Российский производитель и эксклюзивный представитель известных мировых брендов КИПиА
Российский производитель и эксклюзивный представитель известных мировых брендов КИПиА
Процессы термообработки служат примером необходимости использования ПИД-регулирования. Чтобы обеспечить стабильное качество продукции, температура внутри печи или термостата должна поддерживаться в пределах узких параметров управления. Любое возмущение, например, при добавлении или изъятии продукта или при применении функции темпа, должно быть соответствующим образом обработано.
Несмотря на простоту концепции, математика, лежащая в основе ПИД-регулирования, сложна. Достижение оптимальной производительности предполагает выбор специфических для процесса значений ряда взаимодействующих параметров.
Процесс нахождения этих значений называется «настройкой». При оптимальной настройке и соблюдении параметров настройки ПИД-контроллер температуры минимизирует отклонение от заданного значения и реагирует на возмущения или изменения заданного значения быстро, но с минимальным перерегулированием. Несмотря на то, что многие контроллеры предоставляют возможность автоматической настройки, понимание принципов настройки ПИД-регулятора температуры поможет достичь оптимальной производительности.
Каждый процесс имеет уникальные характеристики, даже если оборудование по сути идентично. Переменные управления отличаются: поток воздуха в печи может быть разным, температура окружающей среды изменяет плотность и вязкость жидкости, а барометрическое давление меняется от часа к часу. Настройки ПИД-регулятора (в основном коэффициент усиления, применяемый к поправочному коэффициенту, а также время, используемое при вычислении интеграла и производной, называемые «сброс» и «скорость») должны быть подобраны с учетом этих местных различий.
В общем случае существует три подхода к определению оптимальной комбинации этих настроек:
Зачастую ручной метод настройки очень сложен. Однако, обладая определенными знаниями — в частности, о скорости реакции ПИД-контроллера на исправление ошибок, — можно достичь элементарного уровня настройки.
Методы ручной настройки состоят в следующем:
Установите время сброса на максимальное значение, скорость на ноль и увеличивайте пропорциональный коэффициент усиления до тех пор, пока контур не начнет колебаться с постоянной амплитудой. Установите пропорциональный коэффициент усиления на половину этого значения и отрегулируйте время сброса так, чтобы оно корректировало любое смещение в пределах приемлемого периода.
Увеличивайте скорость до тех пор, пока перерегулирование не будет сведено к минимуму.
Впервые опубликованные в 1942 году, Зиглер и Николс описали два метода эвристической настройки ПИД-регулятора. Первый метод Зиглера-Николса предполагает измерение запаздывания или задержки в отклике, а затем времени, необходимого для достижения нового выходного значения. Второй метод Циглера-Николса основан на определении периода установившихся колебаний. В обоих методах эти значения затем заносятся в таблицу для получения значений коэффициента усиления, времени сброса и скорости.
Методы Циглера-Николса не лишены проблем. В некоторых приложениях он дает слишком агрессивный отклик с точки зрения перегрузки и колебаний. Другим недостатком является то, что он может занимать много времени в процессах, которые реагируют медленно. По этим причинам некоторые специалисты по управлению предпочитают другие правила, такие как Tyreus-Luyben или Rivera, Morari, Skogestad.
Большинство продаваемых сегодня ПИД-регуляторов температуры оснащены функциями автоматической настройки. Детали работы различаются у разных производителей, но все они следуют правилам автоматического управления, когда контроллер «узнает», как процесс реагирует на возмущение или изменение заданного значения, и рассчитывает соответствующие настройки ПИД-контроллера.
Новые и более сложные контроллеры включают в себя нечеткую логику с возможностью автоматической настройки. Это позволяет справиться с неточностью и нелинейностью в сложных ситуациях управления, которые часто встречаются на производстве и в технологических процессах, и помогает оптимизировать настройку.
ПИД-регулирование используется для управления многими процессами. Поправочные коэффициенты рассчитываются путем сравнения выходного значения с заданным значением и применения коэффициентов усиления, которые минимизируют перерегулирование и колебания при максимально быстром изменении. Настройка PID контроллера температуры заключается в определении соответствующих значений коэффициента усиления для управляемого процесса.
Хотя это можно сделать вручную или с помощью эвристики управления, большинство современных контроллеров предоставляют возможность автоматической настройки. Однако для специалистов по управлению по-прежнему важно понимать, что происходит после нажатия кнопки.
