CONOSCENZE DI BASE-CONTROLLER PID
A cosa serve e come funziona un controller PID? Per decenni, PID è stato stabilito come la forma più popolare di controllo di processo – ma perché è questo? La risposta, come spiegato in questo articolo, è che supera le carenze di altri tipi di controllo. La spiegazione include una discussione su come i controller PID si riferiscono ad altri metodi di controllo, cosa significano i termini PID e come funzionano i controller.,
Una gerarchia di sistemi di controllo
I sistemi di controllo sono onnipresenti in applicazioni industriali, mediche, militari, automobilistiche, di utilità e molte altre applicazioni – e talvolta appaiono nella nostra vita quotidiana., Tuttavia, sono disponibili in molti tipi, di cui il controllo PID è solo uno, anche se il più sofisticato. Di conseguenza, iniziamo spiegando la gerarchia del sistema di controllo che esiste oggi e mostrando come il controllo PID si adatta a questo. Quindi, ci concentriamo sui controller PID e su come funzionano.
Controllo ad anello aperto – il tipo più semplice. Un esempio è un tubo da giardino, collegato a un rubinetto. Sebbene il rubinetto possa essere azionato da un utente per regolare il flusso d’acqua, il tubo non ha alcun meccanismo di retroazione per “chiudere il ciclo” per la regolazione automatica.,
On / off o ‘Bang-Bang’ di controllo – questa è la forma più semplice di controllo ad anello chiuso, ed è esemplificato da un sistema di riscaldamento domestico con un termostato ambiente. Il termostato confronta il valore misurato della temperatura ambiente (MV) con il suo setpoint (SP) regolato dall’utente. Il sistema utilizza il feedback MV per chiudere il ciclo. Se la temperatura è troppo bassa, si accende il riscaldamento centrale per riscaldare la stanza fino a raggiungere la temperatura SP. Se la temperatura supera la SP, il riscaldamento verrà spento e, eventualmente, l’aria condizionata verrà avviata per il raffreddamento attivo.,
I termostati pratici hanno un’isteresi o una banda morta. Questo potrebbe essere tipicamente 4°C, quindi per un setpoint di 20°C, il termostato si accende a 18°C e sotto, e si spegne a 22°C e sopra. Ciò espone i limiti del controllo on / off; senza isteresi, il termostato commuta continuamente, il che può causare un’eccessiva usura e, eventualmente, un rumore udibile intrusivo. Al contrario, se il divario di isteresi è troppo ampio, la temperatura ambiente sarà sub-ottimale per gran parte del tempo.,
Inoltre, in alcuni sistemi industriali, un’accensione improvvisa e a pieno carico potrebbe causare problemi con le correnti di spunto.
Il controllo proporzionale è un metodo di controllo continuo che offre prestazioni più sfumate, robuste e di qualità migliore rispetto all’approccio on / off relativamente grezzo. Tuttavia, la progettazione e l’ottimizzazione di un ciclo di controllo per una particolare applicazione non è priva di alcune sfide., Di solito è auspicabile, se non essenziale, ottenere il tempo di risposta più rapido possibile e la massima precisione allo stato stazionario, senza creare un rischio di instabilità. Una volta impostato, il ciclo deve mantenere le sue prestazioni ottimali anche in condizioni di processo imprevedibili e mutevoli.
Di seguito, esaminiamo come funzionano i sistemi di controllo proporzionali e come possono essere valutate le loro prestazioni. Quindi introduciamo i concetti delle funzioni Integrali (I) e Derivate (D) e spieghiamo il loro ruolo essenziale nell’ottimizzazione delle prestazioni di controllo a circuito chiuso per i controller PID., Vediamo come le funzioni possono essere sintonizzate per bilanciare al meglio il tempo di risposta e la precisione rispetto alla stabilità in tutte le condizioni.
Oggi, la maggior parte dei controllori proporzionali e PID sono implementati utilizzando microprocessori o microcontrollori incorporati, o come software in esecuzione su un PLC o su un sistema di controllo di supervisione e acquisizione dati (SCADA) più grande. Tuttavia, ci sono delle eccezioni. I controller PID analogici sono ancora utilizzati per applicazioni ad alta larghezza di banda e a basso rumore e sono ancora disponibili sistemi pneumatici .,
Si noti che, indipendentemente dalla tecnologia del controller PID, le variabili di ingresso e di uscita sono solitamente analogiche.
In questa configurazione, la variabile di processo è il parametro di sistema che deve essere controllato, come temperatura, pressione o portata. Il sensore misura questa variabile e alimenta un segnale corrispondente, che di solito è elettrico in un moderno sistema di controllo di processo; tipicamente, 4-20mA. Questo viene confrontato con il valore di setpoint, che può essere regolato da un utente come nell’esempio del termostato., Tuttavia, in un sistema industriale, può essere impostato da un altro processo o da un programma di controllo PLC (Programmable Logic Controller).
L’uscita da questo confronto è il segnale di errore, che viene utilizzato dal controller per calcolare la sua uscita al processo. Il guadagno proporzionale del controller (Kp) determina il rapporto tra la risposta in uscita e il segnale di errore.
In ogni caso, l’uscita del controller viene utilizzata per pilotare un attuatore, che potrebbe essere un riscaldatore in un processo industriale, ad esempio., Di conseguenza, mentre il processo si riscalda verso il setpoint, il segnale di errore viene ridotto man mano che la sua temperatura si avvicina al livello desiderato. Tuttavia, il controllo proporzionale da solo non può fornire un controllo perfettamente accurato; non può, da solo, eliminare completamente il segnale di errore, poiché l’uscita diventa trascurabile man mano che il segnale di errore si avvicina a zero. Inoltre, l’uscita dell’attuatore spesso non è l’unica influenza sul sistema.
Ad esempio, in una camera di temperatura potrebbe esserci una fonte di aria fresca che a volte soffia nella camera e cambia la temperatura., Questo è chiamato disturbo. Inoltre, la risposta del sistema a un’uscita di controllo può cambiare nel tempo o in risposta a qualche variabile. Ad esempio, una camera parzialmente riempita di liquido mostrerà una risposta molto più veloce all’uscita del riscaldatore quando è quasi vuota rispetto a quando è quasi piena di liquido. Ciò crea un sistema non lineare in cui i parametri di controllo che producono una risposta desiderata in un punto operativo potrebbero non produrre una risposta soddisfacente in un altro punto operativo.,
I tempi morti, causati da fattori come i ritardi derivanti dal fluido che scorre attraverso i tubi, possono essere un altro problema. Di conseguenza, i sistemi di controllo dovrebbero essere progettati per ridurre al minimo gli effetti dei disturbi sulla variabile di processo, sui processi non lineari e sui tempi morti.
Il processo di progettazione del controllo
Il processo di progettazione del controllo inizia con la definizione dei requisiti prestazionali. Le prestazioni del sistema di controllo vengono spesso misurate applicando una funzione step all’ingresso set point e quindi misurando la risposta della variabile di processo., Questo è comunemente quantificato misurando le caratteristiche definite della forma d’onda.
Tempo di salita è la quantità di tempo che il sistema impiega per passare dal 10% al 90% del valore di stato stazionario o finale. Superamento percentuale è l’importo che la variabile di processo supera il valore finale, espresso come percentuale del valore finale. Il tempo di assestamento è il tempo necessario affinché la variabile di processo si stabilizzi entro una certa percentuale (comunemente il 5 %) del valore finale. L’errore di stato stazionario è la differenza finale tra la variabile di processo e il set point., Si noti che la definizione esatta di queste quantità varierà nell’industria e nel mondo accademico.
Che cos’è un controller PID?
Esamineremo ora gli effetti della variazione della componente proporzionale dell’uscita del controller e dell’introduzione di termini integrali (I) e Derivati (V).
Se abbiamo solo un controller Proporzionale (P), possiamo iniziare impostando il guadagno Kp su un valore modesto, come 10 (K è adimensionale). Dopo aver applicato l’ingresso a gradino, l’uscita sarà stabile, ma si avvicinerà lentamente al valore desiderato., Se Kp viene aumentato a, diciamo, 100, sia l’errore di stato stazionario che il tempo di salita saranno ridotti – finora, così bene. Tuttavia, se aumentiamo Kp a 200, anche se il tempo di salita e l’errore di stato stazionario sono ulteriormente ridotti, overshoot inizia ad apparire.
Da qui in poi, un ulteriore aumento del Kp aumenta semplicemente il superamento, senza ulteriori riduzioni del tempo di salita o dell’errore di stato stazionario. E overshoot può eventualmente diventare underdamped oscillazione, il che significa che il sistema sarà instabile.,
La soluzione del settore è stata quella di aggiungere componenti integrali (I) e derivati (V) all’uscita proporzionale (P) del controller, per creare un controller PID.
Il componente integrale somma il termine di errore nel tempo. Il risultato è che anche un piccolo termine di errore farà aumentare lentamente il componente integrale. La risposta integrale aumenterà continuamente nel tempo a meno che l’errore non sia zero, quindi l’effetto è quello di portare l’errore dello stato stazionario a zero., Un fenomeno chiamato windup integrale si verifica quando l’azione integrale satura un controller senza che il controller guidi il segnale di errore verso zero.
Sebbene l’azione integrale possa eliminare l’errore di stato stazionario, può contribuire fortemente al superamento dell’uscita del controller e alla possibile instabilità. Tuttavia, il controllo PI può essere adatto per alcuni processi, dove la velocità del sistema non è importante. Tuttavia, dove l’instabilità è un potenziale problema, la soluzione è implementare un controller PID aggiungendo un componente derivato.,
I componenti derivati agiscono sulla velocità di variazione del segnale di errore. Più cambia l’errore o più lungo è il tempo derivato, maggiore è il fattore derivato. L’effetto di questo è quello di contrastare il overshoot causato da P e I. Quando l’errore è grande, P e I spingeranno l’uscita del controller. Questa risposta del controller fa cambiare rapidamente l’errore, che a sua volta fa sì che la derivata neutralizzi il P e l’I in modo più aggressivo. Un derivato correttamente utilizzato consente fattori proporzionali e integrali più aggressivi., Il tempo di derivazione più grande rende il derivato più aggressivo smorzare P e I.
Guarda anche questo video per ottenere il controller PID spiegato!
Tuning un controller PID
Stabilire la combinazione ottimale di parametri P,I e D per uno specifico ciclo di controllo è fatto da tuning – e tre approcci alla messa a punto sono possibili: manuale, euristica (‘Regola empirica’), e automatizzato.
La sintonizzazione PID manuale viene eseguita impostando il tempo di reset (integrale) al suo valore massimo e la velocità (Derivata) a zero e aumentando il guadagno fino a quando il ciclo oscilla ad un’ampiezza costante., (Quando la risposta a una correzione di errore si verifica rapidamente un guadagno più grande può essere utilizzato. Se la risposta è lenta è auspicabile un guadagno relativamente piccolo). Quindi impostare il guadagno del controller PID a metà di quel valore e regolare il tempo di reset in modo che corregga qualsiasi offset entro un periodo accettabile. Infine, aumentare la velocità del ciclo PID fino a quando l’overshoot è ridotto al minimo
I due metodi euristici di Zeigler e Nichols per accordare un controller PID furono pubblicati per la prima volta nel 1942., Questi funzionano applicando un cambiamento di passo al sistema e osservando la risposta risultante. Il primo metodo consiste nel misurare il ritardo o il ritardo nella risposta e quindi il tempo necessario per raggiungere il nuovo valore di uscita. Il secondo dipende dallo stabilire il periodo di oscillazione stazionaria. In entrambi i metodi, questi valori vengono quindi inseriti in una tabella per ricavare i valori di guadagno, tempo di reset e velocità per il controller PID.
La maggior parte dei controller PID venduti oggi incorporano funzioni di auto-tuning. I dettagli operativi variano tra i produttori, ma tutti seguono regole simili a quelle sopra descritte., In sostanza, il controller PID “impara” come il processo risponde a un disturbo o a una modifica del set point e calcola le impostazioni PID appropriate.
I regolatori di temperatura OMEGA Platinum sono esempi di dispositivi con capacità di auto-tuning.
Quali sono i parametri di sintonizzazione PID? Trova le risposte in questo video!
Progettazione di sistemi di controllo basati su PID – dal computer
Il set di strumenti LabVIEW di NI offre un’ampia varietà di strumenti virtuali (VIs) che aiutano notevolmente nella progettazione di un sistema di controllo basato su PID ., Il PID VIs consente lo sviluppo di algoritmi proporzionali (P); proporzionali-integrali (PI); proporzionali-derivati (PD); e proporzionali-integrali-derivati (PID).
Conclusione
In questo articolo, abbiamo visto come i controller PID possono essere utilizzati per ottimizzare i loop di controllo per tempo di risposta, precisione e stabilità in tutte le condizioni di processo – e come i termini I e D forniscono un livello di controllabilità non possibile con il solo termine proporzionale.