Автоматизация процессов окружает нас повсюду. А можно ли разобраться, как она работает, если вы не инженер и вообще не технический специалист? Смело отвечаем — да!
Разберемся, что такое ПИД-регулятор — одно из наиболее распространенных устройств в области автоматизации. Они применяются в системах вентиляции и кондиционирования, системах водоснабжения и поддержания давления, в системах микроклимата и других, где требуется точное поддержание контролируемой величины.
Общее определение
ПИД-регулятор — это устройство в управляющем контуре с обратной связью, которое поддерживает заданное значение выходной величины на определенным уровне путем управления входным воздействием. Он нужен для получения необходимой точности переходного процесса.
Разберем определение на примере простого процесса. Представим, что нам надо наполнить емкость с водой до определенного уровня.
- Устройство — это мы с вами.
- Управляющий контур — это совокупность всех средств, которые мы используем для выполнения задачи (кран, руки, глаза, мозг).
- Обратная связь — наше зрение, с помощью которого мы оцениваем уровень воды в емкости.
- Управляющий сигнал — сигнал нервной системы от мозга на руку для открытия крана.
ПИД-регулятором в этом процессе выступает мозг. Именно он обрабатывает поступающую от зрения информацию и формирует управляющий сигнал. Доя этого ему нужны три слагаемых — пропорциональная, интегрирующая и дифференциальная составляющие.
П — Пропорциональная составляющая
Пропорциональная составляющая — значение, пропорциональное разности между заданным и текущим значением, то есть разности между границей наполнения и текущим уровнем воды. Чем больше разность, тем больше составляющая, тем больше мы открываем кран. Когда заданное и текущее значения выравниваются, мы закрываем кран. Управляющий сигнал в этом случае равен нулю.
Кажется, что этого достаточно, но на практике регулируемая величина никогда не стабилизируется на заданном значении. Так возникает статическая ошибка — такое отклонение регулируемой величины, которое обеспечивает управляющий сигнал, стабилизирующий выходной сигнал именно на достигнутом значении.
Представим, что в нашем случае емкость — это деревянная бочка, в которой есть маленькие трещинки и отверстия. Управляющий сигнал (степень открытия крана) постепенно уменьшается, когда уровень воды приближается к нужному значению. Но, если мы полностью закроем кран, вода начнет утекать — это и есть статическая ошибка.
Чем больше разница между текущим и заданным значением (коэффициент усиления или коэффициент пропорциональности), тем меньше статическая ошибка. Однако при слишком большом коэффициенте усиления, при запаздываниях, а также с учетом инертности процесса в системе могут начаться автоколебания, и система может потерять устойчивость.
На нашем примере это означает, что при активном открытии и полном закрытии крана уровень воды будет сильно отклоняться от заданного уровня как в сторону уменьшения, так и в сторону увеличения уровня воды.
И — Интегрирующая составляющая
Для устранения статической ошибки используется интегрирующая составляющая. Она пропорциональна интегралу по времени от отклонения регулируемой величины.
Данная составляющая позволяет со временем учесть статическую ошибку. В нашем примере мозг самостоятельно со временем поймет, насколько нужно открыть кран, чтобы вода всегда держалась на заданном уровне.
Д — Дифференциальная составляющая
К сожалению, пропорциональная и интегрирующая составляющие хорошо работают только в системах, где нет значимых внешних воздействий (если в емкости вода почти не убывает, либо убывает с постоянной скоростью). Давайте представим, что у нашей бочки внизу появился кран. При его открытии и закрытии расход воды будет меняться, и система потеряет устойчивость.
Чтобы этот эффект нивелировать, используется дифференциальная составляющая. Она увеличивается и уменьшается вместе с воздействиями внешней среды и предназначена для противодействия отклонениям от заданного значения, которые прогнозируются в будущем.
Данные отклонения могут быть вызваны и внешними возмущениями (добавленный кран в емкости), и запаздыванием воздействия регулятора на систему. Например, неравномерное открытие крана, а также время, нужное для его открытия с нуля до нужного значения.
В нашем случае мозг заметит, когда и с какой скоростью вода будет убывать при открытии нижнего крана, а также время, проходящее между открытием верхнего крана и фактическим поступлением воды. Все эти данные мозг учтет, чтобы рассчитать степень подачи воды (то есть для расчета управляющего сигнала).
Обобщаем
ПИД-регулятор — это мозг автоматизированного процесса. На схеме мы видим график работы ПИД-регулятора и его влияние на регулируемую величину в зависимости от величины составляющих.
Где Kp — пропорциональная составляющая;
Ki — интегрирующая составляющая;
Kd — дифференциалная составляющая.
ПИД-регуляторы в современных устройствах автоматизации
Все современные средства автоматизации (программируемые логические контроллеры, программируемые реле, преобразователи частоты ONI) имеют встроенный ПИД-регулятор. Он позволяет регулировать процессы с высокой точностью.
Современные алгоритмы автонастройки упрощают работу оператора: специалистам нужно задать лишь пару параметров, и сложных математических расчетов проводить не нужно — заложенные в устройство математические модели сделают это самостоятельно.
ПИД-регуляторы преобразователей частоты ONI имеют также ряд дополнительных функций, которые повышают гибкость и точность устройств:
- спящий режим, позволяющий значительно экономить электроэнергию,
- наличие нескольких уставок ПИД-регулятора, которые можно переключать как вручную, так и в автоматическом режиме.
Остались вопросы? Задайте их специалистам техподдержки ONI: support@oni-system.com, tel: