Пид контроллер: ПИД регулятор

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.

7971

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 (

K_c — 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 (

T_i — Integral Time). Большое значение T_i (длинное время интегрирования) приводит к медленному интегральному действию, а небольшое значение T_i (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 (T_i) в минутах, но некоторые определяют его в секундах. Немногие контроллеры, обычно с параллельным алгоритмом, используют параметр «интегральное усиление» (K_i) 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 (T_d). Чем больше значение этого времени, тем больше вклад дифференциального управления. Установка времени T_d 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

Цифровой ПИД-регулятор температуры – OMCH

Терморегуляторы – это приборы, используемые для управления отопительным оборудованием. Они используются в промышленных и бытовых условиях для поддержания заданной температуры в течение всего времени с минимальными колебаниями. В этой статье мы поговорим о ПИД-регуляторах температуры, о том, как они работают и как их использовать.

Что такое ПИД-регулятор температуры и как он работает?

Давайте поговорим о регуляторах температуры в целом, прежде чем обсуждать ПИД-регуляторы. Терморегуляторы — это устройства, которые могут управлять нагревательными элементами/змеевиками для обеспечения необходимой температуры процесса. Это могут быть электронные или электромеханические устройства, такие как термостаты. Их основная функция заключается в том, чтобы включать нагревательный элемент при температуре ниже минимальной и выключать их при достижении желаемой температуры.

Существует три основных типа регуляторов температуры; двухпозиционный, пропорциональный и ПИД-контур контроллеры типа. ПИД-регулятор является наиболее совершенным типом регулятора температуры. Это самый точный и быстро реагирующий контроллер.

Аббревиатура «ПИД» означает «пропорционально-интегрально-дифференциальное» управление, которое является очень популярным и эффективным методом управления с обратной связью, используемым в быстро меняющихся условиях. Он принадлежит к ‘оптимальный’ категория теории управления, которая описывает попытку оптимального достижения определенной переменной процесса.

В случае ПИД-регуляторов оптимальной переменной является температура процесса. Устройство должно работать для достижения заданной температуры как можно быстрее и наиболее точным образом без перерегулирования, задержки или помех. Для контроля значения процесса/текущей температуры ПИД-регуляторы температуры используют одну или несколько термопар/термопар.RTD или какая-либо другая форма измерения температуры. Используя это значение в качестве входного значения для уставки, контроллер затем регулирует мощность, подаваемую на привод (нагреватель), для повышения температуры. Если текущая температура выше заданной, отключается питание нагревателя. Разница между значением процесса и заданным значением называется ошибка. Контроллер все время пытается поддерживать ошибку близкой к нулю.

Однако идея реализации ПИД-регулятора заключается в том, чтобы никогда не превышать заданное значение температуры при максимально быстром достижении заданной температуры. Для этого ПИД-регуляторы температуры используют три разных, но взаимосвязанных подхода:

• • пропорциональный: когда значение процесса (текущее показание температуры) ниже уставки, выход увеличивается пропорционально ошибке. Большая ошибка означает, что на нагреватель подается более высокая мощность для быстрого нагрева. Меньшая ошибка заставляет контроллер снижать мощность.

• Интеграл: Неотъемлемая часть контроллера пытается увеличить выходную мощность нагревателя, чтобы сократить время, необходимое для достижения заданного значения. Если мощности недостаточно для уменьшения ошибки, встроенный контроллер пытается увеличить мощность нагревателя.
• Производная: На производное управление влияет прошедшее время. По мере того, как проходит время и температурная ошибка уменьшается, выходная мощность также уменьшается, чтобы предотвратить перерегулирование.

Эти три контроллера в конечном счете регулируют мощность нагревателя, чтобы получить отклик, как показано на рисунке ниже. установка точка, отмеченная на оси x, является желаемой температурой.

Схема ПИД-регулятора температуры

ПИД-регуляторы температуры доступны во многих конфигурациях. Обычно контроллер только считывает температуру процесса через датчик и управляет внешним устройством управления мощностью, таким как твердотельное реле, для управления мощностью, подаваемой на нагреватель. На изображении ниже показан такой комплект, в который входят ПИД-регулятор температуры, ТТР (твердотельное реле), радиатор и датчик температуры.

Чтобы подключить эту систему, можно следовать следующей схеме. Провода термопары не следует менять местами, так как это мешает контроллеру считывать температуру процесса. Неверное показание температуры может привести к неисправности ПИД-регулятора температуры.

Некоторые контроллеры имеют функции обнаружения ошибок, такие как обнаружение обрыва термопары для дополнительной безопасности. Такие контроллеры могут прекратить работу и отключить питание нагревателя, если обнаружат отсоединение термопары.

В соответствии с внутренними расчетами, выполненными контроллером, он управляет твердотельным реле (ТТР) для контроля средней мощности, подаваемой на нагревательный элемент. Это делается мгновенным включением и выключением устройства управления питанием. При правильной настройке система может достичь желаемой температуры и поддерживать условия даже при внешних возмущениях.

Каковы различные типы устройств контроля температуры?

Как мы уже говорили выше, ПИД-регуляторы температуры являются наиболее точными и быстродействующими промышленными регуляторами температуры. Есть еще два типа устройств контроля температуры, которые менее точны, но полезны в определенных приложениях.

Вкл/выкл регуляторы температуры

Это самая простая форма регуляторов температуры. Двухпозиционный регулятор температуры имеет два параметра: заданное значение дифференциал. Уставка – это желаемая температура, которую должна иметь система. Дифференциал (также известный как гистерезис) — две крайности, определяющие границы, когда терморегулятор должен включаться и выключаться. Минимум определяет, при какой температуре нагреватель должен включаться и наоборот.

Регуляторы температуры включения / выключения часто проще всего подключить. Для работы им необходимо три внешних соединения:

• Источник питания – Подает питание на регулятор температуры.
• датчик – Температурный датчик, такой как RTD или термопара, для получения текущей температуры от системы.
• Привод – Это может быть реле или твердотельное реле, которое управляет a. нагреватель большой мощности или прямое подключение нагревателя, если устройство имеет встроенное реле
• Пользовательский ввод – Современные терморегуляторы имеют цифровые дисплеи с кнопками для настройки параметров. Некоторые устройства имеют вращающиеся потенциометры для ручной установки пределов. 

Регуляторы температуры двухпозиционного типа используются в системах, где изменения температуры очень медленные и не требуется точный контроль.

Пропорциональные регуляторы температуры

Пропорциональные регуляторы температуры представляют собой упрощенную версию ПИД-регуляторов температуры. В отличие от двухпозиционных контроллеров, которые активируются, когда температура падает ниже или поднимается выше пороговых значений, пропорциональные контроллеры почти всегда управляют выходом для поддержания температуры.

Эти типы контроллеров регулируют температуру, изменяя мощность, подаваемую на нагреватель. Это включает в себя твердотельное управление, такое как SSR, для регулировки выходной мощности. Диапазон температур, в котором работает устройство, называется «зоной пропорциональности». Подобно типу включения/выключения, они также имеют верхний и нижний пределы.

При запуске пропорциональные регуляторы температуры ведут себя аналогично двухпозиционным регуляторам. Чтобы привести температуру системы в зону пропорциональности, контроллер включил нагреватель на 100% мощности. Как только температура превышает минимальный порог зоны пропорциональности, мощность снижается для поддержания температуры в требуемом диапазоне. 

На приведенной ниже диаграмме коричневый график представляет собой чистый пропорциональный регулятор. Мы можем наблюдать, как температура постоянно меняется в узком диапазоне от 10 до 18 градусов по Цельсию.

Преимущества и недостатки ПИД-регулятора температуры

ПИД-регуляторы температуры очень полезны в динамических системах. Они широко используются в приложениях, где температура часто колеблется. ПИД-регуляторы температуры могут поддерживать заданную температуру независимо от изменяющихся условий системы.

Как и у любого другого промышленного регулятора, у ПИД-регуляторов температуры есть свои преимущества и недостатки.

Преимущества ПИД-регулятора температуры

Вот некоторые из преимуществ использования ПИД-регулятора температуры:

• Простая установка и реализация
  • ПИД-регуляторы температуры — это интегрированные устройства, для работы которых требуется всего несколько внешних компонентов.
• Повышенная стабильность системы
  • ПИД-регуляторы могут быстро компенсировать внешние возмущения в системе. Это очень важно в приложениях, чувствительных к температуре.
• Снижает установившуюся ошибку
  • Обычные контроллеры двухпозиционного типа часто имеют большое перерегулирование. Это означает, что температура системы почти всегда может быть выше желаемого значения, даже если это происходит на долю времени. Правильно настроенный ПИД-регулятор может устранить эту проблему, достигнув заданной температуры без перерегулирования.
• Более быстрый ответ
  • В большинстве случаев ПИД-регуляторы достигают уставки быстрее, чем любой другой контроллер. Это очень полезно в высокодинамичных системах для достижения и поддержания требуемой температуры.

Недостатки ПИД-регулятора температуры

ПИД-регуляторы также имеют некоторые присущие недостатки, которые могут быть проблематичными в некоторых ситуациях. Например, 

• Сложности первоначальной настройки
  • Большинство ПИД-регуляторов требуют ручной настройки пропорциональных, производных и интегральных констант контура управления. Вначале это может быть обременительно, так как может занять много времени, поскольку параметры неизвестны. Чтобы настроить ПИД-регулятор, вы можете выполнить шаги, показанные в это видео.
• ПИД-регуляторы температуры 
  • ПИД-регуляторы, как правило, линейны. Это означает, что они лучше всего работают в линейных (предсказуемых) системах. Если система нелинейна, производительность может варьироваться.

ПИД-регулирование — это система управления с обратной связью, основанная на расхождении между заданным значением и значением процесса. Когда возникает внешнее возмущение, увеличивающее ошибку, ПИД-регулятор вмешивается и пытается свести ошибку к нулю. Это хорошо работает для возмущений более высоких величин. Однако для небольших изменений в системе ПИД-контуру может потребоваться больше времени для компенсации, и в некоторых случаях это может быть нежелательно.

Как настроить PID для контроля температуры?

Существует два типа настройки ПИД-регулятора. авто и ручная настройка. Автоматическая настройка следует алгоритму автоматического определения пропорциональных, интегральных и производных констант для контроллера. Ручной процесс требует проб и ошибок для правильной настройки контроллера. Автоматические контроллеры могут облегчить этот процесс, сузив значения конкретных констант.

Чтобы узнать, как настроить константы P, I и D конкретного контроллера, сначала обратитесь к его руководству пользователя. Кроме того, внося любые изменения, убедитесь, что они не окажут серьезного влияния на систему. В идеале вам понадобится контролируемая среда для выполнения процесса настройки.

Настройка ПИД-регулятора обычно начинается с определения пропорционального коэффициента усиления, при этом два других значения остаются постоянными. Установите пропорциональную постоянную на значение, при котором система начинает колебаться вокруг заданного значения. Вы можете увеличить текущее значение P в два раза, а если оно вызывает слишком сильные колебания, уменьшите его на 50% от увеличенного значения. 

После достижения достаточно устойчивого колебания интегральный член можно настроить таким же образом. При настройке интегральной константы настраивайте ее так, чтобы система достигла заданного значения за наименьшее время. При настройке интегральной постоянной возможны выбросы и колебания.

Наконец, отрегулируйте постоянную производной, чтобы свести к минимуму колебания при внешних возмущениях.

Если вы используете более продвинутый ПИД-регулятор, такой как ПИД-регуляторы серии Omega Platinum, производитель может предложить специализированное программное обеспечение для более точной настройки системы. Также могут быть дополнительные функции, такие как выходы с фиксацией, аварийные сигналы и интеллектуальные алгоритмы автонастройки.

Применение ПИД-регуляторов температуры

ПИД-регуляторы температуры обычно используются в приложениях, где требуется более быстрое время отклика и более высокая точность.

Одним из таких приложений является шинная промышленность. При подготовке сырья и смешивании компаундов температура резиновой смеси должна поддерживаться на очень низком уровне, чтобы обеспечить надлежащую обработку материала.

В пищевой промышленности и производстве напитков, таких как пастеризация молока, температура должна быть очень точной, чтобы предотвратить рост бактерий и потерю важных питательных веществ. ПИД-регуляторы температуры используются для поддержания температуры молока в процессе пастеризации.

Еще одним применением ПИД-регуляторов является сектор здравоохранения. Такие машины, как испытательное оборудование, медицинские холодильники, инкубаторы и камеры выращивания, должны поддерживать температуру в очень жестких пределах. ПИД-регуляторы температуры почти всегда находят применение в этих системах.

Как выбрать ПИД-регулятор температуры?

При покупке ПИД-регулятора температуры обратите внимание на следующие ключевые характеристики:

• Тип ввода
  • Контроллеру температуры требуется подходящий датчик для получения значения процесса. Это делается с помощью датчика температуры. Это может быть термопара (типа K, J, T или любая другая), RTD или даже цифровой датчик температуры в некоторых случаях. Выберите тот, который предназначен для использования в конкретном приложении.
• Диапазон температур
  • Важно знать диапазон температур, при которых будет работать система. Учитывайте любые экстремальные ситуации, которым может подвергнуться система во время работы.
• Тип выхода
  • Тип выхода может быть электромеханическим (релейным). SSR или цифровой выход.
• Контрольное действие
  • Это может быть простое включение/выключение, относительное или ПИД-регулирование.
• Дополнительные возможности
  • Проверьте, поддерживает ли устройство расширенную настройку и какие-либо дополнительные функции, такие как выходы сигналов тревоги, программируемые профили и поддержку интеграции с системами SCADA, если этого требует приложение.

Заключение

ПИД-регуляторы температуры используются во многих системах автоматизации для точного контроля и поддержания температуры. Существуют альтернативы ПИД-регуляторам, которые можно использовать в приложениях для контроля температуры, где такая точность и скорость не требуются.

ПИД-регулятор

: типы, что это такое и как он работает

text.skipToContent text.skipToNavigation

Поиск Омега

• Связаться с нами

• Все продукты
• Ресурсы
• О нас

1. Дом
2. org/ListItem”> 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.

Попробуйте все наши новинки! Узнать больше

Поговорите с нашими экспертами

Объяснение ПИД-регулятора – RealPars

В этой статье мы поговорим о ПИД-регуляторе и его преобразовании из одностанционного устройства в то, во что оно превратилось сегодня.

Мы собираемся объяснить, почему ПИД-регуляторы используются в промышленных процессах вместо простых контроллеров ВКЛ/ВЫКЛ.

Мы покажем, как настройки контроллера, называемые пропорциональным, интегральным и производным, влияют на различные процессы, находящиеся под контролем.

Мы также предоставим обзор очень важного действия под названием «Настройка контроллера».

Простой пример

Давайте начнем с обсуждения управления температурой в доме, поскольку оно знакомо многим людям.

В этом доме есть печь, которая распределяет тепло по всему дому, и настенный контроллер, называемый термостатом.

Термостат оснащен датчиком, который измеряет температуру в помещении и сравнивает это измерение с регулируемой уставкой.

Если температура в помещении ниже уставки, печь включается.

Когда комнатная температура поднимается выше заданного значения, печь выключается. Этот тип управления называется ON/OFF или Bang-Bang Control.

Ниже приведен график изменения комнатной температуры в зависимости от периода времени, когда печь включается и выключается.

Как видите, температура не держится точно на заданном значении 70°F, а циклически поднимается и опускается.

Управление ВКЛ/ВЫКЛ может подойти для вашего дома, но не подходит для промышленных процессов или управления движением.

Промышленный пример

Давайте рассмотрим пример контроля уровня в резервуаре, чтобы объяснить почему. Клапан наполняет бак, когда насос его опорожняет. Если клапан работает с управлением ВКЛ/ВЫКЛ, вода будет колебаться около уставки 50%.

Предположим, что отклонение составляет ±10%. В большинстве промышленных применений такое колебание уставки неприемлемо.

Хорошо, а что, если клапан можно задушить и поставить в любое положение между ВКЛ и ВЫКЛ?

ПИД-регулятор

Теперь мы можем перейти к разговору о ПИД-регуляторе. P означает пропорциональную, I — интегральную, D — производную.

Поскольку каждый процесс реагирует по-разному, ПИД-регулятор определяет, насколько и как быстро применяется коррекция, используя различные количества Пропорциональное , Интегральное и Производное действие.

Каждый блок вносит уникальный сигнал, который суммируется для создания выходного сигнала контроллера.

Контур управления с обратной связью

Давайте посмотрим, как ПИД-регулятор вписывается в контур управления с обратной связью. Контролер отвечает за то, чтобы Процесс оставался как можно ближе к желаемому значению, независимо от различных сбоев.

Контроллер сравнивает сигнал переменной процесса преобразователя (PV) и заданное значение.

На основе этого сравнения контроллер формирует выходной сигнал для управления исполнительным элементом. Этот выходной сигнал ПИД-регулятора может управлять конечным элементом управления во всем 100% диапазоне.

Логический блок ПИД-регулятора

Большинство современных ПИД-регуляторов являются частью ПЛК или РСУ и создаются в логике управления программой с помощью команд блока.

Автономный ПИД-регулятор

До появления ПЛК ПИД-регулятор был автономным устройством, отвечающим за управление одним контуром.

Параметры ПИД-регулятора

Диспетчерская может иметь десятки или сотни автономных контроллеров, установленных на панели.

В настоящее время все еще производится и используется много автономных ПИД-регуляторов.

Хорошо, давайте вернемся и поговорим о том, что каждый из P , I и D компонентов ПИД-регулятора.

Помните, ранее мы говорили, что ПИД-регулятор отвечает за то, чтобы процесс оставался как можно ближе к заданному значению, независимо от различных сбоев.

Давайте будем называть разницу между переменной процесса и заданным значением сигналом ошибки.

1) Пропорциональный блок

Пропорциональный блок создает выходной сигнал, пропорциональный величина сигнала ошибки.

К сожалению, чем ближе вы подходите к уставке, тем меньше она давит. В конце концов, процесс просто постоянно работает близко к заданному значению, но не совсем там.

Вот когда в дело вступает интеграл.

2) Интегральный блок

Интегральный блок создает выходной сигнал, пропорциональный длительности и амплитуде сигнала ошибки.

Чем длиннее ошибка и больше сумма, тем больше интегральный выход.

Пока существует ошибка, интегральное действие будет продолжаться.

3) Блок производных

Блок производных создает выходной сигнал, пропорциональный скорости изменения сигнала ошибки.

Чем быстрее изменяется ошибка, тем больше выходная производная.

Производное управление заглядывает вперед , чтобы увидеть, какой будет ошибка в будущем, и соответственно вносит свой вклад в выходной сигнал контроллера. Это подводит нас к термину под названием Настройка контроллера .

Настройка контроллера

Ранее мы говорили, что каждый процесс реагирует по-разному и что ПИД-регулятор определяет, насколько и как быстро применяется коррекция, регулируя пропорциональное, интегральное и производное действие.

Настройка контроллера включает правильную установку значений контроллера P , I и D для конкретных требований процесса. Интересно, что правильные настройки, достигнутые с помощью настройки контроллера, могут сильно различаться между процессами из-за специфических требований.

Например, после настройки контроллера скачок заданного значения на один процент в регуляторе уровня в резервуаре вызывает четвертьволновую затухающую реакцию.

Этот тип ответа может быть подходящим для процесса на уровне резервуара, но может иметь катастрофические последствия в процессе управления движением.

Методы настройки контроллера

Существует множество различных ручных методов настройки контроллера, которые включают наблюдение за реакцией процесса после внесения изменений в заданное значение контроллера.

Один метод включает в себя увеличение степени изменения уставки и повторение процедуры до тех пор, пока процесс не войдет в состояние установившихся колебаний.

Этот метод настройки дает адекватные результаты, но часто непрактичен во многих приложениях. Например, насколько практично заставить уровень жидкости в большом резервуаре достигать установившихся колебаний?

Большинство продаваемых сегодня контроллеров процессов, ПЛК и контроллеров контуров РСУ имеют функцию автонастройки.

ПИД-регулятор изучает  как процесс реагирует на изменение уставки и предлагаемые настройки PID.

Независимо от того, получены ли исходные параметры ПИД-регулятора с помощью методов ручной или автоматической настройки, опытным специалистам по автоматизации часто требуется дополнительная настройка для получения желаемого отклика.

Если вы хотите узнать больше о ПИД-регулировании, вы можете просмотреть две другие наши статьи:

— Что такое параметры настройки ПИД-регулятора?

– Настройка ПИД-регулятора | Как настроить ПИД-регулятор

Резюме

Хорошо,… давайте повторим:

— Контроллер ВКЛ/ВЫКЛ или Bang-Bang имеет только два выходных состояния и резко переключается между этими двумя состояниями.

– В ПИД-регуляторе P обозначает пропорциональный, I обозначает интегральный, а D обозначает производный.

ПИД-регулятор отвечает за то, чтобы процесс оставался как можно ближе к желаемому значению, независимо от различных сбоев.