Составляющие пид-регулятора. Недостатки пид-регуляторов
Пид-регулятор (пропорционально-интегрально-дифференцирующий регулятор) – это устройство в управляющем контуре с обратной связью.
Пид-регуляторы используются в автоматизированных системах управления для формирования управляющего сигнала с целью получения требуемых точности и качества переходного процесса. Пид-регулятором формируется управляющий сигнал, который представляет собой сумму трех слагаемых: первое - пропорционально разности входного сигнала и сигнала рассогласования (сигнал обратной связи); второе - интегралу сигнала обратной связи; третье - производной сигнала обратной связи. Таким образом выделяются три составляющих пид-регулятора:
- Пропорциональная составляющая. Пропорциональной составляющей вырабатывается выходной сигнал, который противодействует отклонению регулируемой величины от установленного значения, наблюдаемого в данный момент времени. Чем больше отклонение, тем больше этот сигнал. В том случае, когда входной сигнал равен заданному значению, выходной равняется нулю. При использовании только пропорционального регулятора значение регулируемой величины не стабилизируется на заданном значении. Существует статистическая ошибка, равная отклонению регулируемой величины, обеспечивающая выходной сигнал, который стабилизирует выходную величину на необходимом значении. Например, в регуляторах температуры мощность нагревателя (выходной сигнал) постепенно становится меньше, когда температура приближается к заданному значению - система стабилизируется при мощности, равной потерям тепла. Таким образом температура не может достичь установленного значения, потому что мощность нагревателя будет равна нулю.
- Интегрирующая составляющая. Интегрирующая составляющая пид-регулятора пропорциональна интегралу по времени от отклонения регулируемой величины. Она предназначена для устранения статистической ошибки и позволяет регулятору со временем ее учесть. В том случае, когда система не испытывает внешних возмущений, то через некоторое время регулируемая величина стабилизируется на заданном значении, а сигнал пропорциональной составляющей будет равен нулю, выходной будет обеспечиваться интегрирующей составляющей полностью. Но при этом интегрирующая составляющая также может приводить к автоматическим колебаниям в случае неправильного выбора ее коэффициента.
- Дифференцирующая составляющая. Дифференцирующая составляющая пропорциональна темпу изменения отклонения регулируемой величины и используется для противодействия отклонениям от целевого значения, прогнозируемым в будущем. Причинами отклонений могут быть внешние возмущения или запаздывание воздействия регулятора на систему.
Когда в системах управления используются пид-регуляторы, необходимо учитывать нежелательные эффекты, которые возникают при реализации канала производной сигнала ошибки. Недостатки проявляются за счет того, что при усилении данного канала прямо пропорционально растет его частота. Основными недостатками в данном случае являются:
- Возникновение импульсов большой амплитуды. Данное явление возникает в моменты скачкообразного изменения ошибки.
- Повышенное усиление высокочастотных составляющих сигнала ошибки. Такие составляющие носят шумовой характер и из-за отношения полезной составляющей управляющего сигнала к шумовой уменьшается, что способствует дестабилизации объекта управления.
Настройка пид-регулятора
Настройка пид-регулятора может осуществляться двумя способами:
- Ручной способ. Данный способ основан на методе проб и ошибок. За основу берутся данные готовой системы, затем вносятся некоторые коррективы в один или несколько коэффициентов регулятора. После включения и наблюдений за конечным результатом осуществляется изменение параметров в необходимом направлении. Это продолжается до тех пор, пока не будет достигнут нужный уровень работоспособности устройства.
- Синтез. Данный способ подразумевает вычисление параметров на основании модели системы. Такой способ настройки пид-регулятора более точный, но для его реализации требуются глубокие познания теории автоматического управления. В этом случае необходимо снимать расходные характеристики и производить много расчетов.
Второй способ настройки на практике применяется очень редко, что обусловлено незнанием характеристик объекта и наличием большого количества возможных возмущающих воздействий. Поэтому более распространены экспериментальные способы, основанные на наблюдении за системой. Современные автоматизированные процессы реализуются в виде специализированных модулей под управлением программ для настройки коэффициентов пид-регулятора.
