Un regolatore proporzionale-integrale differenziale è un dispositivo che viene installato nei sistemi automatizzati per mantenere un dato parametro in grado di cambiare.
È confuso a prima vista, ma è possibile spiegare anche il controllo PID for dummies, cioè persone che non hanno molta familiarità con i sistemi e gli apparecchi elettronici.
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Cos'è un regolatore PID?
Un regolatore PID è un dispositivo integrato nel circuito di controllo con feedback obbligatorio. È progettato per mantenere i livelli di set-point, ad esempio la temperatura dell'aria.
Il dispositivo fornisce un segnale di controllo o di uscita al controllore, sulla base dei dati ricevuti dai sensori o dai trasmettitori. I controllori hanno un'alta precisione dei transitori e una qualità delle prestazioni elevata.
Tre coefficienti del regolatore PID e principio di funzionamento
La funzione del regolatore PID è di fornire un segnale di uscita della potenza necessaria per mantenere il parametro controllato a un livello predeterminato. Per calcolare il valore, viene utilizzata una formula matematica complessa, che comprende 3 coefficienti - proporzionale, integrale, differenziale.
Prendiamo come oggetto di controllo un serbatoio con acqua, in cui è necessario mantenere la temperatura a un determinato livello regolando il grado di apertura di una valvola a vapore.
La componente proporzionale appare al momento della mancata corrispondenza con i dati di ingresso. In termini semplici suona così: si prende la differenza tra la temperatura reale e quella desiderata, la si moltiplica per un coefficiente regolabile e si ottiene il segnale di uscita da applicare alla valvola. In altre parole, non appena la temperatura è scesa, si avvia il processo di riscaldamento; non appena è salita sopra la temperatura desiderata, si spegne o addirittura si raffredda.
Poi viene il componente integrale, che è progettato per compensare gli effetti dell'ambiente o di altre influenze di disturbo sul mantenimento della nostra temperatura al setpoint. Dato che ci sono sempre fattori aggiuntivi che influenzano gli apparecchi controllati, la cifra sta già cambiando quando arrivano i dati per il calcolo della componente proporzionale. E maggiori sono le influenze esterne, maggiori sono le fluttuazioni della figura. Si verificano salti nell'erogazione della potenza.
Il componente integrale tenta di restituire il valore della temperatura in base ai valori passati, se è cambiato. Il processo è descritto più in dettaglio nel video qui sotto.
Poi, il segnale di uscita del regolatore è alimentato secondo il coefficiente per aumentare o diminuire la temperatura. Con il tempo, viene selezionato un valore che compensa i fattori esterni, e le impennate scompaiono.
L'integrale è usato per eliminare gli errori calcolando l'errore statico. La cosa principale in questo processo è selezionare il coefficiente corretto, altrimenti l'errore (mismatch) influenzerà anche la componente integrale.
Il terzo componente PID è il componente differenziale. È progettato per compensare gli effetti dei ritardi che si verificano tra l'impatto sul sistema e il feedback. Il regolatore proporzionale fornisce energia fino a quando la temperatura non raggiunge il valore corretto, ma ci sono sempre errori quando si passano informazioni al dispositivo, specialmente con grandi valori. Questo può portare al surriscaldamento. Il differenziale anticipa le deviazioni causate da ritardi o influenze ambientali e riduce in anticipo la potenza fornita.
Impostazione di un regolatore PID
Il controllore PID è sintonizzato con 2 metodi:
- La sintesi comporta il calcolo di parametri basati sul modello del sistema. Tale sintonizzazione è accurata, ma richiede una conoscenza approfondita della teoria del controllo automatico. Può essere fatto solo da ingegneri e scienziati. Poiché è necessario prendere le caratteristiche del flusso e fare molti calcoli.
- Il metodo manuale si basa su prove ed errori. Questo viene fatto prendendo i dati da un sistema già esistente e facendo alcuni aggiustamenti a uno o più coefficienti di regolazione. Dopo l'accensione e l'osservazione del risultato finale, i parametri vengono modificati nella direzione desiderata. E così via, fino a raggiungere il livello di prestazioni desiderato.
L'analisi teorica e i metodi di tuning sono raramente utilizzati nella pratica, a causa della mancanza di conoscenza delle caratteristiche dell'oggetto del controllo e di una moltitudine di possibili influenze di disturbo. I metodi sperimentali basati sull'osservazione del sistema sono più comuni.
I moderni processi automatizzati sono implementati come moduli specializzati sotto il controllo del software per regolare i coefficienti di regolazione.
Scopo del regolatore PID
Il regolatore PID è progettato per mantenere un certo valore - temperatura, pressione, livello del serbatoio, flusso in una conduttura, concentrazione di qualcosa, ecc. - a un livello richiesto cambiando l'azione di controllo sugli attuatori, come le valvole di controllo automatico, utilizzando valori proporzionali, integranti, differenzianti per la sua impostazione.
Lo scopo dell'applicazione è quello di ottenere un segnale di controllo preciso, che sia in grado di controllare grandi impianti e persino reattori di centrali elettriche.
Esempio di un circuito di controllo della temperatura
I controllori PID sono spesso utilizzati nel controllo della temperatura, prendiamo il semplice esempio del riscaldamento dell'acqua in un serbatoio come esempio di questo processo automatico.
Il serbatoio è riempito di liquido che deve essere riscaldato alla temperatura desiderata e mantenuto al livello desiderato. C'è un sensore di temperatura all'interno del serbatoio - una termocoppia termocoppia o termometro a resistenza ed è collegato direttamente al regolatore PID.
Noi forniremo vapore per riscaldare il liquido, come mostrato nell'illustrazione qui sotto, con la valvola di controllo automatica. La valvola stessa riceve un segnale dal controller. L'operatore inserisce nel regolatore PID il valore di setpoint della temperatura da mantenere nel serbatoio.
Se i coefficienti del regolatore non sono corretti, la temperatura dell'acqua salterà e la valvola sarà completamente aperta e completamente chiusa. In questo caso i coefficienti PID devono essere calcolati e reinseriti. Se fatto correttamente, dopo un breve periodo di tempo il sistema si equalizzerà e la temperatura nel serbatoio sarà mantenuta alla temperatura impostata, con il grado di apertura della valvola di controllo in posizione centrale.
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