ПИД-регуляторы:основа современной промышленной автоматизации

Пропорционально-интегрально-дифференциальные (ПИД) регуляторы сегодня используются в большинстве приложений автоматического управления технологическими процессами в промышленности для регулирования расхода, температуры, давления, уровня и многих других переменных промышленного процесса.

Они появились в 1939 году, когда компании Taylor и Foxboro представили первые два ПИД-регулятора. Все современные контроллеры основаны на этих первоначальных пропорциональных, интегральных и производных режимах.

ПИД-регуляторы являются «рабочей лошадкой» современных систем управления технологическими процессами, поскольку они автоматизируют задачи регулирования, которые в противном случае пришлось бы выполнять вручную. Хотя режим пропорционального управления является основной движущей силой контроллера, каждый режим выполняет уникальную функцию. Режимы пропорционального и интегрального управления необходимы для большинства контуров управления, а режим производной отлично подходит для управления движением. Контроль температуры — типичное приложение, использующее все три режима управления.

Ручное управление

Рисунок 1. Оператор, выполняющий ручное управление

Без ПИД-регулятора ручное регулирование температуры воды является утомительным процессом. Например, чтобы поддерживать постоянную температуру воды, выходящей из промышленного газового нагревателя, оператор должен следить за указателем температуры и соответствующим образом регулировать клапан топливного газа (рис. 1). Если температура воды становится слишком высокой, оператору приходится закрыть газовый клапан ровно настолько, чтобы температура вернулась к желаемому значению. Если вода становится слишком холодной, ему приходится открыть газовый кран.

Задача управления, выполняемая оператором, называется управлением с обратной связью, поскольку оператор изменяет скорость стрельбы на основе обратной связи от процесса через датчик температуры. Оператор, клапан, технологический процесс и датчик температуры образуют контур управления. Любое изменение, вносимое оператором в газовый клапан, влияет на температуру, которая передается обратно оператору, тем самым замыкая контур.

Автоматическое управление

Для автоматизации регулирования температуры с помощью ПИД-регулятора необходимо следующее:

• Установить электронное устройство измерения температуры.
• Автоматизировать клапан, добавив привод (и, возможно, позиционер), чтобы он мог управляться электронным способом.
• Установить контроллер и подключить его к устройству измерения температуры и автоматическому регулирующему клапану.

Рисунок 2. ПИД-регулятор, выполняющий автоматическое управление

Оператор устанавливает заданное значение ПИД-регулятора (SP) на желаемую температуру, а выходной сигнал контроллера (СО) задает положение регулирующего клапана. Измеренное значение температуры, называемое переменной процесса (PV), затем передается на ПИД-регулятор, который сравнивает его с заданным значением и вычисляет разницу или ошибку (E) между двумя сигналами. На основании ошибки и констант настройки контроллера контроллер вычисляет соответствующий выходной сигнал контроллера, чтобы установить регулирующий клапан в правильное положение и поддерживать температуру на заданном уровне (рис. 2). Если температура поднимется выше заданного значения, контроллер уменьшит положение клапана и наоборот.

Каждый из трех режимов контроллера по-разному реагирует на ошибку. Величина реакции, создаваемая каждым режимом управления, регулируется путем изменения настроек контроллера.

Режим пропорционального управления

Режим пропорционального управления изменяет выходной сигнал контроллера пропорционально ошибке. Если ошибка увеличивается, управляющее воздействие увеличивается пропорционально.

Регулируемая настройка пропорционального управления называется коэффициентом усиления контроллера (Kc). Более высокий коэффициент усиления контроллера увеличивает величину пропорционального управляющего воздействия для данной ошибки. Если усиление контроллера установлено слишком высоким, контур управления начнет колебаться и станет нестабильным. Если установлено слишком низкое значение, контур управления не будет адекватно реагировать на возмущения или изменения уставки.

Для большинства контроллеров регулировка усиления контроллера влияет на величину отклика в режимах интегрального и производного управления.

Пропорциональный контроллер

ПИД-регулятор можно настроить на выполнение только пропорционального действия, отключив режимы интеграла и производной. Пропорциональные контроллеры просты для понимания и легко настраиваются:выходной сигнал контроллера представляет собой просто ошибку управления, умноженную на коэффициент усиления контроллера, плюс смещение. Смещение необходимо для того, чтобы контроллер мог поддерживать ненулевой выходной сигнал, пока ошибка равна нулю (переменная процесса в заданном значении). Недостатком является смещение, которое представляет собой устойчивую ошибку, которую нельзя устранить только с помощью пропорционального управления. При пропорциональном управлении смещение будет оставаться в силе до тех пор, пока оператор вручную не изменит смещение на выходе контроллера, чтобы устранить смещение. Это называется ручным сбросом контроллера.

Режим комплексного управления

Рисунок 3. (слева) Алгоритм неинтерактивного ПИД-регулятора; (справа) алгоритм параллельного ПИД-регулятора

Необходимость ручного сброса привела к разработке автоматического сброса, известного как режим интегрального управления. Функция режима интегрального управления заключается в постепенном увеличении или уменьшении выходного сигнала контроллера для уменьшения ошибки, пока присутствует какая-либо ошибка (переменная процесса не находится в заданном значении). При наличии достаточного количества времени интегральное действие будет управлять выходным сигналом контроллера до тех пор, пока ошибка не станет равной нулю.

Если ошибка велика, интегральный режим будет быстро увеличивать/уменьшать выходной сигнал контроллера; если ошибка небольшая, изменения будут медленными. Для данной ошибки скорость интегрального действия устанавливается настройкой времени интеграла контроллера (Ti). Если время интегрирования установлено слишком большим, контроллер будет работать медленно; если оно установлено слишком коротким, контур управления будет колебаться и станет нестабильным.

Большинство контроллеров используют интегральное время в минутах в качестве единицы измерения интегрального управления. Некоторые используют время интегрирования в секундах, а некоторые контроллеры используют интегральный коэффициент (Ki) в повторениях в минуту.

Пропорциональный + интегральный регулятор

Выходной сигнал пропорционально-интегрального регулятора, обычно называемый ПИ-регулятором, состоит из суммы пропорциональных и интегральных управляющих воздействий.

После возникновения возмущения интегральный режим продолжает увеличивать выходной сигнал контроллера до тех пор, пока не будут устранены все отклонения и температура на выходе нагревателя не вернется к заданному значению.

Режим производного управления

Производное управление редко используется при управлении процессами, но часто применяется при управлении движением. Он очень чувствителен к шуму измерений, затрудняет настройку методом проб и ошибок и не является абсолютно необходимым для управления процессом. Однако использование производного режима контроллера может привести к тому, что некоторые типы контуров управления (например, регулирование температуры) будут реагировать быстрее, чем при использовании только ПИ-регулирования.

Режим управления по производной выдает выходные данные на основе скорости изменения ошибки. Он производит больше управляющих воздействий, если ошибка изменяется с большей скоростью; если ошибка не изменилась, производное действие равно нулю. Этот режим имеет регулируемую настройку, называемую производным временем (Td). Чем больше настройка времени дифференциации, тем больше производного действия. Однако если время производной установлено слишком большим, возникнут колебания и контур управления станет нестабильным. Установка Td на ноль эффективно отключает режим производной. Для настройки производной контроллера используются две единицы измерения:минуты и секунды.

Пропорциональный + интегральный + производный регулятор

Рисунок 4. Реакция П-, ПИ- и ПИД-регулятора на возмущение.

Выходной сигнал ПИД-регулятора состоит из суммы пропорционального, интегрального и производного управляющих воздействий. Алгоритмы ПИД-управления бывают разных конструкций, включая неинтерактивный алгоритм и параллельный алгоритм. Оба показаны на рисунке 3.

В ПИД-регуляторе производный режим обеспечивает большее управляющее действие раньше, чем это возможно при П- или ПИ-управлении. Это снижает влияние помех и сокращает время, необходимое для возврата уровня к заданному значению.

На рисунке 4 сравнивается время восстановления температуры на выходе технологического нагревателя после внезапного изменения давления топливного газа при P, PI и PID-регулировании.

Настройка контроллера

ПИД-регуляторы требуют настройки, но когда они впервые появились на рынке, четких инструкций, как это сделать, не было. Настройка производилась методом проб и ошибок до 1942 года, когда Дж. Г. Циглер и Н. Б. Николс из компании Taylor Instruments Company опубликовали два метода настройки.

Эти правила настройки хорошо работают на процессах с очень большими постоянными времени относительно их мертвого времени, а также на контурах управления уровнем, которые содержат интегрирующий процесс. Они плохо работают в контурах управления, которые содержат саморегулирующиеся процессы, такие как расход, температура, давление, скорость и состав.

Саморегулирующийся процесс всегда стабилизируется в некоторой точке равновесия, которая зависит от конструкции процесса и выходных сигналов контроллера; если выход контроллера установлен на другое значение, процесс отреагирует и стабилизируется в новой точке равновесия.

Большинство контуров управления содержат саморегулирующиеся процессы, для них разработаны методы настройки. Например, правила настройки Коэна-Куна хорошо работают практически во всех контурах управления с саморегулирующимися процессами. Эти правила изначально были разработаны для обеспечения очень быстрого отклика, но в результате получились петли с высокой колебательной характеристикой. При небольшом изменении правил контуры управления по-прежнему реагируют быстро, но гораздо менее подвержены колебаниям. Сегодня существует более 100 методов настройки контроллера, каждый из которых предназначен для достижения определенной цели.

Заключение

Современные системы управления технологическими процессами не могли бы существовать без ПИД-регуляторов, поскольку все функции управления пришлось бы выполнять вручную. Каждый из режимов пропорционального, интегрального и производного управления выполняет уникальную функцию, а правила настройки были разработаны для обеспечения эффективного управления процессом для всех типов контуров и приложений.

Эту статью написал Ли Пейн, генеральный директор Dataforth Corporation, Тусон, Аризона. Для получения дополнительной информации нажмите здесь  .

Ресурсы

Для получения информации о промышленной системе сбора данных и управления Dataforth MAQ®20 загрузите каталог. 

Ссылки

• an122: Введение в ПИД-регулирование
• an123: Настройка контуров управления для быстрого реагирования
• an124: Настройка контуров управления с помощью метода настройки IMC
• an125: Настройка контуров контроля уровня
• an126: Настройка контуров контроля уровня в расширительном резервуаре