Objaśnienie regulatora PID

9

Nie znalazłem tekstu, który wyjaśnia sterownik PID w prostych słowach. Znam teorię: że oblicza pochodną i wzmocnienie proporcjonalne i całkę itp., Ale w rzeczywistości muszę wiedzieć, jaka jest wydajność każdej funkcji i każdej kombinacji funkcji.

Na przykład, zaczynając od proporcjonalnego: wysyła sygnał wejściowy proporcjonalny do zarejestrowanego błędu. Więc jeśli błąd wynosi 5 V, czy robi to aby go zmniejszyć? lub ? lub czy co? Nie rozumiem.125 V155 V155 V

Jeśli chodzi o pochodną, ​​monitoruje pochodną w określonym czasie? A co wtedy robi? Co również, jeśli na początku występuje szum / zakłócenie, więc regulator PID nie będzie miał normalnych szybkości zmian do porównania? To samo z całką. Czy możesz wskazać mi dobry zasób lub wyjaśnić, proszę?

erg
źródło

Odpowiedzi:

11

Funkcją PID, z której korzysta większość ludzi na co dzień, jest koordynacja ręka-oko w celu kierowania samochodem lub rowerem. Twoje oczy są wejściowe, kąt kierownicy / kierownicy jest wyjściowy. Punktem ustawienia jest zazwyczaj środek linii (dopóki nie wyskoczy jeleń lub pies cię nie dogoni).


Twój umysł musi stale brać pod uwagę 3 różne czynniki podczas wykonywania tego zadania. Znaczenie, jakie przywiązuje do każdego czynnika, opiera się na przeszłych doświadczeniach, które nazywa się „strojeniem” w świecie PID.

Proporcjonalny: „Jestem daleko od centrum linii, powinienem zawrócić w tym kierunku”.
Oczywiście, jeśli jestem dalej, chcę być ostrzejszy, niż gdybym był bardzo blisko. Pozwoli mi to w odpowiednim czasie wrócić na środek mojej linii.

Pochodna: „Lepiej nie tylko szarpię kierownicę / kierownicę w tym kierunku, albo nadmiernie poprawię, przetoczę i rozbiję”.
Być może jesteś w rynsztoku, ale twoje wrażenia z jazdy uczą cię, że jeśli gwałtownie skręcisz, wszystko zmieni się bardzo szybko i musisz zmniejszyć ostrość, aby uniknąć nadmiernego przekroczenia nastawy i wchodzenia w nadjeżdżający ruch.

Całka: „Wiatr wciąż popycha mnie do krawędzi drogi, a ja muszę skręcić w to, aby pozostać na szorstkim kierunku”.
Jesteś dość blisko środka swojej linii, ale nie do końca tam, gdzie chcesz. Proporcjonalny jest mały, ponieważ jesteś naprawdę blisko, a instrument pochodny jest mały, ponieważ nie zmieniasz się bardzo szybko. Całka jest terminem, który wkracza i mówi: „Hej, wiem, że nie jesteśmy daleko, ale nie było nas już od dłuższego czasu; a może skręcimy w wiatr, abyśmy mogli utrzymać ustalony punkt”.

PID nie są idealne, a twoje zdolności kierowania są w rzeczywistości nieco lepsze niż standardowy PID. Jesteś na tyle sprytny, by zdać sobie sprawę, że kiedy wiatr zanika (z nieznanego powodu) zerujesz swój integralny termin i nie wędrujesz w stronę przeciwnego ruchu, czekając na powrót wiatru. Ludzie również dostrajają się podczas pracy, biorąc pod uwagę inne dane wejściowe, takie jak przyspieszenia i fizyka, podczas gdy większość maszyn / komputerów nie jest obecnie w stanie tego dokonać.

ericnutsch
źródło
Dzięki ładne wyjaśnienie. Podsumowując, korekcja proporcjonalna byłaby idealna, ale ma te wady: nie może poradzić sobie z bezwładnością, nie może poradzić sobie z hałasem zewnętrznym. Dlatego potrzebujemy D, aby poradzić sobie z bezwładnością, a ja, aby poradzić sobie z hałasem. Czy to dobre podsumowanie? Czy coś mi umknęło?
ergon
Proporcjonalny działa świetnie, gdy masz dużo czasu, aby się tam dostać. Po prostu dostrój go do tłumienia i będzie działał dobrze. Integral zapewnia, że ​​osiągniemy nasz prawdziwy punkt, kiedy jesteśmy blisko, ale nie całkiem tam. Pochodna jest najważniejsza, gdy chcemy szybko dotrzeć do naszej wartości zadanej. Proporcjonalny jest ustawiony bardziej agresywnie niż Pochodna jest używana do zmniejszenia przeregulowania; nie tylko przeciwdziała bezwładności, ale także przeciwdziała mocy wyjściowej (kąt kierownicy).
ericnutsch
PID nie zna systemu @ergon. Takie jest piękno PID, ale także jego największa awaria. Nie jest w stanie przewidzieć rzeczy, może tylko reagować. Pochodna jest w praktyce trochę trudna, ponieważ często jest głośna ze względu na sposób jej pomiaru. Głównie przeciwwaga dla dużych wartości P.
joojaa
9

W intuicyjny sposób przydatne okazało się następujące wyjaśnienie.

Dla argumentu powiedzmy, że nasz system wypełnia wiadro z dziurą w wodzie z kranu. Mierzymy głębokość wody w wiadrze i kontrolujemy prędkość przepływu wody za pomocą kranu. Chcemy jak najszybciej wypełnić wiadro, ale nie chcemy, aby się przepełniło.

Element proporcjonalny jest miarą liniową, w tym przypadku wysokość wody w wiadrze jest użyteczną miarą stopnia napełnienia wiadra w danym momencie, ale nie mówi nam nic o tym, jak szybko się napełnia, więc zanim zauważ, że jest pełny, może być za późno na odkręcenie kranu lub jeśli napełnimy go zbyt wolno, woda wycieka przez otwór szybciej niż się wypełnia i nigdy się nie zapełnia.

Na papierze ten dźwięk wydaje się sam w sobie wystarczający, aw niektórych przypadkach tak się jednak psuje, gdy sam system jest z natury niestabilny (jak odwrócone wahadło lub myśliwiec) i opóźnienie między pomiarem błędu a efekt wejściowy jest powolny w porównaniu do częstotliwości, z jaką zakłócenia wywołane hałasem zewnętrznym.

Elementem pochodnym jest szybkość zmiany poziomu wody. Jest to szczególnie przydatne, gdy chcemy napełnić wiadro tak szybko, jak to możliwe, np. Możemy otworzyć zawór tak daleko, jak to możliwe, na początku, aby go szybko napełnić, ale zamknąć go nieco, gdy poziom zbliży się do szczytu, więc może być nieco bardziej precyzyjny i nie przesadzić.

Integralnym elementem jest całkowita ilość dodanej wody wiadro. Jeśli wiadro ma proste boki, nie ma to większego znaczenia, ponieważ wypełnia się w tempie proporcjonalnym do przepływu wody, ALE jeśli wiadro ma zwężone lub zakrzywione boki, wówczas objętość wody zaczyna mieć wpływ na szybkość, z jaką zmienia się poziom wody. Mówiąc bardziej ogólnie, ponieważ jest to całka, która kumuluje się w czasie, więc stosuje większą reakcję, jeśli elementy P i D nie korygują wystarczająco, np. Utrzymując wiadro w połowie pełnej.

Innym sposobem spojrzenia na to jest to, że całka jest miarą skumulowanego błędu w czasie i skutecznie sprawdza, jak skuteczna jest strategia kontroli w osiąganiu zamierzonego wyniku i jest w stanie modyfikować dane wejściowe w zależności od tego, jak naprawdę zachowuje się system przez pewien czas.

Podsumowując:

element P (proporcjonalny) jest proporcjonalny do zmiennej, którą chcesz kontrolować (jak prosty termostat)

element D (pochodna) jest proporcjonalny do tempa zmian tej zmiennej

element (integralny) jest być może najtrudniejszy do zrozumienia, ale odnosi się do ilości, którą mierzy twój parametr P, zwykle jest to skumulowana wielkość, taka jak objętość, masa, ładunek, energia itp.

Chris Johns
źródło
Niesamowita odpowiedź, najlepsze wyjaśnienie, jakie znalazłem wszędzie. Ale dwa dalsze pytania: 1. W jaki sposób dostrojone są parametry? Automatycznie czy inaczej? Gdyby był to tylko jeden parametr, niejasno widzę, jak można go przesunąć w górę lub w dół, na przykład algorytmicznie, by ostatecznie osiągnąć stabilną wartość. 2. W pewnym sensie ta wartość sama w sobie prowadzi do potrzeby systemu PID, jeżeli charakter środowiska miałby ulec zmianie. Na przykład, jeśli wiadro lub kran miałyby zostać zmienione, w jaki sposób można sprawić, by parametry dostosowywały się najskuteczniej? Mam nadzieję, że nie zadaje to zbyt wiele, może uzasadnia to osobne pytanie?
CL22
Strojenie parametrów sprowadza się przede wszystkim do sposobu modelowania systemu. Możesz to zrobić matematycznie za pomocą transformat Laplace'a, które modelują odpowiedź systemu w odniesieniu do częstotliwości, tzn. Traktujesz go jako układ masy / sprężyny / tłumika. Lub możesz mieć fizyczny system, w którym po prostu dostosowujesz rzeczywiste pokrętła i pokrętła. W praktyce może się okazać, że jest to trochę jedno i drugie, model matematyczny daje rozsądny punkt wyjścia, który można dostroić w odpowiedzi na zachowanie w świecie rzeczywistym.
Chris Johns
@ Jodes w praktyce prawdziwe systemy mają wiele behawiorów, których nie można wcześniej poznać przy modelowaniu.
joojaa
4

Kontrolery PID wykorzystują parametry strojenia do dostosowania odpowiedzi.

Z równania dla regulacji PID:

wprowadź opis zdjęcia tutaj

Trzy warunki K-indeksu dolnego są parametrami dostrajającymi, a dla każdego składnika wyjścia regulatora PID jest jeden: proporcjonalny, całkowy i różnicowy.

Na przykład przy błędzie + 5 V i Kp 0,3, moc wyjściowa wynosiłaby 1,5 V. Podobnie w przypadku całek i różnic.

W praktyce parametry te określa się eksperymentalnie. Zieglera-Nicholsa (pdf) Metoda strojenia jest prostą metodą heurystyczną, które były bardzo popularne w przemyśle.

Obecnie większość gotowych sterowników PID i funkcji PLC ma wbudowane strojenie.

Mam nadzieję, że to pomaga!

Jim Hargreaves
źródło