Capire il controller PID

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La prima valutazione di successo della teoria del controllo PID è stata praticamente verificata nel campo dei sistemi di governo automatico per navi, nel lontano 1920. Successivamente è stata applicata in vari controlli di processo automatici industriali che richiedono specifiche di produzione ottimizzate e accurate. Per le unità di produzione, il PID è stato comunemente implementato per ottenere un controllo pneumatico preciso e, in ultima analisi, la teoria PID è stata applicata nei controller elettronici nei tempi moderni.

Cos'è il controller PID

Il termine PID è l'acronimo di controllore derivativo integrale proporzionale, che è un meccanismo ad anello di feedback, progettato per controllare con precisione vari macchinari di controllo industriale e molte altre applicazioni simili che richiedono controlli di modulazione critici e automatizzati.



Per implementare ciò, un controller PID monitora continuamente il funzionamento del sistema e calcola l'elemento di errore indotto. Quindi valuta questo valore di errore istantaneo sotto forma di differenza tra il setpoint richiesto (SP) e la variabile di processo misurata (PV).

Con riferimento a quanto sopra, viene eseguita una correzione del feedback istantanea e automatica in termini di espressioni proporzionale (P), integrale (I) e derivativa (D), da cui il nome controllore PID.



In parole semplici un controllore PID monitora continuamente il funzionamento di un dato sistema macchina e continua a correggere la sua risposta in uscita a seconda delle variazioni causate da influenze esterne, attraverso un algoritmo specificato. In questo modo garantisce che la macchina funzioni sempre nelle condizioni ideali stabilite.

Comprensione del diagramma a blocchi PID

Un controllore PID è considerato un sistema di controllo versatile per la sua capacità di rilevare e gestire 3 parametri di controllo: proporzionale, integrale e derivativo, e applicare il controllo ottimale previsto sull'uscita con estrema precisione, con riferimento a questi 3 parametri.

L'immagine sotto mostra lo schema a blocchi del PID. Facendo riferimento a questo diagramma a blocchi, possiamo comprendere rapidamente il principio di base del funzionamento di un PID.

Schema a blocchi del controller PID

immagine per gentile concessione: en.wikipedia.org/wiki/File:PID_en.svg

Qui siamo in grado di vedere un insieme di variabili come e (t) corrispondente al valore di errore, r (t) corrispondente al set point target e y (t) come variabile di processo misurata. Il regolatore PID durante il suo funzionamento monitora il valore di errore e (t) valutando la differenza tra il setpoint previsto r (t) o SP e il valore di processo misurato y (t) o PV, e di conseguenza esegue una correzione o ottimizzazione del feedback utilizzando i parametri vale a dire: proporzionale, integrale e derivativa.

Il controllore continua a fare uno sforzo per ridurre l'effetto dell'errore per tutto il tempo, regolando la variabile di controllo u (t) su nuovi valori basati sulla somma ponderata analizzata dei termini di controllo (p, I, d).

Ad esempio, nel funzionamento di un controllo di valvola, la sua apertura e chiusura può essere variata continuamente da un PID attraverso valutazioni complesse, come spiegato sopra.

Nel sistema mostrato i vari termini possono essere intesi come spiegato di seguito:

P- Controller:

Il termine P è proporzionale ai valori di errore istantaneo e (t) acquisiti valutando il risultato per SP - PV. In situazioni in cui il valore dell'errore tende ad aumentare, anche l'uscita di controllo diventa proporzionalmente maggiore rispetto al fattore di guadagno “K”. Tuttavia, in un processo che richiede una compensazione come il controllo della temperatura, il controllo proporzionale può portare a imprecisioni tra il setpoint e il valore di processo effettivo, poiché non può funzionare in modo soddisfacente senza un feedback di errore per generare la risposta proporzionale. Ciò implica che senza un feedback di errore, potrebbe non essere possibile una risposta correttiva adeguata.

I- Controller:

Il termine I diventa responsabile dei valori precedentemente valutati degli errori SP - PV e li integra durante il suo periodo di funzionamento per creare il termine I.Ad esempio mentre viene applicato il controllo proporzionale se SP - PV produce qualche errore, il parametro I si attiva e tenta di porre fine a questo errore residuo. Ciò accade effettivamente con una risposta di controllo attivata a causa del valore cumulativo dell'errore registrato in un momento precedente. Non appena ciò accade, il termine I smette di migliorare ulteriormente. Ciò fa sì che l'effetto proporzionale si riduca corrispondentemente al diminuire del fattore di errore, sebbene anche questo venga compensato man mano che si sviluppa l'effetto integrale.

D- Controller:

Il termine D è un'approssimazione più adatta dedotta per le tendenze evolutive dell'errore SP - PV, a seconda del tasso di variazione istantaneo del fattore di errore. Se questo tasso di cambiamento aumenta rapidamente, il controllo del feedback viene implementato in modo più aggressivo e viceversa.

Cos'è l'ottimizzazione PID

I parametri sopra discussi possono richiedere un bilanciamento corretto per garantire una funzione di controllo ottimale, e ciò si ottiene attraverso un processo chiamato 'regolazione del circuito'. Le costanti di sintonizzazione coinvolte sono indicate come 'K' come mostrato nelle deduzioni seguenti. Ciascuna di queste costanti deve essere derivata individualmente per un'applicazione selezionata, poiché le costanti dipendono strettamente e variano in base alle caratteristiche e alle influenze dei parametri esterni specifici coinvolti nel loop. Questi possono includere la risposta dei sensori impiegati per misurare un dato parametro, l'elemento di strozzamento finale come una valvola di controllo, un possibile tempo trascorso nel segnale del loop e il processo stesso ecc.

Può essere accettabile impiegare valori approssimati per le costanti all'inizio dell'implementazione in base al tipo di applicazione, tuttavia ciò potrebbe in definitiva richiedere una seria messa a punto e messa a punto attraverso la sperimentazione pratica, forzando i cambiamenti nei set point e successivamente osservando la risposta del controllo del sistema.

Che si tratti di un modello matematico o di un ciclo pratico, entrambi possono essere visti impiegare un'azione di controllo 'diretta' per i termini specificati. Significa che quando viene rilevato un aumento di un errore positivo, viene avviato un controllo positivo corrispondentemente aumentato per controllare la situazione per i termini coinvolti riassunti.

Tuttavia, può essere necessario invertire ciò nelle applicazioni in cui il parametro di uscita può avere una caratteristica configurata in modo opposto che richiede una misura correttiva inversa. Consideriamo l'esempio di un loop di flusso in cui il processo di apertura della valvola è specificato per funzionare utilizzando l'uscita 100% e 0%, ma deve essere controllato con un'uscita 0% e 100% corrispondente, in questo caso diventa essenziale un controllo correttivo inverso. Per essere più precisi, si consideri un sistema di raffreddamento ad acqua con una funzione di protezione in cui la sua valvola deve essere aperta al 100% durante una perdita di segnale. In questo caso l'uscita del controller deve essere in grado di passare al controllo dello 0% in assenza di un segnale, in modo che la valvola sia in grado di aprirsi al 100% completo, questo è definito come controllo ad 'azione inversa'.

Modello matematico della funzione di controllo

matematico per controller PID

In questo modello matematico, tutte le costanti non negative Kp, Ki e Kd significano coefficienti rispettivamente per i termini proporzionale, integrale e derivativo (in alcune occasioni questi sono anche indicati con P, I e D).

Personalizzazione dei termini di controllo PID

Dalle discussioni precedenti abbiamo capito che fondamentalmente il sistema di controllo PID funziona con tre parametri di controllo, tuttavia alcune applicazioni più piccole potrebbero preferire l'uso di un paio di questi termini o anche di un singolo termine tra i tre termini.

La personalizzazione viene eseguita rendendo il termine inutilizzato a zero e incorporando la coppia di termini PI, PD o termini singoli come P o I. Tra questi, la configurazione del controller PI è più comune poiché il termine D è solitamente soggetto a rumore influenze e quindi eliminati nella maggior parte dei casi, a meno che non sia strettamente obbligatorio. Il termine I è normalmente incluso poiché garantisce al sistema di raggiungere il valore di destinazione ottimale previsto in uscita.




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