировки.
Настраивание регулятора:
- Задать величину I для легкого отклика, без перерегулировки.
- Значение параметра для вентилятора не нужно, из-за замедления процесса.
- Задать другие значения величин.
Советы по настраиванию:
- Повышение Р разгоняет процесс, снижает ошибки.
- При большом Р появляется неустойчивость процесса.
- Снижение величины I ускоряет процесс, делает нестабильным.
- Быстрота дает снижение Р и I.
- Замедление вентилятора определяет большего значения Р.
- Задайте время ускорения и замедления наименьшим.
Общие сведения
Обычно, при использовании пропорционально-интегрально-дифференциального или ПИД- (PID- Proportional-Integral-Derivative) регулятора и грамотной его настройке, достигается лучшая точность управления по сравнению с двухпозиционным (релейным) регулятором. Но для оптимальной настройки регулятора и, как следствие, получение желаемого качества управления, необходимо понимание механизмов и принципов работы ПИД-регулятора.
При ПИД-регулировании сигнал управления зависит не только от разницы между текущим и заданным значением (величины ошибки или рассогласования), а также от накопленной ошибки (интеграла) и от скорости изменения ошибки во времени (дифференциала). В результате ПИД-регулятор обеспечивает такое значение сигнала управления, при котором ошибка в установившемся режиме стремится к нулю. Качество управления определяется многими факторами, ключевыми являются недетерминированность объекта управления, точность ввода-вывода регулятора и интенсивность внешних воздействий.
Где:
Xp - полоса пропорциональности
Ei = (SP-PV) = (уставка-тек) = ошибка (рассогласование)
Тд - постоянная времени дифференцирования
∆Ei - разность ошибок соседних измерений (Ei - Ei-1)
∆tизм - время между соседними измерениями (ti - t i-1)
Ти - постоянная времени интегрирования
- Накопленная к i-ому шагу сумма рассогласований (интегральная сумма)
Легко заметить, что сигнал управления является суммой трех составляющих: пропорциональной (слагаемое 1), дифференциальной (слагаемое 2), и интегральной (слагаемое 3).
Пропорциональная составляющая зависит от текущей ошибки Ei и компенсирует текущую ошибку пропорционально ее величине.
Дифференциальная составляющая зависит от скорости изменения ошибки ∆Ei / ∆tизм и компенсирует резкие возмущения.
Интегральная составляющая накапливает ошибку регулирования, что позволяет ПИД-регулятору поддерживать нулевую ошибку в установившемся режиме (устраняет статическую ошибку управления).
Обычно ПИД-регулятор имеет дополнительные параметры помимо трех коэффициентов (Xp, Ти, Тд). Рассмотрим их более подробно на примере скриншота меню параметров ПИД-регулятора прибора “ ”.
| Рис. 1 |
 |
Каналов (выходов) ПИД-регулирования в приборе может быть несколько и параметры для каждого из них свои собственные. Поэтому выберите желаемый канал в первой графе.
Источником обратной связи с объекта управления (текущая контролируемая величина) может быть любой измерительный канал прибора, поэтому необходимо выбрать желаемый измерительный канал в графе ВЛАДЕЛЕЦ.
ПИД-регулятор может управлять как по закону прямой логики (управление печью), так и по обратному закону (управление хладоустановкой). Выберите желаемую логику работы.
Уставка (SP) - это желаемая величина, на которую регулятор должен выйти в установившемся режиме.
Xp - зона пропорциональности. Задается в единицах контролируемой величины (для терморегулятора в градусах). Зона пропорциональности называется так, потому что только в ней ((SP - Xp)…(SP + Xp)) пропорциональная составляющая ПИД-регулятора может формировать мощность выходного сигнала управления пропорционально ошибке. А за ее пределами мощность будет равна либо 0%, либо 100%. Таким образом, чем уже эта зона, тем быстрее отклик регулятора, но слишком высокое быстродействие может ввести систему в автоколебательный режим.
Ти - постоянная времени интегрирования.
Тд - постоянная времени дифференцирования.
Текущая мощность - это информационный параметр.
Минимальная и максимальная мощность определяют границы мощности выхода ПИД-регулятора.
Аварийная мощность - это такая мощность, которая формируется регулятором при неисправности датчика или измерительного канала. Так можно обеспечить отрицательную температуру холодильной камеры или не дать остыть печи даже при аварийной ситуации.
Последним параметром идет период ШИМ. Этот параметр один для всех ПИД-регуляторов, т.к. каналы ШИМ синхронизированы между собой от одного таймера. ШИМ сигнал позволяет регулировать мощность посредством регулировки скважности сигнала (регулируется ширина импульса при постоянной частоте модуляции). Разрядность ШИМ (число позиций мощности) равна 8192 дискреты (13 бит). Период ШИМ (от 1 мс до 250 сек). Этот параметр зависит от типа и коммутационных способностей силовых исполнительных ключей (м.б. реле, пускатель, твердотельное реле, симистор). Чем выше частота коммутации (чем меньше период) тем больше тепловые потери в ключах (квадратичная зависимость потерь от частоты) и больше износ механических коммутаторов, но лучше качество регулирования. Важно найти золотую середину.
Настройка пропорциональной компоненты (Xp)
Перед настройкой зоны пропорциональности интегральная и дифференциальная компоненты отключаются, постоянная интегрирования устанавливается максимально возможной (Ти = макс), а постоянная дифференцирования минимально возможной (Тд = 0). Устанавливается безопасная величина уставки, равная (0,7…0,9)×SP, где SP - это реальная уставка настраиваемой системы. Зона пропорциональности устанавливается минимально возможной (Xp = 0).
В этом случае регулятор выполняет функции двухпозиционного релейного регулятора с гистерезисом равным нулю. Регистрируется переходная характеристика.
| Рис. 2 |
 |
Тο - начальная температура в системе;
Тsp - заданная температура (уставка);
∆T - размах колебаний температуры;
∆t - период колебаний температуры.
Установить зону пропорциональности равной размаху колебаний температуры: Xp = ∆T. Это значение служит
первым приближением для зоны пропорциональности.
Следует проанализировать переходную характеристики еще раз и при необходимости скорректировать значение зоны пропорциональности. Возможные варианты переходных характеристик показаны на рис. 3.
| Рис. 3 |
 |
Переходная характеристика типа 1: Значение зоны пропорциональности очень мало, переходная характеристика далека от оптимальной. Зону пропорциональности следует значительно увеличить.
Переходная характеристика типа 2: В переходной характеристике наблюдаются затухающие колебания (5 - 6 периодов). Если в дальнейшем предполагается использовать и дифференциальную компоненту ПИД-регулятора, то выбранное значение зоны пропорциональности является оптимальным. Для этого случая настройка зоны пропорциональности считается законченной.
Если в дальнейшем дифференциальная компоненты использоваться не будет, то рекомендуется еще увеличить зону пропорциональности так, чтобы получились переходные характеристики типа 3 или 4.
Переходная характеристика типа 3: В переходной характеристике наблюдаются небольшой выброс (перерегулирование) и быстро затухающие колебания (1 - 2 периода). Этот тип переходной характеристики обеспечивает хорошее быстродействие и быстрый выход на заданную температуру. В большинстве случаев его можно считать оптимальным, если в системе допускаются выбросы (перегревы) при переходе с одной температуры на другую.
Выбросы устраняются дополнительным увеличением зоны пропорциональности так, чтобы получилась переходная характеристика типа 4.
Переходная характеристика типа 4: Температура плавно подходит к установившемуся значению без выбросов и колебаний. Этот тип переходной характеристики также можно считать оптимальным, однако быстродействие регулятора несколько снижено.
Переходная характеристика типа 5: Сильно затянутый подход к установившемуся значению говорит о том, что зона пропорциональности чрезмерно велика. Динамическая и статическая точность регулирования здесь мала.
Следует обратить внимание на два обстоятельства. Во-первых, во всех рассмотренных выше случаях установившееся значение температуры в системе не совпадает со значением уставки. Чем больше зона пропорциональности, тем больше остаточное рассогласование. Во-вторых, длительность переходных процессов тем больше, чем больше зона пропорциональности. Таким образом, нужно стремиться выбирать зону пропорциональности как можно меньше. Вместе с тем, остаточное рассогласование, характерное для чисто пропорциональных регуляторов (П-регуляторов), убирается интегральной компонентой регулятора.
Настройка дифференциальной компоненты (Tд)
Этот этап присутствует только в том случае, если применяется полнофункциональный ПИД-регулятор. Если дифференциальная компонента применяться не будет (используется пропорционально-интегральный (ПИ) регулятор), то следует пропустить этот этап.
На предыдущем этапе была задана зона пропорциональности, соответствующая переходной характеристике типа 2, в которой присутствуют затухающие колебания (см. рис. 3, кривая 2, рис. 4, кривая 1.).
| Рис. 4 |
 |
Следует установить постоянную времени дифференцирования Тд так, чтобы переходная характеристика имела вид кривой 2 на рис. 4. В качестве первого приближения постоянная времени дифференцирования делается равной Тд = 0,2×∆t.
Примечательно то, что дифференциальная компонента устраняет затухающие колебания и делает переходную характеристику, похожей на тип 3 (см. рис. 3). При этом зона пропорциональности меньше, чем для типа 3. Это значит, что динамическая и статическая точность регулирования при наличии дифференциальной компоненты (ПД-регулятор) может быть выше, чем для П-регулятора.
Настройка интегральной компоненты (Ти)
После настройки пропорциональной компоненты (а при необходимости и дифференциальной компоненты) получается переходная характеристика, показанная на следующем рисунке, кривая 1.
| Рис. 5 |
 |
Интегральная компонента предназначена для того, чтобы убрать остаточное рассогласование между установившимся в системе значением температуры и уставкой. Начинать настраивать постоянную времени интегрирования следует с величины Ти = ∆t.
Переходная характеристика типа 2: Получается при чрезмерно большой величине постоянной времени интегрирования. Выход на уставку получается очень затянутым.
Переходная характеристика типа 4: Получается при слишком малой величине постоянной времени интегрирования. Если постоянную времени интегрирования уменьшить еще, то в системе могут возникнуть колебания.
Переходная характеристика типа 3: Оптимальная.
Использованные источники информации
- Сабинин Ю.А. Ковчин С.А. “Теория электропривода”
- Шрейнер Р. Т. “Системы подчиненного регулирования электроприводов”
- Олссон, Пиани “Цифровые системы автоматизации и управления”
- Материалы сайта www.asu-tp.org
Я брал год назад по другой ссылке за 50 с лишним долларов, но там комплект с еще одним, более навороченным термоконтроллером. Поэтому даю ссылку на другой лот с вроде бы нормальным продавцом и множеством заказов.
Брался для совсем других целей, но оказался приделан к кухонной электродуховке:) В этом применении работает отлично:)
Подробнее под катом.
Год назад я заказал себе для паяльной печи комплект из двух термоконтроллеров - один обозреваемый и второй гораздо более функциональный. Почему-то у меня появилась глупая мысль использовать их вместе, но когда уже получил заказ резко поумнел и этот сравнительно простой термоконтроллер остался не удел.
Итак, что этот термоконтроллер может. Самое главное, конечно же, это поддерживать заданную температуру, управляя нагревателем. Но чем он лучше любого термоконтроллера за 1.5-2 бакса, которых полно на Али? Самое главное - тем, что он обеспечивает регулирование температуры PID-регулятором.
постараюсь объяснить попроще что такое PID-регуляция:)
По русски это понятие, кстати, сокращается в те же буквы - ПИД, Пропорционально-Интегрирующе-Дифференцирующая регуляция.
В инете множество статей, посвященных ПИД, но очень мало рассказывающих об этом понятными словами. Я не популяризатор, но постараюсь изложить принцип работы ПИД-регуляторов максимально доступно:)
ЗЫ: конкретные цифры на графиках могут не совпадать с цифрами в примерах, но принцип сохраняется:)
Представьте, что у нас есть банка с водой, температуру которой нужно поддерживать 70 градусов с помощью вставленного в эту банку нагревателя мощностью 100 Ватт. Для измерения температуры в воду опущен термометр.
Самый простой способ сделать это как раз применяется в однбаксовых терморегуляторах: включаем нагреватель, температура достигает заданной, выключаем нагреватель, температура падает ниже заданной - включаем нагреватель, и т.д.
Элементарнейший и дешевейший способ, не требующий никаких вычислительных ресурсов. На этом принципе делают как цифровые контроллеры, так и аналоговые, и даже механические. Однако есть у него большой недостаток - он не поддерживает более-менее точно заданную температуру. С таким регулятором температура воды в нашей банке будет гулять вокруг заданной, то превышая ее, то падая ниже. График температуры будет напоминать пилу. Это называется пороговый регулятор, то есть который включает или выключает нагреватель по достижении заданных порогов:
А что если не просто включать-выключать нагреватель, а регулировать его мощность - чем температура воды ниже заданной тем больше мощности подаем на нагреватель? Звучит логично и вот так у нас и начинает появляться ПИД:) Точнее, появилась первая его составляющая Пс
- пропорциональная, значение которой прямо пропорционально разнице между заданной и текущей температурами. Итак, будем выдавать на нагреватель значение Пс
: при текущей температуре воды 20 градусов он выдаст в нагреватель 70-20=50 Ватт. Когда вода нагреется до 40 градусов, он уже будет выдавать 70-40=30 Ватт. При температуре воды 60 градусов он будет выдавать 70-60=10 Ватт. Отлично, никаких прыжков вокруг заданной температуры, все плавно:) Однако есть одна закавыка: при мощности на нагревателе 10 Ватт он уже не может и дальше нагревать воду, а может только удерживать эти достигнутые 60 градусов. Итак, вода 60 градусов, Пс
соответственно выдает 10 Ватт и температура воды стоит на месте, до 70 градусов с таким регулятором ей не добраться:
Нужно что-то добавлять к пропорциональной составляющей, какое-то значение, причем не постоянное. На помощь приходит Ис
- интегрирующая составляющая. Это накопитель ошибок. При каждом измерении в него добавляется разница между заданной и текущей температурами. Если заданная температура больше, то добавляется положительное число, если меньше, то отрицательное. У этой составляющей есть заданное максимальное значение, превысить которое она не может, то есть если при очередном добавлении оказывается, что сумма превысит максимум, то Ис
становится равной максимуму, но не больше. То же касается нуля - отрицательным числом она тоже не может стать. Пусть у нас этот максимум будет равен мощности нагревателя - 100. Теперь на нагреватель будет выдаваться суммарное значение мощности Пс
+Ис
. Для примера последовательность температур и что при этом получается:
1. Температура 20 градусов, Ис
изначально равна нулю, Пс
=70-20=50, в нагреватель выдается Ис
+Пс
=0+50=50 Ватт.
2. Вода нагрелась до 30 градусов, Ис
=0(ее предыдущее значение)+(70-30)=40, Пс
=70-30=40, в нагреватель выдается Ис
+Пс
=40+40=80 Ватт.
3. Вода нагрелась до 40 градусов, Ис
=40(ее предыдущее значение)+(70-40)=70, Пс
=70-40=30, в нагреватель выдается Ис
+Пс
=70+30=100 Ватт.
4. Вода нагрелась до 60 градусов, Ис
=70(ее предыдущее значение)+(70-60)=80, Пс
=70-60=10, в нагреватель выдается Ис
+Пс
=80+10=90 Ватт.
Смотрите-ка, пока все выглядит неплохо, вода уже 60 градусов, а нагреватель все еще греет воду, хотя и начал снижать мощность:)
5. Вода нагрелась до 70 градусов, Ис
=80(ее предыдущее значение)+(70-70)=80, Пс
=70-70=0, в нагреватель выдается Ис
+Пс
=80+0=80 Ватт.
6. Вода нагрелась до 80 градусов, Ис
=80(ее предыдущее значение)+(70-80)=70, Пс
=70-80=-10, в нагреватель выдается Ис
+Пс
=70+(-10)=60 Ватт.
Вода перегрелась. И хотя, как видно, мощность пошла вниз, температура еще будет какое-то время колебаться пока не успокоится на заданном значении:
Это называется перерегулирование. Происходит оно из-за того, что и нагреватель и термометр и, главное, вода имеют какую-то инерцию, регулятор получает обратную связь (показания температуры) с определенным запаздыванием. При подаче на нагреватель полной мощности вода не нагреется мгновенно до 100 градусов, и точно так же она не остынет мгновенно при выключении нагревателя. Регулятор посмотрел на температуру - холодная вода, добавил мощности. Через 2 секунды глянул - все еще холодная - опять добавил. А когда в очередной раз он обнаруживает, что вода уже дошла до нужной температуры то начинает выдавать мощность, накопленную в Ис
, считая, что это как раз нужное для поддержания температуры значение мощности (на самом деле интегрирующая составляющая после устаканивания всех возмущений действительно содержит значение, необходимое для ровного поддержания регулируемой величины, а пропорциональная призвана только компенсировать случайные отклонения). Но для воды это много и она продолжает нагреваться. И только после превышения заданной температуры регулятор начинает снижать мощность. И эта качка продолжается некоторое время пока значение Ис
не придет к нужной величине.
Что можно предпринять в таком случае? Ну, например можно понизить влияние на выходную мощность Ис
. Это называется коэффициент, у каждой составляющей ПИД может быть свой коэффициент, которым можно повышать или понижать влияние этой составляющей на выходной результат. Уменьшим влияние Ис
до 0.3 от его значения - Ис
*0.3:
Уже лучше, но все равно есть колебание в начале. Это из-за слишком большого влияния пропорциональной составляющей, давайте уменьшим и ее влияние в 2 раз - Пс
*0.5:
Идеально, правда? :)
Нуу… Почти. Колебаний нет, но вот время нагрева увеличилось. Оно пришло к заданной температуре только к 25-му отсчету.
На самом деле зачастую используют ПИ-регулятор, без его дифференцирующей части и это вполне работает, как видно. Однако часто можно добиться еще лучшего результата с использованием третьей составляющей - дифференцирующей, Дс
.
Она является «демпфером», не дающим регулируемому устройству слишком быстро менять свое состояние. В нашем примере Дс
начнет снижать выходную мощность тем сильнее чем быстрее будет нагреваться вода, иными словами она не даст «разогнаться» графику роста температуры настолько, чтобы он проскочил заданную температуру:) При этом, пока до заданной температуры далеко влияние Дс
не очень значительно на фоне других составляющих, температура может расти быстро. Но чем ближе она к заданной тем сильнее становится влияние Дс
на фоне все уменьшающихся Ис
и Пс
.
Дс
в отличии от Пс
и Ис
не прибавляется к выходному сигналу (в нашем примере- мощности), а вычитается из него. Она равна скорости изменения регулируемой величины (в нашем примере - температуры). Например, если в прошлый замер температура была 28 градусов, а в текущем замере она уже 31 градус, то Дс
будет равна 3 - на столько температура выросла с прошлого замера, это скорость роста температуры. И это значение, возможно умноженное на свой коэффициент, вычитается из выходной мощности, потому эта составляющая и называется дифференцирующей:)
Вот что получится при добавлении Дс
:
Как видно, температура вышла на режим гораздо быстрее и при этом без всплесков и колебаний. Попытку регулятора проскочить температуру вверх погасила как раз дифференцирующая составляющая.
Вот, если интересно, график изменения значений Пс
, Ис
и Дс
в этом регуляторе в том же временном масштабе:
А вот что было бы без дифференцирующей составляющей при тех же условиях:
И еще раз коротким итогом:)
ПИД - это регулятор, который формирует сигнал воздействия на регулируемую величину из трех составляющих: пропорциональной, интегрирующей и дифференцирующей.
Пропорциональная составляющая добавляет в выходной сигнал сиюминутную разницу между заданной и текущей измеренной величинами (т.н. ошибку). Интегрирующая накапливает (интегрирует) разницы всех измерений и добавляет в выходной сигнал накопленное значение (но не превышающее заданного максимума). Дифференцирующая определяет скорость изменения регулируемой величины (на сколько она изменилась с прошлого измерения) и вычитает эту величину из выходного сигнала. Все три составляющие могут иметь свои коэффициенты, усиливающие или ослабляющие их влияние на выходной сигнал.
Уфф… :) Ну, я говорил, что не являюсь популяризатором, поэтому за доходчивость своего изложения не отвечаю. Но я старался:)
ЗЫ: самое веселое заключается в подборе коэффициентов этих составляющих, т.к. без правильных (хотя бы примерно) значений этих коэффициентов ПИД-регулятор или вообще не будет регулировать или будет регулировать очень плохо. Подбор идеальных коэффициентов, как я понял, дело весьма нетривиальное. Пока я не встречал в инете доступное объяснение как их рассчитывать, в основном приводятся методики их экспериментального подбора. Что, впрочем, достаточно логично, т.к. для расчета нужно столько всего знать о регулируемом механизме, сколько о нем не всегда знают даже его создатели:))
Основные параметры этого регулятора (именно этой модели - REX-C100FK02-V*AN):
- питание - 24 вольта постоянного напряжения / 24 вольта переменного напряжения / 85-264 вольта переменного напряжения
- потребление - не более 9 VA при питании 240 вольт
- выход - напряжение, 12 вольт, сопротивление нагрузки 600 Ом и выше
- тип подключаемой термопары - K (в настройках можно выбрать целую кучу типов, но я не уверен, что железо универсальное и поддерживает всю эту кучу)
- диапазон регулирования температуры - 0-400 градусов Цельсия (зависит от типа термопары)
- выход аварийной сигнализации - один выход, реле на замыкание
- период цикла регулирования - 0.5 сек
- метод регулирования - PID, вкл/выкл (дискретный), P, PI, PD (настраивается)
- вес - около 170 грамм
- крепление - в отверстие панели
А вот качественный англоязычный, чуть более полный, но по настройкам немного не соответствует -
И пролежал бы он у меня еще неизвестно сколько, если бы жена не пожаловалась, что в нашей электродуховке она не может запекать полимерную глину - температуру там нормально не выставить. Да и пироги порой подгорают:) Духовка из самых дешевых, увы:) И я вспомнил об этом контроллере. Мне он не понадобился, слишком примитивен, а вот для духовки - самое то. Но решил я не курочить духовку, а сделать отдельную коробочку с этим регулятором и твердотельным реле на 40 ампер. Точно такое же реле уже год трудится у меня на почти такой же духовке (переделанной в паяльную печь) и не жужжит.
Крепится контроллер очень просто - вставляется в панель и с обратной стороны поджимается рамкой с защелками. Рамка снабжена пружинными рычажками, поджимающими регулятор:
Все подключения производятся через винтовые клеммы на задней стенке:
Подключение очень понятно расписано как на наклейке на корпусе контроллера, так и в мануале.
Меня интересует: питание (220 вольт), выход управляющего напряжения (прямиком на твердотельное реле), вход термопары.
При желании можно еще подключить выход аварийной сигнализации. Ее можно отключить или настроить на один из режимов:
- превышение заданной температуры
- падение ниже заданной температуры
- попадание в заданный промежуток температуры
- выход за заданный промежуток температуры
Внутренности
Разбирается контроллер очень легко и даже без применения инструментов. Для этого нужно нажать защелку на корпусе (у нее даже есть выступы для нажатия пальцем):
и потянуть корпус, второй рукой удерживая рамку передней панели:
Контроллер состоит из трех плат: собственно управляющая, блок питания и дисплей с кнопками. Платы управления и БП соединяются довольно жестким шлейфом, плата дисплея припаяна к плате управления:
С клеммниками платы соединяются через скользящие контакты:
Платы крупнее:
Общий план был такой - отдельная коробочка с контроллером и твердотельным реле на радиаторе, из нее выходят два силовых провода с вилкой и розеткой (да, розетка на проводе) и термопара. Термопара вставляется в духовку и зажимается ее дверцей, изоляция у термопары термоупорная, ничего ей не будет:)
Сначала мелькнула мысль напечатать корпус на 3D-принтере, но печатать такой размер из ABS на моем открытом всем сквознякам Anet A8 - геморрой, а PLA, размягчающийся уже при 55-60 градусах рядом с духовкой долго не проживет. Решил резать из литого поликарбоната толщиной 6 мм, их у меня есть несколько листов 50х50 см:)
Для начала нарисовал модель (стакан для масштаба):
Вот так оно будет собираться:
Верхняя крышка и одна стенка съемные, на винтах, остальное клееное. Правда, уже потом, когда все было сделано, до меня дошло, что лучше бы было сделать съемным дно, а не крышку, но переделывать не стал:)
Вырезал на фрезерном станке, так что размеры сошлись идеально. Неидеально сошлась только толщина, которая оказалась 5.9 мм вместо 6. Для более прочной склейки (или чтобы думать что так более прочно) по краям стенок сделал проточки, так что стенки соединяются полупазами:
И вот кучка запчастей готова к дальнейшей работе:
Сначала думал обклеить самоклейкой, но во-первых в магазине мне не попалась пленка нормального цвета, только цветочки да тканевые узоры, а во-вторых я не был уверен, что смогу обклеить без складок и щелей, так что решил красить.
Предварительная примерка показала что все сходится, поэтому закрепил стенки малярным скотчем и проклеил все стыки. Клеил дихлорметаном, держит железно. Набрал его в шприц с иглой, у которой отрезал скошенный носик, и прошелся иголкой по всем стыкам изнутри (даже по одному стыку, который не надо было клеить, увлекся:)). Дихлорметан очень текуч - моментально заполняет мельчайшие щели, и очень интенсивно испаряется, так что даже не пришлось давить поршень, тепло рук нагревало дихлорметан достаточно, чтобы его испарения создавали избыточное давление внутри шприца.
Сохнет:
А пока корпус сох, я откопал у себя кусок радиатора, который когда-то зачем-то заказывал на али (уже даже не помню зачем). По размерам он подошел идеально, разве что по длине пришлось отпилить нужный кусок.
Распечатал шаблон отверстий, прихватил его кусочками двухстороннего скотча к радиатору и просверлил отверстия:
После чего обнаружил, что слегка неправильно нарисовал модель твердотельного реле, и отверстия на радиаторе теперь не совсем совпадают с отверстиями в реле. К счастью, я ошибся очень удачно - во-первых не совпадало только одно отверстие, а во-вторых оно не совпадало так сильно, что совершенно не мешало просверлить правильное:) Так что все обошлось просто лишним отверстием:)
Через час корпус уже был достаточно прочным, чтобы можно было спокойно его крутить и примерять. И вот тут я обнаружил свой второй прокол в модели: сам-то контроллер по габаритам я нарисовал верно, а вот крепежную рамку с защелками рисовать не стал. И оказалось, что она теперь мешает крышке закрыться примерно на 3 мм. Пришлось класть крышку в станок и фрезеровать на ее внутренней стороне выемку.
Еще одна моя ошибка была в том, что узкие планки, которые я приклеил к стенкам и к которым должны прикручиваться крышки, я вырезал без отверстий для болтов. Решил, что приклею, а потом по месту просверлю. Сверлить ровно и именно там где наметил никогда не было моей сильной стороной. Короче, почти все отверстия в этих планках уехали. Из-за этого пришлось разбивать сверлом отверстия в крышках и зенковкой пытаться профрезеровать скосы для шляпок в ту же сторону:) Получился слегка колхоз…
Кстати, резьба в поликарбонате держит болты очень хорошо, никаких гаек не нужно.
Перед покраской слегка закруглил грани с помощью напильника и шкурки, процесс очень быстрый и легкий.
В процессе покраски я не делал фото, как-то забыл об этом, да там ничего интересного, в общем-то, и нет. Шкуркой заматировал поверхности, обезжирил, покрыл двумя слоями грунта и потом двумя слоями краски.
Почему такой цвет? А фиг его знает:) Просто кроме этого у меня были лишь черный, синий, красный и зеленый, а они мне не нравились в данном случае:) Ну и почему бы и нет:)
В отверстия для проводов я вставил специальные резиновые шайбы для таких случаев, брал их тоже на али:
(коцка - это результат моего нетерпения, полез ковырять корпус когда краска еще не высохла окончательно)
Так как они не предназначены для панелей толщиной 6 мм, пришлось с внутренней стороны делать под них выемки, оставляя стенки толщиной 1 мм:
Затянул в отверстия силовые провода, соединил заземление и одну из жил, из которой сделал отвод для запитки контроллера, как и от одной из вторых жил, идущей от вилки, прикрутил реле на термопасту к радиатору, а радиатор к корпусу:
Дальше все просто - провода к реле, отмерить длину проводов до контроллера, отрезать, зачистить, залудить, прикрутить…
Все провода, выходящие из корпуса я обтянул изнутри стяжками чтобы их случайно не выдернули. Стандартная практика.
Все соединил и включил посмотреть не бахнет ли что-нибудь салютом. Не бахнуло:
Там в глубине корпуса можно увидеть светящийся индикатор реле, значит все нормально, можно собирать:)
Для начала я решил устроить ему стресс-тест и подключил к нему вот такой тепловентилятор на 3 кВт:
Термопару при этом я посадил на радиатор реле и закрепил кусочком каптона чтобы контролировать температуру не только на ощупь.
Включил, тепловентилятор зажужал, а я пошел писать спойлер про ПИД-регулятор, время от времени отвлекаясь и проверяя температуру радиатора. Через 15 минут после старта температура дошла до 50 градусов. Еще через 20 минут она была уже 67 градусов и на этом значении продержалась следующие 30 минут пока я не выключил все это - в офисе стало жарко:) Вердикт - с духовкой 1.5-2 кВт справится без проблем:)
Повседневное (когда не нужно менять какие-то глубокие настройки) управление этим контроллером очень простое. Сразу после подачи питания она начинает пытаться регулировать температуру, отдельного включения для этого не предусмотрено.
Вообще передняя панель минималистична:
Верхний, красный дисплей - измеряемая (текущая) температура
Нижний, зеленый дисплей - заданная температура
Индикаторы слева по порядку сверху вниз:
1. Аварийная сигнализация 1
2. Выходной сигнал
3. Аварийная сигнализация 2
4. Индикатор работающей автонастройки PID
Кнопки слева направо: «настройка», «сдвиг», «вверх», «вниз».
Для установки заданной температуры нажимаем «настройку», все разряды нижнего дисплея кроме младшего начинают мерцать. Кнопками «вверх» и «вниз» выставляем в младшем разряде нужную цифру и нажимаем «сдвиг», теперь мерцают все разряды кроме десятков, настройка сдвигается на разряд влево. И так выставляем нужные цифры во всех разрядах. Для окончания настройки нажимаем еще раз «настройку».
Более подробные настройки вкратце
Как я писал в спойлере про PID-регулятор, коэффициенты такого регулятора - дело тонкое и подбирать их нужно для каждого случая. Изначальные настройки коэффициентов в этом регуляторе скорее всего не подойдут под ваше применение, нужно подбирать свои. Эти коэффициенты и другие параметры в регуляторе можно изменить в более глубоких настройках. Чтобы войти в этот режим нажмите и удерживайте кнопку «настройка» 3-4 секунды.
На верхнем дисплее название параметра, а на нижнем - текущее значение этого параметра. Настройка значения производится так же, как и настройка температуры - кнопками вверх-вниз меняем текущий разряд, потом кнопкой сдвига переходим к следующему и т.д. Для перехода к следующему параметру нажимаем «настройку». Для сохранения всех настроек и выхода из этого режима жмем и удерживаем 3-4 секунды кнопку «настройка».
Список параметров в той последовательности в которой они перебираются:
- AL1 - настройка выхода первой аварийной сигнализации (в этой модели она одна, второй нет).
- AГU - автонастройка PID
- P - коэффициент Пс (пропорциональной составляющей ПИД), когда выставлен в 0 контроллер работает в дискретном режиме регулирования
- I - коэффициент Ис (интегрирующей составляющей ПИД), когда установлен в 0 контроллер работает в режиме ПД
- d - коэффициент Дс (дифференцирующей составляющей ПИД), когда установлен в 0 контроллер работает в режиме ПИ
- Ar - насколько я понял, этот параметр задает максимум Ис, но не уверен, что понял правильно.
- Г - тоже не совсем понял этот параметр, но похоже, что это период, с которым происходит измерение текущей температуры и соответствующее изменение выходного сигнала
- SC - тут можно подкорректировать показания термопары, это значение добавляется к ним. Может быть как положительным, так и отрицательным числом.
- LCK - блокировка настроек, 0000 - все настройки доступны, 0001 - изменить можно только заданную температуру и AL1, 0011 - изменить можно только заданную температуру, 0111 - изменить ничего нельзя.
И в этих настройках можно изменить коэффициенты ПИД на требуемые. Однако чтобы знать на что их менять нужно очень хорошо понимать что делаешь и как это отразится на работе контроллера, или же долго и нудно перебирать их в надежде наткнуться на правильные значения. И чтобы облегчить жизнь простым смертным в контроллере предусмотрена автоматическая настройка этих коэффициентов.
Порядок проведения автонастройки:
Все условия должны быть приближены к реальным. То есть если Вы настраиваете для использования с духовкой, то духовка должна быть подключена, закрыта и температура на контроллере должна быть выставлена на максимальную (можно процентов на 10 меньше) из того диапазона, который предполагается применять в духовке. В процессе настройки контроллер нагреет духовку до этой температуры и подержит ее некоторое время.
Итак, подключили духовку (но пока не включаем ее нагреватели), выставили температуру (я установил 180 градусов), заходим в настройки, перебираем пункты пока не появится AГU, выставляем в 1 младший разряд и выходим из настроек. Начинает мигать индикатор AT. Теперь включаем нагреватели духовки и ждем пока мигание AT прекратится. Контроллер нагревает духовку постоянным нагревом до заданной температуры, выключает нагрев и следит за тем на сколько и как быстро температура превысит заданную после выключения нагрева. Исходя из скорости нагрева, «перескока» температуры и скорости дальнейшего остывания он и вычисляет коэффициенты ПИД. Этот процесс он может повторить 2-3 раза для уточнения.
Процесс автонастройки категорически рекомендуется после покупки или после изменения условий работы (другой нагревательный прибор, что-то изменили в текущем нагревателе и т.п., то есть все, что влияет на процесс нагрева). У меня до автонастройки контроллер вообще не мог довести температуру духовки до заданных 180 градусов. Провел автонастройку (видео ускороено в 10 раз):
И работа контроллера после этого (тоже ускорено в 10 раз):
Как видно, ПИД остался настроен не совсем оптимально (а никто и не обещал идеала:)), температура перескакивает по инерции заданную аж на 10 градусов. В дальнейшем при желании можно подкорректировать вычисленные им коэффициенты (что я и сделаю на домашней духовке), но при этом нужно понимать что и зачем менять.
Кстати, тот второй, более продвинутый контроллер (он видел слева на видео) справился с автонастройкой гораздо лучше, ничего корректировать не пришлось, перескок температуры на 200 градусах не превышает 2-3 градусов.
Есть и еще один уровень настроек, вход в него осуществляется нажатием и удержанием в течении 3-4 секунд одновременно кнопок «настройка» и «сдвиг». Но туда без необходимости лучше не лазить, а при необходимости внимательно сверяться с мануалом:)
Результат всей этой возни:)
Итог:
Контроллер своих денег стоит и с работой справляется очень неплохо, особенно если настроить его чуть более тонко, чем предполагает автонастройка. Твердотельное реле тоже отлично справляется с достаточно большой нагрузкой, хотя насчет заявленных 40 ампер у меня очень большие сомнения. Максимум 20, да и то с хорошим радиатором и его активным охлаждением.
ПИД-регулятор является готовым устройством, которое позволит пользователю реализовывать программный алгоритм управления тем или иным оборудованием автоматизированной системы. Построение и настройка систем управления становится существенно проще если использовать готовые устройства наподобие универсального ПИД-регулятора ТРМ148 на 8 каналов компании Овен.
Скажем, вам нужно автоматизировать поддержание правильных климатических условий в теплице: учесть температуру почвы возле корней растений, давление воздуха, влажность воздуха и почвы, и поддерживать заданные параметры посредством управления и вентиляторами. Нет ничего проще, достаточно настроить ПИД-регулятор.
Давайте вспомним сначала, что же представляет собой ПИД-регулятор? ПИД-регулятор - это особое устройство, осуществляющее непрерывную точную регулировку выходных параметров тремя путями: пропорционально, интегрально и дифференциально, а исходные параметры - входные, получаемые с датчиков (давления, влажности, температуры, освещенности и т.д).
Входной параметр подается на вход ПИД-регулятора с датчика, допустим, с датчика влажности. Регулятор принимает величину напряжения или тока, измеряет ее, затем производит вычисления по своему алгоритму, и осуществляет в итоге подачу сигнала на соответствующий выход, в результате автоматизируемая система получает управляющее воздействие. Влажность почвы снизилась - включился на несколько секунд полив.
Цель - достигнуть заданной пользователем величины влажности. Или например: освещенность понизилась - включить над растениями фитолампы и т.д.
ПИД-регулирование
На самом деле, хотя с виду все просто, внутри регулятора математика посложнее, не в один шаг все происходит. После включения полива ПИД-регулятор снова делает замер, измеряя, насколько же изменилась теперь входная величина, - так находится ошибка регулирования. Следующее воздействие на исполнительный орган будет уже скорректировано с учетом измеренной ошибки регулирования, и так на каждом шагу управления, пока цель - заданный пользователем параметр - не будет достигнута.
Три составляющих участвуют в регулировании: пропорциональная, интегральная и дифференциальная. Каждая составляющая имеет свою степень значимости в каждой конкретной системе, и чем больший вклад вносит та или иная составляющая - тем существеннее именно она и должна быть изменена в процессе регулирования.
Пропорциональная составляющая - самая простая, чем больше изменение - тем больше коэффициент (пропорциональности в формуле), и чтобы воздействие уменьшить, достаточно просто уменьшить коэффициент (множитель).
Допустим, влажность почвы в теплице сильно ниже установленной - тогда время полива должно быть дольше во столько же раз, во сколько текущая влажность ниже установленной. Это грубый пример, но принцип в общих чертах именно таков.
Интегральная составляющая - она необходима для повышения точности управления с опорой на предыдущие события регулирования: предыдущие ошибки интегрируются, на них и делается поправка, чтобы в итоге получить нулевое отклонение при регулировании в будущем.
Наконец, дифференциальная составляющая. Здесь берется в расчет скорость изменения регулируемой величины. Плавно ли, резко ли изменяется задаваемая величина, - соответственно и регулирующее воздействие не должно приводить к чрезмерным отклонениям величины во время регулирования.
Остается выбрать прибор для ПИД-регулирования. Сегодня их на рынке много, есть многоканальные, позволяющие изменять сразу несколько параметров, как в приведенном выше примере с теплицей.
Рассмотрим устройство регулятора на примере универсального ПИД-регулятора ТРМ148 от компании Овен.
Входные восемь датчиков подают сигналы на соответствующие входы. Сигналы масштабируются, фильтруются, корректируются, их значения можно просмотреть на дисплее, произведя переключение кнопками.
Выходы прибора изготавливаются в разных модификациях в требуемых комбинациях из следующих:
реле 4 А 220 В;
транзисторные оптопары n–p–n-типа 400 мА 60 В;
симисторные оптопары 50 мА 300 В;
ЦАП «параметр–ток 4...20 мА»;
ЦАП «параметр–напряжение 0...10 В»;
выход 4...6 В 100 мА для управления твердотельным реле.
Так, управляющее воздействие может быть аналоговым или цифровым. - это импульсы изменяемой ширины, а аналоговый - в форме плавно изменяемого напряжения или тока в унифицированном диапазоне: от 0 до 10 В для напряжения, и от 4 до 20 мА - для токового сигнала.
Данные выходные сигналы как раз и служат для управления исполнительными приборами, скажем насосом системы полива или реле, включающим и выключающим ТЭН либо мотор управления задвижкой. На панели регулятора присутствуют сигнальные индикаторы.
Для взаимодействия с ПК, регулятор ТРМ148 оснащен интерфейсом RS-485, который позволяет:
- получать из сети оперативные данные для генерации управляющих сигналов.
конфигурировать прибор на ПК (программы для конфигурирования предоставляются бесплатно);
передавать в сеть текущие значения измеренных величин, выходной мощности регулятора, а также любых программируемых параметров;
