Diferenciálny proporcionálno-integrálny regulátor je zariadenie, ktoré sa inštaluje do automatizovaných systémov na udržiavanie daného parametra schopného zmeny.
Na prvý pohľad je to mätúce, ale je možné vysvetliť PID reguláciu aj pre hlupákov, t. j. ľudia, ktorí nie sú celkom oboznámení s elektronickými systémami a spotrebičmi.
Obsah
Čo je to PID regulátor?
PID regulátor je zariadenie integrované do regulačného obvodu s povinnou spätnou väzbou. Je určený na udržiavanie nastavených hodnôt, napr. teploty vzduchu.
Zariadenie poskytuje riadiaci signál alebo výstupný signál do riadiacej jednotky na základe údajov prijatých zo snímačov alebo vysielačov. Regulátory majú vysokú prechodovú presnosť a kvalitu výkonu.
Tri koeficienty PID regulátora a princíp činnosti
Úlohou PID regulátora je poskytovať výstupný signál výkonu potrebného na udržanie riadeného parametra na vopred stanovenej úrovni. Na výpočet hodnoty sa používa zložitý matematický vzorec, ktorý obsahuje 3 koeficienty - proporcionálny, integrálny a diferenciálny.
Vezmime si nádrž s vodou ako riadiaci objekt, v ktorom je potrebné udržiavať teplotu na danej úrovni reguláciou stupňa otvorenia parného ventilu.
Pomerná zložka sa objaví v momente nesúladu so vstupnými údajmi. Zjednodušene to znie takto - zoberie sa rozdiel medzi skutočnou teplotou a požadovanou teplotou, vynásobí sa nastaviteľným koeficientom a získa sa výstupný signál, ktorý sa použije na ventil. Inými slovami, akonáhle teplota klesne, spustí sa proces ohrevu; akonáhle stúpne nad požadovanú teplotu, vypne sa alebo sa dokonca ochladí.
Nasleduje integrálna zložka, ktorá je určená na kompenzáciu účinkov prostredia alebo iných rušivých vplyvov na udržiavanie teploty na požadovanej hodnote. Keďže na riadené spotrebiče vždy pôsobia ďalšie faktory, údaj sa mení už v čase, keď prichádzajú údaje na výpočet pomerovej zložky. A čím väčšie sú vonkajšie vplyvy, tým väčšie sú výkyvy v čísle. Dochádza k skokom v dodávke energie.
Integrálna zložka sa pokúša vrátiť hodnotu teploty na základe minulých hodnôt, ak sa teplota zmenila. Postup je podrobnejšie opísaný v nasledujúcom videu.
Potom sa výstupný signál regulátora privádza podľa koeficientu na zvýšenie alebo zníženie teploty. Časom sa zvolí hodnota, ktorá kompenzuje vonkajšie faktory, a nárasty zmiznú.
Integrál sa používa na odstránenie chýb výpočtom statickej chyby. V tomto procese je najdôležitejšie vybrať správny koeficient, inak chyba (nesúlad) ovplyvní aj integrálnu zložku.
Tretia zložka PID je diferenciálna zložka. Je navrhnutý tak, aby kompenzoval účinky oneskorení, ktoré vznikajú medzi dopadom na systém a spätnou väzbou. Proporcionálny regulátor dodáva energiu, kým teplota nedosiahne správnu hodnotu, ale pri prenose informácií do zariadenia vždy dochádza k chybám, najmä pri veľkých hodnotách. To môže viesť k prehriatiu. Diferenciál predvída odchýlky spôsobené meškaním alebo vplyvmi prostredia a vopred znižuje dodávaný výkon.
Nastavenie PID regulátora
PID regulátor sa ladí pomocou 2 metód:
- Syntéza zahŕňa výpočet parametrov na základe modelu systému. Takéto ladenie je presné, ale vyžaduje si dôkladné znalosti teórie automatického riadenia. Môžu to urobiť len inžinieri a vedci. Keďže je potrebné vziať charakteristiky prúdenia a vykonať množstvo výpočtov.
- Manuálna metóda je založená na metóde pokusov a omylov. To sa vykonáva tak, že sa zoberú údaje z už existujúceho systému a vykonajú sa určité úpravy jedného alebo viacerých koeficientov regulátora. Po zapnutí a pozorovaní konečného výsledku sa parametre zmenia požadovaným smerom. A tak ďalej, kým sa nedosiahne požadovaná úroveň výkonu.
Teoretické metódy analýzy a ladenia sa v praxi používajú len zriedkavo, a to z dôvodu nedostatočnej znalosti vlastností objektu riadenia a množstva možných rušivých vplyvov. Bežnejšie sú experimentálne metódy založené na pozorovaní systému.
Moderné automatizované procesy sú implementované ako špecializované moduly pod kontrolou softvéru na nastavenie koeficientov regulátora.
Účel PID regulátora
PID regulátor je určený na udržiavanie určitej hodnoty - teploty, tlaku, hladiny v nádrži, prietoku v potrubí, koncentrácie niečoho atď. - na požadovanej úrovni zmenou regulačného pôsobenia na akčné členy, ako sú automatické regulačné ventily, pričom na jeho nastavenie sa používajú proporcionálne, integračné a diferenčné hodnoty.
Cieľom aplikácie je získať presný riadiaci signál, ktorý je schopný riadiť veľké zariadenia a dokonca aj reaktory elektrární.
Príklad regulačného obvodu teploty
PID regulátory sa často používajú pri riadení teploty, ako príklad tohto automatického procesu si zoberme jednoduchý príklad ohrievania vody v nádrži.
Nádrž je naplnená kvapalinou, ktorú je potrebné ohriať na požadovanú teplotu a udržiavať na požadovanej úrovni. Vo vnútri nádrže je teplotný snímač - termočlánok termočlánok alebo odporový teplomer a je priamo pripojený k PID regulátoru.
Na ohrev kvapaliny budeme dodávať paru, ako je znázornené na obrázku nižšie, s automatickým regulačným ventilom. Samotný ventil prijíma signál z riadiacej jednotky. Obsluha zadá do PID regulátora požadovanú hodnotu teploty, ktorá sa má v zásobníku udržiavať.
Ak sú koeficienty regulátora nesprávne, teplota vody vyskočí a ventil bude úplne otvorený a úplne zatvorený. V tomto prípade je potrebné vypočítať a znovu zadať koeficienty PID. Ak sa postupuje správne, po krátkom čase sa systém vyrovná a teplota v nádrži sa bude udržiavať na nastavenej teplote, pričom stupeň otvorenia regulačného ventilu bude v strednej polohe.
Súvisiace články:
