8-900-374-94-44
#Dataforth
В записную книжку инженера
Принцип PID-регулирования используется в автоматическом управлении процессами повсеместно. Большинство современных промышленных контроллеров имеют встроенный механизм, реализующий PID-управление. Но для успешного применения этого мощного средства необходимо чётко понимать механизм его действия. Эта статья в популярной форме представляет начальные сведения о PID-регулировании.
11044
В ЗАКЛАДКИ
Статья
в электронной версии
«СТА» №4 / 2019 стр. 92
Статья в PDF
3 МБ
В 1939 году приборостроительная компания Taylor представила новую версию своего пневматического контроллера Fulscope с функцией предварительного действия в дополнение к ранее доступным режимам пропорционального управления и сброса.
В настоящее время три режима управления называются пропорциональным, интегральным (сброс) и дифференциальным (предварительное действие), следовательно, сокращённо PID. В отечественной литературе принята аббревиатура
ПИД‑регуляторы используются в большинстве приложений автоматического управления процессами в промышленности. Они могут регулировать расход, температуру, давление, уровень и многие другие параметры производственных процессов. В статье рассматривается конструкция ПИД‑регуляторов и объясняются используемые в них режимы управления P, I и D.
В отсутствие автоматических контроллеров все задачи регулирования приходится выполнять вручную. Например, для поддержания постоянной температуры воды, подогреваемой промышленным газовым нагревателем, оператор должен следить за датчиком температуры и соответствующим образом регулировать подачу газа при помощи клапана (рис. 2).
Если температура воды по какой-либо причине становится слишком высокой, оператор должен немного закрыть газовый клапан на величину, достаточную, чтобы температура вернулась к желаемому значению. Если вода становится слишком холодной, он должен приоткрыть газовый клапан.
Процесс управления, реализуемый оператором, называется управлением с обратной связью, поскольку оператор изменяет силу пламени на основе обратной связи, которую он получает от процесса через датчик температуры. Управление с обратной связью может быть выполнено вручную, но обычно это происходит автоматически, как будет объяснено в следующем разделе.
Чтобы избавить оператора от утомительной задачи ручного управления, функцию управления можно автоматизировать с помощью ПИД‑регулятора. Для этого требуется следующее: Установить электронное устройство измерения температуры. Автоматизировать клапан, добавив к нему исполнительный механизм (и, возможно, позиционер), чтобы клапаном можно было управлять электронным способом. Установить контроллер, например, ПИДрегулятор MAQ ®‑20, и подключить к нему устройство измерения температуры и автоматизированный клапан управления. Более подробная информация о PID-регуляторе Dataforth MAQ®20 представлена во врезке.
ПИД‑регулятор имеет уставку (SP — Set Point), чтобы оператор мог задать значение температуры.
Выходной сигнал контроллера (CO — Controller Output) устанавливает положение регулирующего клапана. А значение измеренной температуры, называемое параметром регулирования процесса (или переменной процесса, PV — Process Variable), даёт контроллеру столь необходимую обратную связь. Переменная процесса и выходной сигнал контроллера передаются в цифровой форме или посредством сигналов тока, напряжения (рис. 3).
Когда всё включено и работает, ПИД‑регулятор получает сигнал переменной процесса, сравнивает его с уставкой и вычисляет разницу между двумя сигналами, также называемую ошибкой (
ПИД-регуляторы имеют три режима управления: пропорциональный, интегральный и дифференциальный.
Каждый из трёх режимов по-своему реагирует на возникновение ошибки. Размер и характер отклика, создаваемого каждым режимом управления, регулируется путём изменения соответствующих настроек контроллера.
В большинстве контроллеров изменение усиления влияет на величину отклика в интегральном и дифференциальном режимах управления. Вот почему этот параметр называется усилением контроллера. Однако существует одна конструкция контроллера (называемая алгоритмом параллельного, или независимого усиления), в которой регулировка пропорционального усиления не влияет на другие режимы.
Отключив интегральный и дифференциальный режимы, ПИД-регулятор можно настроить так, чтобы он производил только пропорциональное действие. Пропорциональные контроллеры просты для понимания и настройки. Выходной сигнал контроллера — это просто ошибка управления, умноженная на усиление контроллера, плюс смещение (рис. 5).
Смещение необходимо, чтобы контроллер мог поддерживать ненулевой выходной сигнал при нулевой ошибке (переменная процесса в заданном значении). Использование пропорционального управления имеет большой недостаток — отклонение.
Необходимость избавиться от ручного сброса по описанному ранее сценарию привела к разработке автоматического сброса, или режима встроенного управления, как это называется сегодня.
Функция режима встроенного управления заключается в увеличении или уменьшении выходного сигнала контроллера с течением времени, чтобы уменьшить имеющуюся ошибку (когда переменная процесса не находится в заданном интервале значений). При наличии достаточного времени интегральный механизм будет изменять выходной сигнал контроллера, пока ошибка не станет равной нулю. Если ошибка велика, интегральный режим будет увеличивать/уменьшать выходной сигнал контроллера с более высокой скоростью; если ошибка мала, изменения будут медленными. Для данной ошибки скорость интегрального действия задаётся интегральной настройкой времени контроллера (
Большинство контроллеров, включая MAQ®20, в качестве единицы измерения для интегрального управления используют интегральное время (Ti) в минутах, но некоторые определяют его в секундах. Немногие контроллеры, обычно с параллельным алгоритмом, используют параметр «интегральное усиление» (Ki) в повторениях в минуту. Параллельный алгоритм работы также доступен в MAQ®20.
Обычно пропорционально-интегральный контроллер называют PI‑контроллером, его выход состоит из суммы пропорциональных и интегральных управляющих воздействий (рис. 9).
На рис. 10 показано, как после возмущения интегральный режим продолжает увеличивать выходной сигнал контроллера, чтобы вернуть температуру на выходе нагревателя к заданному значению.
Если сравнить это с рис. 7, становится ясно, как интегральное управление продолжает управлять выходом контроллера до тех пор, пока смещение не будет устранено полностью.
Третий режим управления в ПИД-контроллере — это режим управления по производной. Дифференциальный контроль редко используется в управлении процессами, но он часто применяется в управлении движением. Для управления процессом это не является абсолютно необходимым: дифференциальный режим очень чувствителен к инструментальному шуму и усложняет настройку методом проб и ошибок. Тем не менее, его использование может привести к тому, что определённые типы контуров управления будут реагировать немного быстрее, чем при применении только ПИ-регулирования. Температурное управление, например, является типичной задачей для ПИД-регулирования. Режим управления по производной обеспечивает сигнал, основанный на скорости изменения ошибки (рис. 11).
Из-за этого дифференциальный режим изначально назывался управлением по скорости. Дифференциальный режим производит большее управляющее действие, если ошибка изменяется с большей скоростью.
Если величина ошибки не меняется во времени, действие дифференциальной составляющей равно нулю. Дифференциальный режим имеет настройку, называемую Derivative Time (Td). Чем больше значение этого времени, тем больше вклад дифференциального управления. Установка времени Td на ноль полностью отключает этот режим. Если время установлено слишком большим, будут возникать колебания и контур управления станет нестабилен. Для настройки дифференциальной составляющей контроллера используются две единицы измерения: минуты и секунды.
Такой контроллер, обычно называемый ПИД-регулятором, работает на основе суммы пропорциональных, интегральных и дифференциальных управляющих воздействий.
На рис. 12 показан алгоритм неинтерактивного (также называемого идеальным) ПИД-регулятора, а на рис. 13 представлен алгоритм параллельного контроллера.
Оба они поддерживаются в системе MAQ®20.
Дифференциальный режим ПИД-регулятора обеспечивает большее управляющее воздействие раньше, чем это возможно при управлении только P или PI.
Это уменьшает влияние возмущения и сокращает время, необходимое для того, чтобы уровень вернулся к своему заданному значению (рис. 14).
На рис. 15 сравнивается скорость восстановления при P, PI и PID-регулировании температуры на выходе нагревателя после внезапного изменения давления топливного газа, как описано ранее.
ПИД-регулятор является рабочей лошадкой современных систем управления процессами. Каждый из режимов пропорционального, интегрального и дифференциального управления выполняет свою уникальную функцию. Пропорциональные и интегральные режимы необходимы для большинства контуров управления, а регулирование по производной полезно только в некоторых случаях. Существуют различные алгоритмы ПИД‑регулирования, и MAQ®20 поддерживает наиболее распространённый неинтерактивный алгоритм, а также параллельный алгоритм.
Универсальность делает MAQ®20 чрезвычайно мощным устройством и адаптируемым для широкого спектра приложений управления процессами, включая:
Линейка продуктов MAQ®20, вобравшая в себя более 25 лет опыта проектирования компании Dataforth в индустрии управления процессами, предлагает самую низкую стоимость на канал, точность ±0,035% и изоляцию 1500 В, а также обеспечивает превосходное ПИД-управление процессами.
Авторизованный перевод Юрия Широкова
E-mail: [email protected]
#Dataforth
Показать больше
Пропорционально-интегрально-дифференцирующий (ПИД) регулятор — устройство в управляющем контуре с обратной связью.
ПИД (от англ. P-proportional, I-integral, D-derivative) — регулятором называется устройство, применяемое в контурах управления, оснащенных звеном обратной связи. Данные регуляторы используют для формирования сигнала управления в автоматических системах, где необходимо достичь высоких требований к качеству и точности переходных процессов.
Управляющий сигнал ПИД-регулятора получается в результате сложения трех составляющих: первая пропорциональна величине сигнала рассогласования, вторая — интегралу сигнала рассогласования, третья — его производной. Если какой-то из этих трех компонентов не включен в процесс сложения, то регулятор будет уже не ПИД, а просто пропорциональным, пропорционально-дифференцирующим или пропорционально-интегрирующим.
Первый компонент — пропорциональный
Выходной сигнал дает пропорциональная составляющая. Сигнал этот приводит к противодействию текущему отклонению входной величины, подлежащей регулированию, от установленного значения.
Чем больше отклонение — тем больше и сигнал. Когда на входе значение регулируемой величины равно заданному, то выходной сигнал становится равным нулю.
Если оставить только эту пропорциональную составляющую, и использовать только ее, то значение величины, подлежащей регулированию, не стабилизируется на правильном значении никогда. Всегда есть статическая ошибка, равная такому значению отклонения регулируемой величины, что выходной сигнал стабилизируется на этом значении.
К примеру, терморегулятор управляет мощностью нагревательного прибора. Выходной сигнал уменьшается по мере приближения требуемой температуры объекта, и сигнал управления стабилизирует мощность на уровне тепловых потерь. В итоге заданного значения температура так и не достигнет, ибо нагревательный прибор в просто должен будет быть выключен, и начнет остывать (мощность равна нулю).
Больше коэффициент усиления между входом и выходом — меньше статическая ошибка, но если коэффициент усиления (по сути — коэффициент пропорциональности) будет слишком большим, то при условии наличия задержек в системе (а они зачастую неизбежны), в ней вскоре начнутся автоколебания, а если увеличить коэффициент еще больше — система попросту утратит устойчивость.
Или пример позиционирования двигателя с редуктором. При малом коэффициенте нужное положение рабочего органа достигается слишком медленно. Увеличить коэффициент — реакция получится более быстрая. Но если увеличивать коэффициент дальше, то двигатель «перелетит» правильную позицию, и система не перейдет быстро к требуемому положению, как хотелось бы ожидать. Если теперь увеличивать коэффициент пропорциональности дальше, то начнутся осцилляции около нужной точки — результат снова не будет достигнут…
Второй компонент — интегрирующий
Интеграл по времени от величины рассогласования — есть основная часть интегрирующей составляющей. Она пропорциональна этому интегралу. Интегрирующий компонент используется как раз для исключения статической ошибки, поскольку регулятор со временем учитывает статическую погрешность.
В отсутствие внешних возмущений, через какое-то время подлежащая регулированию величина будет стабилизирована на правильном значении, когда пропорциональная составляющая окажется равной нулю, и точность выхода будет целиком обеспечена интегрирующей составляющей.
Но интегрирующая составляющая тоже может породить осцилляции около точки позиционирования, если коэффициент не подобран правильно.
Третий компонент — дифференцирующий
Темпу изменения отклонения величины, подлежащей регулированию, пропорциональна третья — дифференцирующая составляющая. Она необходима для того, чтобы противодействовать отклонениям (вызванным внешними воздействиями или задержками) от правильного положения, прогнозируемого в будущем.
Теория работы ПИД-регулятора
Как вы уже поняли, ПИД-регуляторы применяют для поддержания заданного значения х0 некоторой одной величины, благодаря изменению значения u другой величины. Есть уставка или заданное значение х0, и есть разность или невязка (рассогласование) е = х0-х. Если система линейна и стационарна (практически это вряд ли возможно), то для задания u справедливы нижеследующие формулы:
В этой формуле вы видите коэффициенты пропорциональности для каждого из трех слагаемых.
Практически в ПИД-регуляторах используют для настройки другую формулу, где коэффициент усиления применен сразу ко всем компонентам:
Практическая сторона ПИД-регулирования
Практически теоретический анализ ПИД-регулируемых систем редко применяют. Сложность состоит в том, что характеристики объекта управления неизвестны, и система практически всегда нестационарна и нелинейна.
Реально работающие ПИД-регуляторы всегда имеют ограничение рабочего диапазона снизу и сверху, это принципиально объясняет их нелинейность. Настройка поэтому практически всегда и везде производится экспериментальным путем, когда объект управления подключен к системе управления.
Использование величины, формируемой программным алгоритмом управления, обладает рядом специфических нюансов. Если речь, например, о регулировке температуры, то часто требуется все же не одно, а сразу два устройства: первое управляет нагревом, второе — охлаждением. Первое подает разогретый теплоноситель, второе — хладагент.
Три варианта практических решений может быть рассмотрено.
Первый — близок к теоретическому описанию, когда выход — аналоговая и непрерывная величина. Второй — выход в форме набора импульсов, например для управления шаговым двигателем. Третий — ШИМ-управление, когда выход с регулятора служит для задания ширины импульсов.
Сегодня системы автоматизации практически все строятся на основе ПЛК, и ПИД-регуляторы представляют собой специальные модули, добавляемые к управляющему контроллеру или вообще реализуемые программно путем загрузки библиотек. Для правильной настройки коэффициентов усиления в таких контроллерах, их разработчики предоставляют специальное ПО.
Ранее ЭлектроВести писали, что Президент Украины подписал закон, который выполняет решение Конституционного суда и регулирует деятельность НКРЭКУ.
По материалам: electrik.info.
Воспалительные заболевания органов малого таза (ВЗОМТ) — инфекция органов женской репродуктивной системы.
К ним относятся матка, яичники, фаллопиевы трубы и шейка матки. Обычно это вызвано инфекцией, передающейся половым путем (ИППП), такой как хламидиоз или гонорея.
ВЗОМТ может вызвать боль в нижней части живота и лишить вас возможности иметь ребенка, если его не лечить должным образом. Ежегодно около 770 000 женщин в США диагностируют ВЗОМТ.
На раннем этапе вы можете не заметить никаких симптомов ВЗОМТ. Но по мере обострения инфекции у вас могут быть:
Немедленно обратитесь к врачу, если у вас есть любой из этих симптомов. Некоторые из них также могут быть признаками других состояний, поэтому ваш врач, скорее всего, проведет некоторые тесты, чтобы выяснить, есть ли у вас ВЗОМТ или что-то еще.
PID может вызвать серьезные проблемы, если его не лечить. Например, у вас могут быть проблемы с беременностью или боль в области таза, которая не проходит.
В некоторых случаях ВЗОМТ может вызывать более выраженные симптомы, и вам потребуется обратиться в отделение неотложной помощи. Немедленно обратитесь за медицинской помощью, если у вас есть:
Некоторые из них также могут быть признаками других серьезных заболеваний состояния, такие как аппендицит или внематочная беременность (беременность, которая происходит вне матки). Вам также понадобится медицинская помощь.
Своевременное лечение ИППП может помочь вам избежать заражения ВЗОМТ. Симптомы ИППП очень похожи на симптомы ВЗОМТ. К ним относятся обильные выделения из влагалища с неприятным запахом, боль при мочеиспускании и кровотечение между менструациями.
Позвоните своему врачу, как только заметите что-либо из этого, чтобы снизить вероятность ВЗОМТ.
Когда вы посетите своего врача, он, вероятно, проведет гинекологический осмотр. Они проверят наличие признаков болезненности в шейке матки, матке или окружающих органах (яичниках и фаллопиевых трубах).
Они также:
Ваш врач может проверьте образцы жидкости под микроскопом и отправьте в лабораторию культуры на гонорею и хламидиоз.
Они также могут порекомендовать некоторые анализы, в том числе:
Если обследование или анализы показывают высокую вероятность ВЗОМТ, ваш врач обсудит с вами, какое лечение вам нужно, чтобы избавиться от него.
Если ваш врач диагностирует ВЗОМТ, вы должны сообщить о своем заболевании всем, с кем у вас был секс за последние 60 дней. Если с момента полового акта прошло более 60 дней, сообщите об этом своему последнему партнеру, который также должен пройти курс лечения.
Во время лечения ВЗОМТ вам нельзя заниматься сексом, как и вашему партнеру.
Если у вас ВЗОМТ, ваш врач, скорее всего, назначит вам антибиотики, но иногда вам может потребоваться госпитализация.
Было обнаружено, что несколько различных типов антибиотиков эффективны против болезни, и вам могут назначить несколько типов для одновременного приема. Скорее всего, вы будете принимать антибиотики в течение 2 недель. Вы всегда должны следовать указаниям и принимать их все, даже если вы чувствуете себя лучше.
Ваши симптомы должны улучшиться в течение 3 дней. Если они этого не сделают, вам следует вернуться к своему врачу, потому что вам, возможно, придется попробовать что-то еще.
В более серьезных случаях ваше лечение может включать пребывание в больнице. Для этого может быть несколько причин:
информационный бюллетень Воспалительные заболевания органов малого таза (ВЗОМТ) — это инфекция или воспаление женской репродуктивной системы.
Он может поражать один или несколько органов, включая:
ВЗОМТ может вызывать хроническую тазовую боль у некоторых людей, в то время как у других симптомы могут быть слабыми или бессимптомными, то есть некоторые люди могут даже не знать, что у них ВЗОМТ.
ВЗОМТ поддается лечению, если его не лечить, это может вызвать:
ВЗОМТ может поразить любого, но обычно страдают сексуально активные женщины в возрасте от 20 лет.
ВЗОМТ обычно протекает в 3 стадии:
ВЗОМТ обычно вызывается бактериальной инфекцией. Наиболее частой причиной являются инфекции, передающиеся половым путем (ИППП), в основном:
Другие причины ВЗОМТ включают:
Некоторым может быть трудно определить, есть ли у вас ВЗОМТ, поскольку явных симптомов может не быть. Вот почему важно регулярно проходить медицинские осмотры и сдавать анализы на ИППП не реже одного раза в год, если вы ведете половую жизнь.
Признаки и симптомы ВЗОМТ могут включать:
При отсутствии лечения ВЗОМТ может привести к долговременному рубцеванию и закупорке фаллопиевых труб. Это может привести к бесплодию, потому что оплодотворенная яйцеклетка не может пройти через маточную трубу в матку (матку).
Если у вас была ВЗОМТ, у вас может быть повышенный риск внематочной беременности (когда плод развивается вне матки).
Наличие ВЗОМТ может повлиять на вашу фертильность следующим образом:
Если у вас есть какие-либо симптомы, обратитесь к врачу. Ваш врач проведет медицинский осмотр и проверит возможные причины (такие как хламидиоз и гонорея).
В зависимости от причины ВЗОМТ диагностика может включать:
Лапароскопия проводится под общей анестезией. Тонкая трубка с небольшой камерой на конце (называемая эндоскопом) вставляется в пупок, чтобы увидеть ваши репродуктивные органы.
Если не лечить ВЗОМТ, может возникать постоянная тазовая боль. Обычно это происходит из-за обширных рубцов.
Раннее лечение ВЗОМТ может свести к минимуму риск осложнений.
Лечение обычно включает:
Это может произойти по разным причинам, включая тяжелые симптомы, неопределенный диагноз, абсцессы или отсутствие реакции на рекомендованное лечение.Чтобы снизить риск ВЗОМТ и передачи вызывающих его бактерий: , оральный или анальный секс) с вашим партнером/партнерами.
Вы также можете анонимно уведомлять партнеров через веб-сайт «Сообщите им об этом»Внешняя ссылка.
Эти услуги ориентированы на молодежь.
(03) 5338 4541Эта страница была подготовлена в консультации с и одобрена к:
Эта страница была подготовлена в консультации с и одобрена к:
Была ли эта страница полезной?
Содержание этого веб-сайта предоставляется только в информационных целях.