Настройка пид-регулятора преобразователя частоты

Инструкция по настройке ПИД регулятора

Поскольку количество сочетаний трех параметров, предусмотренных для настройки регуляторов, весьма значительно, с течением времени было разработано много методик, облегчающих их правильную настройку. Некоторые из них требуют определенной дестабилизации технологического процесса, что зачастую неприемлемо на практике.

Цель данной статьи – предложить ряд простых правил настройки регуляторов, позволяющих выполнять данную работу с минимальными отклонениями от режимных параметров.
Основное правило: регулятор следует настраивать сообразно технологическому процессу.

При высоком быстродействии процесса (например, в контуре расхода), регулятор также следует настроить на быстрое срабатывание. Скорость срабатывания регулятора определяется интегральным временем (интегральной составляющей), а не зоной пропорционального регулирования (усилением).

Неправильное использование этих параметров значительно снижает эффективность настройки регуляторов. При низком быстродействии процесса (например, при регулировании температуры на тарелке в верхней части ректификационной колонны) регулятор следует настроить на медленное срабатывание СООБРАЗНО ПРОЦЕССУ.

Если у Вас отсутствует информация о характеристиках процесса и не к кому обратиться за разъяснениями, Вам следует перепоручить настройку регуляторов специалисту, который сможет получить необходимую информацию.

Общие правила для стандартных контуров управления

Расход

Обычно более половины контуров управления на установке представляют собой контуры регулирования расхода. Установите интегральную составляющую (I) на 0,1 минуты.

Отрегулируйте зону пропорционального регулирования так, чтобы предотвратить излишнюю зашумленность результатов измерения (как правило, около 300%, хотя, в некоторых случаях, при неправильном монтаже узла расходомера, требуемое значение может достигать 1000%).

Установка зоны пропорционального регулирования для контура, в котором используется позиционер клапана, в два – три раза превышает значение для контура без позиционера. Для медленно срабатывающих или заедающих регулирующих клапанов может потребоваться установка 0,2 или 0,3 минуты, однако, обычно, такие значения являются исключением.

Если эти настройки не работают, проверьте монтаж клапана и первичного измерительного элемента с целью определения неисправности. Устраните неисправность. Не следует устанавливать регулятор на неприемлемое значение интегральной составляющей, например, 10 минут.

Если вы считаете, что требуемое значение интегральной составляющей равно 10 минут, следует использовать регулятор в ручном режиме или клапан с ручным приводом.
Примечание: Регуляторы не будут нормально работать, если клапан или другой конечный регулирующий элемент почти полностью закрыт или почти полностью открыт.

Настраивать регуляторы в этих условиях не следует. Попросите оператора открыть или закрыть байпас (при наличии байпаса) или дождитесь, пока технологические параметры не изменяться настолько, чтобы клапан вернулся в пределы рабочего диапазона. Предельные значения рабочего диапазона составляют от 5 до 95% рабочего хода, при этом более безопасный диапазон – от 10 до 90%. Не следует использовать воздействие дифференциальной составляющей для контуров регулирования расхода.

Уровень

Следующий за контуром расхода наиболее распространенный контур управления – контур уровня. не следует использовать малые значения интегральной составляющей в контуре регулировки уровня. При использовании подобного значения контур будет безостановочно работать в цикличном режиме, нередко с периодом (временем от пика одного цикла до пика следующего цикла) от 10 до 15 минут.

Этот период обратно пропорционален интегральному времени. Установите интегральное время на 10 минут. Эта установка будет приемлемой для 80 — 90% регуляторов уровня. Если временная постоянная аппарата (объем/расход) составляет от 1 до 2 минут, то можно использовать более короткое интегральное время, однако следует помнить о том, что более продолжительное время является более надежным.

При большом объеме аппарата и малом расходе следует использовать более продолжительное интегральное время. Если важна точность регулирования уровня, используйте наименьшее значение зоны пропорционального регулирования (10 — 50%), при котором отсутствует циклическое срабатывание.

Если плавное изменение расхода на последующую установку важнее жесткого регулирования уровня, используйте более широкую зону пропорционального регулирования (100 — 200%). Не следует использовать воздействие дифференциальной составляющей в контуре регулирования уровня. Впрочем, имеются немногочисленные исключения.

В очень редких случаях небольшая дифференциальная составляющая используется для компенсации на регулирующих клапанах уровня со значительным гистерезисом. Шумы по уровню вызывают дрожание клапана, что может способствовать более плавному регулированию. Более оптимальное решение – установить позиционер или, что еще лучше, регулятор расхода в каскаде с регулятором уровня.

В контурах уровня, если регулятор управляет клапаном без позиционера, зачастую наблюдается предельный цикл. График предельного цикла имеет пилообразную форму, иногда с плоскими нижними и/или верхними участками. Контроль выходного сигнала в ходе предельного цикла показывает изменение, равное примерно 5%. Устранить подобный предельный цикл путем настройки практически невозможно.

Настройка приводит к изменению периодичности цикла, но не влияет на его амплитуду. Если регулирование клапана осуществляется в пределах рабочего диапазона, то устранить данную проблему можно только путем установки позиционера или каскадированием уровня с расходом.

Если уровень контролируется по расходу продукта, направляемого в парк хранения, то, как правило, циклическое срабатывание не имеет значения. Если же речь идет об орошении в ректификационной колонне, зацикливание, как правило, недопустимо.

Следует отметить, что циклическое управление клапаном в почти полностью закрытом или почти полностью открытом положении приводит к возникновению предельного цикла, как правило, с плоским нижним участком, если клапан почти закрыт или с плоским верхним участком, если клапан почти полностью открыт.

Давление жидкости

Настройка осуществляется аналогично контурам расхода. Шумы могут быть не столь интенсивными, как при регулировании расхода, и значения зоны пропорционального регулирования, как правило, будут меньше.

Давление газа

Настройка осуществляется аналогично контурам уровня с использованием высокого значения интегральной составляющей. Регулятор, работающий только в пропорциональном режиме, обеспечивает адекватное регулирование, но с определенным изменением контрольной точки в зависимости от состояния процесса по причине пропорционального отклонения.

Так как зона пропорционального регулирования может, как правило, оказаться очень небольшой (менее 100% и, нередко, примерно от 5 до 20%), то такое отклонение будет незначительным.
Отрегулировав более 80% контуров стандартной установки, переходим к более труднорегулируемым контурам, а именно: температуре, давлению паров и составу.

Сюда же относится температура, на основании которой определяется состав среды во многих колоннах дистилляции.

Труднорегулируемые контуры

Существует две способа настройки труднорегулируемых контуров. Первый способ заключается в использовании безопасных исходных настроек: зона пропорционального регулирования 100%, интегральное время 5 — 10 минут, без дифференциальной составляющей. Переключите регулятор в автоматический режим при результатах измерения, близких к требуемой уставке.

При возникновении циклических колебаний определите время от одного пика до другого (от верхней точки до верхней точки или от нижней точки до нижней точки). Это – период контура управления.

Если отклонение каждого пика от уставки будет больше отклонения предыдущего пика, увеличьте зону пропорционального регулирования (в два, три и более раз) до тех пор, пока увеличение амплитуды в цикле не прекратиться. Если исходное интегральное время составляет менее половины периода, оно слишком короткое, что, возможно, и вызывает циклическое срабатывание. Увеличьте интегральное время.

По мере увеличения интегрального времени период должен сокращаться. Если период примерно в два раза превышает интегральное время и происходит затухание колебаний, это означает, что работа почти полностью закончена. При отсутствии помех измерения следует установить дифференциальную составляющую, равную четверти интегрального времени.

Дождитесь изменения параметров или попросите оператора немного скорректировать уставку в безопасном направлении. Выполните повторную настройку зоны пропорционального регулирования, чтобы обеспечить приемлемое гашение колебаний после выхода из режима. Повторяйте эти действия, пока не получите нормальный отклик контура.

Проконтролируйте контур в течение нескольких часов, чтобы убедиться в стабильности его работы. Некоторые контуры стабильны при небольших изменениях параметров, но начинают осциллировать при значительных изменениях. Увеличьте зону пропорционального регулирования, если это необходимо, чтобы обеспечить стабильность контура при значительных отклонениях от заданного режима.

Если этот ускоренный метод оказался в вашем случае неэффективным или если вы хотите действовать более методично, следуйте приведенной ниже методике. Она работает во всех случаях и не оставляет сомнений относительно характеристик контура управления.

Стандартный метод настройки регуляторов

1. Переключите регулятор в ручной режим работы, когда процесс достаточно стабилен и на установке не ожидается резких отклонений от заданного режима. Установите D (производную отклонения или дифференциальную составляющую у некоторых регуляторов) на минимальное, а I (интегральное время или интегральное составляющую у некоторых регуляторов) на максимальное значение. 2.

Для начала выберите уставку, равную результатам измерения и установите зону пропорционального регулирования (P) на 100% (или коэффициент усиления на 1,0 у некоторых регуляторов). Немного измените выходной сигнал и переключите регулятор в автоматический режим. Зарегистрируйте исходное положение клапана на тот случай, если вам потребуется вернуться к нему в процессе настройки. 3.

При отсутствии колебаний повторите п. 2, уменьшая зону пропорционального регулирования (возможно, до половины первоначального значения). Продолжайте уменьшать зону пропорционального регулирования, пока не начнутся колебания.

Если с первой попытки возникнут колебаний с возрастающей амплитудой, верните регулятор в ручной режим и установите клапан в исходное положение, зарегистрированное в п. 2. Удваивайте зону пропорционального регулирования и повторяйте попытки, пока не получите равномерные или почти равномерные колебания. Замерьте период (определяемый как время отработки одного полного цикла) 4.

Для ПИ-регулятора: Установите I = период х 0,82. Удвойте зону пропорционального регулирования. Период увеличится приблизительно на 43%. Каждый пик должен составлять примерно половину от амплитуды предыдущего пика. Это называется гашением амплитуды на четверть. Выполните повторную настройку зоны пропорционального регулирования, если необходимо большее или меньшее демпфирование. 5.

Для ПИД-регулятора: Установите I = период х 0,5. Установите D = период х 0,125. Удвойте зону пропорционального регулирования. Период уменьшится примерно на 15%. Выполните повторную настройку зоны пропорционального регулирования, если необходимо большее или меньшее демпфирование. 6. Следует помнить о том, что безопасными являются большие значения I и малые значения D.

Данные указания предназначены для регуляторов, настраиваемых в минутах на повтор . Некоторые изготовители используют обратное отношение I и D, при этом наибольшее значение соответствует наименьшему и наоборот.

7. При зашумленных результатах измерения (в особенности это относится к контурам Ph) использование дифференциальной составляющей, как правило, невозможно. Ни в коем случае не устанавливайте дифференциальную составляющую, которая превышает интегральную.

Каскадирование и другие виды взаимодействия контуров управления

Сначала выполните настройку вторичного контура (т.е. расхода) в режиме локальной уставки. Уменьшите интегральную составляющую до минимально допустимого значения. Переключите вторичный контур в режим работы с удаленной уставкой и выполните настройку первичного контура (т.е. уровня).

Читайте также:  Как выбрать устройство плавного пуска для электродвигателя

Значение интегральной составляющей первичного регулятора не должно быть меньше помноженного на 4 значения интегральной составляющей вторичного регулятора. Эти же правила применимы и для контуров, взаимодействующих через технологический процесс.

Примером такого взаимодействия через технологический процесс является контур давления в колонне и температурный контур с компенсацией по давлению, используемые для управления ректификационной колонной.

Настройте контур давления (который является самым быстрым контуром в данном примере) на минимальную интегральную составляющую, а затем установите интегральное время регулятора температуры, не менее, чем в 4 раза превышающее интегральное время контура давления.

Для проверки взаимодействия этих двух контуров при их циклическом срабатывании с аналогичным периодом, переведите один из контуров в ручной режим. Прекращение цикла указывает на возможное наличие проблемы, вызванной взаимодействием. Переместите контуры или используйте описанную выше методику минимизации колебаний.

С дополнительными материалами по настройке ПИД регуляторов Вы можете ознакомиться здесь.

Узнать больше про регуляторы и алгоритмы работы регуляторов Вы можете здесь.

Для закрепления полученных знаний предлагаем Вам воспользоваться программой имитации контуров регулирования Перейти

Источник: http://kipia-portal.ru/2016/02/21/nastrojka-pid-regulyatora/

Пид регулирование в частотных преобразователях. настройка

Для процессов системы требуется способность параметров к реагированию на внешнее действие и поддержание системных постоянных величин. Для примера, система насосов с клапанами отвода.

Для каждого клапана поддержание потока в постоянном виде обеспечивает постоянное давление в трубах.

Помпа в системе приводится в действие приводом, при открывании клапана скорость двигателя увеличивается и снижается при закрытии, чтобы поддерживать давление в трубах на одном уровне.

Настраивание ПИД-регулятора общего вида

Для такого поддержания давления существует прибор, который называется регулятором задания. Давление в трубах на датчике идет в сравнение с параметром заданного давления.

Регулятор сравнивает системное давление с давлением задания, определяет задачу скорости для двигателя для изменения ошибки. Простой вид регулятора применяет план действий ПИД-регулирования.

В нем применяются три составляющие типа регуляторов для удаления ошибки: дифференциальный, интегральный и пропорциональный регулятор.

Регулятор пропорционального типа

Такой регулятор – главный, скорость задается в прямой зависимости от ошибки. При применении пропорционального регулятора система будет иметь ошибку. Малые значения коэффициента регулятора пропорционального типа дают вялость системы, а высокие параметры к колебаниям и нестабильности системы.

Регулятор интегрального типа

Такой регулятор применяется для удаления ошибки. Скорость увеличится до удаления ошибки (снизится при негативной ошибке). Небольшие значения суммирующей составляющей слишком оказывают влияние на деятельность регулятора в общем. При установлении больших значений происходит промахивание системы, она функционирует с перерегулированием.

Регулятор дифференциального типа

Такой регулятор измеряет скорость корректировки ошибки, применяет для повышения системного быстродействия, увеличивает регуляторное быстродействие в общем. Во время увеличения быстродействия регулятора повышается перерегулирование.

Это обуславливает к системной нестабильности. Во многих случаях составляющая дифференциальная становится равной нулю или близкой к наименьшему значению для того, чтобы предотвратить это состояние. Она бывает полезной в позиционирующей системе.

Работа регулятора в обратном и прямом действии

Множество регуляторов имеют принцип прямого действия. Повышение скорости двигателя приводит к повышению переменной величины процесса. Это случай в системе насосов, давление это величина переменная процесса. Повышение скорости двигателя обуславливает повышение давления.

Во многих системах повышение скорости двигателя обуславливает к снижению параметра переменной процесса. Температура вещества, которое обдувается вентиляционной системой теплообменника – процессная переменная величина: при повышении скорости вентиляционной системы температура вещества снижается.

В этом разе нужно применить регулятор действия обратного вида.

Настраивание ПИД-регулятора

Для моторной управляемости системы настраивание ПИД-регулятора бывает сложным процессом. Расскажем, какие шаги для настройки могут сделать проще эту процедуру.

  1. Определите значение дифференциальной и интегральной равной нулю. Определите наибольшую скорость и контролируйте системную реакцию.
  2. Повышайте составляющую прямопропорционально и выполните первый пункт. Продолжайте действия до момента начала процесса с автоматическими колебаниями возле точки определения скорости.
  3. Снижайте пропорциональную величину, пока система не стабилизируется. Волны колебаний начнут затухать.
  4. Определите пропорциональную величину около 15% меньше этого постоянного пункта.
  5. Определяйте наибольшую скорость прерывисто, повышайте суммирующую составляющую до начала уменьшения колебаний скорости перед стабильным состоянием системы. Снижайте суммирующую составляющую до достижения системой определенной скорости без ошибки и колебаний.
  6. Во многих системах настраивание составляющей дифференциального вида не нужно. Если нужно быстродействие системы больше, то можно достигнуть этого путем настройки составляющей дифференциального вида. Устанавливайте скорость по интервалам, повышайте составляющую дифференциального вида, пока не стабилизируется система с наименьшим временем действия (повышайте медленно, избегая состояния нестабильности). Система станет оптимальной при одном перерегулировании.
  7. Контролируйте стабильность системы, устанавливая значения скорости с интервалами и периодами для гарантированной стабильности системы при плохом исполнении задания.

Настраивание датчика на 20 миллиампер ПИД-регулированием

1. Действия в программном меню

Управляющая панель частотного преобразователя А300 состоит из 3-уровневой структуры:

  1. Группы опциональных значений (1 уровень).
  2. Опциональные значения (2 уровень).
  3. Параметр опционального значения.

2. Настраивание характеристик электромотора и определение направления момента

Установить метод управления частотником в значении Р0-02:

  1. Р0-02=0 (настройка завода, пульт преобразователя).
  2. Р0-02=1 (входные команды внешнего управления D1-D7).

Установить характеристики номинального значения электромотора (применяйте параметры с таблички и паспорта электромотора):

  1. Мощность номинала Р1-01= установите значения.
  2. Напряжение номинала Р1-02= установите значения (по заводским настройкам 380 вольт).
  3. Ток номинала Р1-03= установите значения.
  4. Частота номинала Р1-04= установите значения (по заводским настройкам 50 герц).
  5. Обороты номинального значения Р1-05= установите значения.

После подсоединения и введения параметров нужно проконтролировать направление вращающего момента электромотора.

После отключения меню программы на экране покажется 50 герц, клавишей «вниз» установите наименьшую частоту для задания направления вращающего момента.

Для пуска мотора нажмите клавишу «пуск» (параметр Р0-02=0), определите направление момента вращения, затормозите мотор, нажав клавишу «стоп».

Если вращение не совпадает с направлением, то измените две любые фазы питания мотора (замену фаз производить при отключенном частотнике) или поменяйте параметр настройки Р0-09= (0-вперед, 1-назад).

Еще раз проконтролируйте момент вращения, нажав клавишу «пуск», если направление момента вращения совпадает, то затормозите мотор, нажав клавишу «стоп».

Нажмите клавишу «вверх» и возвратите настроенную частоту 50 герц.

3. Подсоединение датчика (выход на 20 миллиампер)

Переставить соединение «J1» в состояние «I».

4. Контроль обратной связи

  1. Подключите напряжение на частотный преобразователь, на экране возникнет подсветка 50 герц.
  2. Нажмите клавишу «сдвиг» 2 раза.
  3. На экране будет параметр обратной связи в интервале 0-10 (0-20 мА), зависит от настраиваемого параметра.

Связь обратного вида (4 мА).

  1. После подтверждения обратной связи нажмите три раза клавишу «сдвиг», появится на экране 50 герц.
  2. Установите наименьшее значение сигнала входа в величине Р4-13=2.00 (4 мА).

5.Как настраивать значение параметра ПИД-регулирования

  1. Установите источник основной частоты Р0-03=8 (частоту определяет ПИД-регулятор).
  2. Поставьте значение ПИД-регулятора в значение РА-01= результат поддерживаемой величины в процентах (от 0 до 100%) от интервала датчика, РА-01= (результат поддерживаемого параметра/интервал датчика)*100%.

Пример установки значения:

Подсоединен датчик давления на 16 бар с сигналом выхода от 4 до 20 мА. Для давления в 10 бар нужно установить значение

РА-01=(10/16)*100%=62,5%

Произведите тестовый пуск. Проверяйте поддерживаемое значение параметра по приборам, дублирующим измерения (ротаметр, термометр, манометр). Если система регулировки функционирует нестабильно или долгий отклик на замену проверяемого параметра, то применяйте настройки значений РА-05, -06, -07. Эти значения предназначены для точной настройки ПИД-регулятора.

Пример использования регулирования ПИД

Данные

  1. Механизм вентиляторного управления.
  2. Характеристика градуировочная датчика давления, интервал 1000-5000 Па, ток 4-20 мА.
  3. Значение давления 1500 Па.
  4. Мощность механизма и инерционные данные вентилятора отсутствуют.

Наружные подключения

Датчик обратной связи подсоединен к токовому входу аналогового типа, датчик значения уставки к входу аналогового типа напряжения.

Обратная связь

Датчик связи определен по токовому выходу, входом связи обратного вида применяется токовый вход. Задается РR.10-00=02 (обратная связь с минусом по входу, повышение частоты выхода, повышает давление).

Отградуированная характеристика датчика

Сигнал связи обратного вида в масштабе

Вход связи обратного вида не создает масштаб по усилению и смещению. Применяя параметр PR10-01 можно изменять значение сигнала связи обратного вида в расчетах.

Применение параметра PR10-01 для корректировки значения сигнала связи обратного типа.

Значением PR10-01 можно корректировать значение сигнала связи обратного вида, который применяется в вычислениях. Интервал пропорциональности 0-10, по настройкам завода 1.

Сигнал связи обратного вида повышается в 2 раза перед установкой в ПИД-регулятор. Это равно снижению интервала входа в 2 раза.

Сигнал связи обратного вида снижается в 2 раза перед установкой в регулятор, это эквивалентно увеличению интервала входа в 2 раза. Сейчас интервал ограничен значением датчика.

Пример установки значения параметра PR10-01 (масштаб усиления обратной связи).

Интервал действия датчика:

-1000Ра – 5000Ра.

Наибольшее давление функционирования: 2000Ра.

Применяемая часть интервала работы датчика (закрепленная): -1000Ра-2000Ра.

Это будет равно: 2000Ра –(-1000Ра)

5000Ра –(-1000Ра) = 50%

Если интервал действия не больше 2000Ра с датчиком, то величина параметра

PR10-01 = 1/50%=2

Формула вычисления параметра PR10-01

Наибольший сигнал датчика: MaxVal

Наименьший сигнал датчика: MinVal

Наибольший нужный сигнал связи обратного вида MaxFBVal

Величина значения ПИД (установленная частота)

Установленную частоту можно изменять операторами наклона и перемещения опции преобразования.

Направление момента вращения установки вентилятора не изменяется, лучше применять AVI вход с заданием значения PR 02-00=01.

PR10-01 (наибольшая частота)

Задать в PR01-00 величину наибольшей частоты механизма вентиляции (PR01-00 = 50 герц).

Наименьшая частота

Наименьшая частота не оказывает влияния на действие регулировки.

Наклон и перемещение опции преобразования

Задать PR04-00 AVI перемещение интервала.

PR04-01 AVI полярность.

PR04-02 AVI корректировка наклона.

Вращение производится в одну сторону, PR04-03 = 0 (по заводским настройкам).

Величина уставки

Для установки величины входа интервал частоты рассчитывается 0-100%.

Установка значения уставки

При функционировании вентилятора давлению в 1500 Ра равен сигнал датчика 10,67 мА. Величине уставки 1500 Ра равна частота выхода 42%*50 герц = 21 герц и 84%*50 герц = 42 герц.

Можно устанавливать значение в Ра. Если 100% интервала равно 2000 Ра, то при коэффициенте 00-05 = 2000/Fmax = 2000/50 = 40, установленная величина 1500 и задается 1500 Ра.

Интервал частоты выхода

Верхняя граница частоты выхода при регулировке определяется формулой:

Fmax=Pr01-00хPr10-07.

ПИД-регулирование

Ускорение – замедление.

При взаимодействии с регулированием ПИД нужно время ускорения и замедления устанавливать минимальным для качественной регулировки.

Настраивание регулятора:

  1. Задать величину I для легкого отклика, без перерегулировки.
  2. Значение параметра для вентилятора не нужно, из-за замедления процесса.
  3. Задать другие значения величин.
Читайте также:  Повышение надежности электрооборудования промышленных предприятий

Советы по настраиванию:

  1. Повышение Р разгоняет процесс, снижает ошибки.
  2. При большом Р появляется неустойчивость процесса.
  3. Снижение величины I ускоряет процесс, делает нестабильным.
  4. Быстрота дает снижение Р и I.
  5. Замедление вентилятора определяет большего значения Р.
  6. Задайте время ускорения и замедления наименьшим.

настройка ПИД регулирование частотного преобразователя

Источник: http://chistotnik.ru/pid-regulirovanie-v-chastotnyx-preobrazovatelyax.html

ПИД-регулятор: особенности, настройка

Автоматическое управление процессами подразумевает измерение системой значений определённых параметров и изменение показателей в необходимую сторону.

Так, например, контроль температуры в некоторых нагревательных устройствах позволяет в автоматическом режиме регулировать мощность работы приборов: если температура при нагревании достигает установленного максимального значения, мощность прибора снижается, чтобы предотвратить перегрев. Подобное взаимодействие элементов системы находит применение во многих областях техники.
 

Эффективным средством регулирования параметров системы является ПИД-регулятор. Он принимает данные от различных элементов и образует соответствующий управляющий сигнал.

В случае с контролем нагрева, схема работы ПИД-регулятора следующая: регулятор от датчика температуры получает информацию о нагреве устройства, в соответствии с ней формирует и посылает сигнал элементу, ответственному за регулирование мощности нагревательного элемента.

Название ПИД-регулятора является аббревиатурой и расшифровывается как пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор.

Пропорциональная составляющая

Для поддержания нужного значения какого-либо параметра регулятор будет посылать сигналы, дающие команду элементам достигнуть необходимого показателя. Сигнал пропорционален отклонению параметров системы от необходимых. Если отклонение равно нулю, то и сигнал для изменения также будет отсутствовать.

Использование одного лишь пропорционального регулятора в ряде случаев невозможно. Так, при приближении значения температуры нагревателя к установленному мощность устройства будет снижаться.

При снижении мощности приближение будет происходить всё медленнее. Нужная температура в итоге никогда не будет достигнута.

Для исключения таких вариантов развития событий применяются дополнительные регуляторы.

Интегральная составляющая

Регулятор интегрального типа подводит систему к необходимому значению параметра. Однако делает это не сразу, а производя колебания значений вблизи требуемого показателя.

В случае с нагревателем интегральный регулятор прикажет превысить максимальную температуру, затем опуститься ниже неё, затем снова превысить, но на меньшее значение, затем снова опуститься, также на меньшее значение, и в конце концов температура стабилизируется.

Дифференциальная составляющая

Скорость приближения параметра к необходимому значению оценивается дифференциальным регулятором, который формирует сигнал на увеличение быстродействия системы.

Настройка ПИД-регулятора

Поиск нужных коэффициентов составляющих в регуляторе может производится разными способами. Одним из простых является следующий:

  1. Выставить значения всех регуляторов на 0.
  2. Установить максимальную мощность работы регулируемого прибора. Увеличить значение пропорционального регулятора, наблюдать за поведением системы. Увеличивать значение до тех пор, пока не появятся колебания, вызываемые перерегулированием.
  3. Уменьшить значение пропорционального регулятора, добиться стабилизации системы (затухания колебаний).
  4. Снизить значение пропорционального регулятора на 15% ниже уровня стабилизации системы. Снизить мощность работы регулируемого прибора.
  5. Ступенчато повышать максимальную мощность работы регулируемого прибора. Увеличивать значение интегрального регулятора до момента возникновения затухающих колебаний. Уменьшить значение интегрального регулятора до уровня, когда система будет достигать нужного значения без колебаний.
  6. Если имеется необходимость установить значение дифференциального регулятора, то при ступенчатом повышении скорости необходимо увеличивать значение этого регулятора до момента получения системой стабильного состояния с наименьшем времени обработки сигнала. Значение можно считать подходящим при возникновении в системе одного перерегулирования.
  7. Проверить точность настройки системы путём выставления различных мощностей работы регулируемого прибора.

Источник: https://chastotnik.com.ua/a-pid-regulyator—osobennosti—nastroyka

Методика настройки цифрового ПИД-регулятора

Общие сведения     Обычно, при использовании пропорционально-интегрально-дифференциального или ПИД- (PID- Proportional-Integral-Derivative) регулятора и грамотной его настройке, достигается лучшая точность управления по сравнению с двухпозиционным (релейным) регулятором.

Но для оптимальной настройки регулятора и, как следствие, получение желаемого качества управления, необходимо понимание механизмов и принципов работы ПИД-регулятора.

    При ПИД-регулировании сигнал управления зависит не только от разницы между текущим и заданным значением (величины ошибки или рассогласования), а также от накопленной ошибки (интеграла) и от скорости изменения ошибки во времени (дифференциала).

В результате ПИД-регулятор обеспечивает такое значение сигнала управления, при котором ошибка в установившемся режиме стремится к нулю. Качество управления определяется многими факторами, ключевыми являются недетерминированность объекта управления, точность ввода-вывода регулятора и интенсивность внешних воздействий.

Математическое выражение цифрового ПИД-регулятора

где:     Xp — полоса пропорциональности     Ei = (SP-PV) = (уставка-тек) = ошибка (рассогласование)     Тд — постоянная времени дифференцирования     ∆Ei — разность ошибок соседних измерений (Ei — Ei-1)     ∆tизм — время между соседними измерениями (ti — t i-1)     Ти — постоянная времени интегрирования

   — Накопленная к i-ому шагу сумма рассогласований (интегральная сумма)

    Легко заметить, что сигнал управления является суммой трех составляющих: пропорциональной (слагаемое 1), дифференциальной (слагаемое 2), и интегральной (слагаемое 3).     Пропорциональная составляющая зависит от текущей ошибки Ei и компенсирует текущую ошибку пропорционально ее величине.     Дифференциальная составляющая зависит от скорости изменения ошибки ∆Ei / ∆tизм и компенсирует резкие возмущения.     Интегральная составляющая накапливает ошибку регулирования, что позволяет ПИД-регулятору поддерживать нулевую ошибку в установившемся режиме (устраняет статическую ошибку управления).

    Обычно ПИД-регулятор имеет дополнительные параметры помимо трех коэффициентов (Xp, Ти, Тд). Рассмотрим их более подробно на примере скриншота меню параметров ПИД-регулятора прибора “ПАРАГРАФ PL20”.

Рис. 1

    Каналов (выходов) ПИД-регулирования в приборе может быть несколько и параметры для каждого из них свои собственные. Поэтому выберите желаемый канал в первой графе.     Источником обратной связи с объекта управления (текущая контролируемая величина) может быть любой измерительный канал прибора, поэтому необходимо выбрать желаемый измерительный канал в графе ВЛАДЕЛЕЦ.     ПИД-регулятор может управлять как по закону прямой логики (управление печью), так и по обратному закону (управление хладоустановкой). Выберите желаемую логику работы.     Уставка (SP) – это желаемая величина, на которую регулятор должен выйти в установившемся режиме.     Xp – зона пропорциональности. Задается в единицах контролируемой величины (для терморегулятора в градусах). Зона пропорциональности называется так, потому что только в ней ((SP — Xp)…(SP + Xp)) пропорциональная составляющая ПИД-регулятора может формировать мощность выходного сигнала управления пропорционально ошибке. А за ее пределами мощность будет равна либо 0%, либо 100%. Таким образом, чем уже эта зона, тем быстрее отклик регулятора, но слишком высокое быстродействие может ввести систему в автоколебательный режим.     Ти – постоянная времени интегрирования.     Тд – постоянная времени дифференцирования.     Текущая мощность – это информационный параметр.     Минимальная и максимальная мощность определяют границы мощности выхода ПИД-регулятора.     Аварийная мощность – это такая мощность, которая формируется регулятором при неисправности датчика или измерительного канала. Так можно обеспечить отрицательную температуру холодильной камеры или не дать остыть печи даже при аварийной ситуации.     Последним параметром идет период ШИМ. Этот параметр один для всех ПИД-регуляторов, т.к. каналы ШИМ синхронизированы между собой от одного таймера. ШИМ сигнал позволяет регулировать мощность посредством регулировки скважности сигнала (регулируется ширина импульса при постоянной частоте модуляции). Разрядность ШИМ (число позиций мощности) равна 8192 дискреты (13 бит). Период ШИМ (от 1 мс до 250 сек). Этот параметр зависит от типа и коммутационных способностей силовых исполнительных ключей (м.б. реле, пускатель, твердотельное реле, симистор). Чем выше частота коммутации (чем меньше период) тем больше тепловые потери в ключах (квадратичная зависимость потерь от частоты) и больше износ механических коммутаторов, но лучше качество регулирования. Важно найти золотую середину.

Настройка пропорциональной компоненты (Xp)

   Перед настройкой зоны пропорциональности интегральная и дифференциальная компоненты отключаются, постоянная интегрирования устанавливается максимально возможной (Ти = макс), а постоянная дифференцирования минимально возможной (Тд = 0). Устанавливается безопасная величина уставки, равная (0,7…0,9)×SP, где SP – это реальная уставка настраиваемой системы. Зона пропорциональности устанавливается минимально возможной (Xp = 0).    В этом случае регулятор выполняет функции двухпозиционного релейного регулятора с гистерезисом равным нулю. Регистрируется переходная характеристика.

Рис. 2

    Тο — начальная температура в системе;     Тsp — заданная температура (уставка);     ∆T — размах колебаний температуры;     ∆t — период колебаний температуры.     Установить зону пропорциональности равной размаху колебаний температуры: Xp = ∆T. Это значение служит первым приближением для зоны пропорциональности.     Следует проанализировать переходную характеристики еще раз и при необходимости скорректировать значение зоны пропорциональности. Возможные варианты переходных характеристик показаны на рис. 3.

Рис. 3

    Переходная характеристика типа 1: Значение зоны пропорциональности очень мало, переходная характеристика далека от оптимальной. Зону пропорциональности следует значительно увеличить.     Переходная характеристика типа 2: В переходной характеристике наблюдаются затухающие колебания (5 — 6 периодов). Если в дальнейшем предполагается использовать и дифференциальную компоненту ПИД-регулятора, то выбранное значение зоны пропорциональности является оптимальным. Для этого случая настройка зоны пропорциональности считается законченной.     Если в дальнейшем дифференциальная компоненты использоваться не будет, то рекомендуется еще увеличить зону пропорциональности так, чтобы получились переходные характеристики типа 3 или 4.     Переходная характеристика типа 3: В переходной характеристике наблюдаются небольшой выброс (перерегулирование) и быстро затухающие колебания (1 — 2 периода). Этот тип переходной характеристики обеспечивает хорошее быстродействие и быстрый выход на заданную температуру. В большинстве случаев его можно считать оптимальным, если в системе допускаются выбросы (перегревы) при переходе с одной температуры на другую.     Выбросы устраняются дополнительным увеличением зоны пропорциональности так, чтобы получилась переходная характеристика типа 4.     Переходная характеристика типа 4: Температура плавно подходит к установившемуся значению без выбросов и колебаний. Этот тип переходной характеристики также можно считать оптимальным, однако быстродействие регулятора несколько снижено.     Переходная характеристика типа 5: Сильно затянутый подход к установившемуся значению говорит о том, что зона пропорциональности чрезмерно велика. Динамическая и статическая точность регулирования здесь мала.     Следует обратить внимание на два обстоятельства. Во-первых, во всех рассмотренных выше случаях установившееся значение температуры в системе не совпадает со значением уставки. Чем больше зона пропорциональности, тем больше остаточное рассогласование. Во-вторых, длительность переходных процессов тем больше, чем больше зона пропорциональности. Таким образом, нужно стремиться выбирать зону пропорциональности как можно меньше. Вместе с тем, остаточное рассогласование, характерное для чисто пропорциональных регуляторов (П-регуляторов), убирается интегральной компонентой регулятора.

Настройка дифференциальной компоненты (Tд)

    Этот этап присутствует только в том случае, если применяется полнофункциональный ПИД-регулятор. Если дифференциальная компонента применяться не будет (используется пропорционально-интегральный (ПИ) регулятор), то следует пропустить этот этап.     На предыдущем этапе была задана зона пропорциональности, соответствующая переходной характеристике типа 2, в которой присутствуют затухающие колебания (см. рис. 3, кривая 2, рис. 4, кривая 1.).

Читайте также:  Инструмент для снятия изоляции с провода и кабеля
Рис. 4

   Следует установить постоянную времени дифференцирования Тд так, чтобы переходная характеристика имела вид кривой 2 на рис. 4. В качестве первого приближения постоянная времени дифференцирования делается равной Тд = 0,2×∆t.    Примечательно то, что дифференциальная компонента устраняет затухающие колебания и делает переходную характеристику, похожей на тип 3 (см. рис. 3). При этом зона пропорциональности меньше, чем для типа 3. Это значит, что динамическая и статическая точность регулирования при наличии дифференциальной компоненты (ПД-регулятор) может быть выше, чем для П-регулятора.

Настройка интегральной компоненты (Ти )

    После настройки пропорциональной компоненты (а при необходимости и дифференциальной компоненты) получается переходная характеристика, показанная на следующем рисунке, кривая 1.

Рис. 5

    Интегральная компонента предназначена для того, чтобы убрать остаточное рассогласование между установившимся в системе значением температуры и уставкой. Начинать настраивать постоянную времени интегрирования следует с величины Ти = ∆t.     Переходная характеристика типа 2: Получается при чрезмерно большой величине постоянной времени интегрирования. Выход на уставку получается очень затянутым.     Переходная характеристика типа 4: Получается при слишком малой величине постоянной времени интегрирования. Если постоянную времени интегрирования уменьшить еще, то в системе могут возникнуть колебания.     Переходная характеристика типа 3: Оптимальная.

Использованные источники информации

  • Сабинин Ю.А. Ковчин С.А. “Теория электропривода”
  • Шрейнер Р. Т. “Системы подчиненного регулирования электроприводов”
  • Олссон, Пиани “Цифровые системы автоматизации и управления”
  • Материалы сайта www.asu-tp.org

ООО «Автоматика» © 2012

Источник: http://www.automatix.ru/articles/?id=29244

Рекомендации по настройке ПИД-регуляторов в контроллере АГАВА 6432.20 — ООО КБ АГАВА

Введение

1. Согласно теории автоматического регулирования параметры регулятора однозначно связаны с характеристиками объекта регулирования.

Поскольку изготовитель автоматики не имеет информации об этих характеристиках, заводские настройки контроллера выбраны для некого абстрактного объекта, и задача наладчика состоит в том, чтобы подобрать оптимальные параметры регулятора для конкретного котла или печи.

Ниже приведены две методики настройки ПИД-регулятора:

Методика №1 — параметры объекта оцениваются в процессе самой настройки;
Методика №2 — параметры объекта определяются путем анализа переходной характеристики.

2. В программе контроллера АГАВА 6432.20 (с версии 08.30) реализованы два независимых алгоритма регулирования:

1) позиционный ПИД-регулятор для исполнительного механизма (ИМ) с аналоговым управлением (например, ЧРП):

2) скоростной ПИД-регулятор для ИМ типа МЭО:

где:
outn – выходной сигнал ПИД регулятора от 0 до 100% значения тока, выдаваемое на исполнительный механизм, в текущем периоде регулирования;
Kp – коэффициент пропорциональности;
Kd – коэффициент дифференцирования, с;
Ki – коэффициент интегрирования, с;
En – текущее значение ошибки (от -100 до 100 %),
En-1 –значение ошибки в предыдущем периоде регулирования (от -100 до 100 %),
En-2 –значение ошибки на n-2 шаге (от -100 до 100 %).
T – период регулирования, с.

Примечание. Длительность импульса, выдаваемая на исполнительный механизм типа МЭО в скоростном ПИД-регуляторе равна:

где:
tn — длительность управляющего импульса на МЭО
yn – рассчитанная длительность текущего импульса, %;
Тмэо – время полного хода исполнительного механизма, с;

МЕТОДИКА №1

Суть предлагаемой методики заключается в том, что параметры объекта непосредственно не определяются, а в скрытой форме оцениваются в процессе самой настройки, когда контур регулирования уже замкнут, но ещё не настроен.

ВНИМАНИЕ!!!

Настройку параметров регулирования следует производить после наладки режимов горения и соотношения топливо/воздух. Указанные операции осуществляют при отключенных регуляторах.

Последовательность настройки

  1. Определяют значение Tmeo. Для этого при помощи секундомера замеряют время хода исполнительного механизма в зоне регулирования;

    Примечание. для ЧРП допускается время хода взять равным “Времени разгона ЧРП” из настроек ЧРП.

  2. Рассчитывают значение периода регулирования, исходя из соотношения: Т=(0,05÷0,1)Тmeo

  3. В соответствующих пунктах меню настроек контроллера устанавливают рассчитанное и измеренное значения T и Tmeo.

    Примечание. Для ЧРП устанавливают только T.

  4. Переводят выбранный контур в режим П-регулятора, для чего отключают интегральную и дифференциальную компоненты, т.е. устанавливают значение Ti максимально возможным, а значение Td — минимально возможным.

  5. Контур регулирования выводят на границу устойчивости. Для этого постепенно увеличивают коэффициент пропорциональности Kp до критического значения (Kp крит), при котором контур войдет в режим колебаний (см. рис. 1).

    Рис.1

  6. Определяют период колебаний и критическое значение Kp крит. Далее, по приведённым ниже формулам, рассчитывают требуемые значения параметров:

    • для П-регулятора: Kp = 0,5 Kp крит;

    • для ПИ-регулятора: Kp = 0,45 Kp крит и Ti = 0,83Tк;

    • для ПИД-регулятора: Kp = 0,60 Kp крит, Ti = 0,50Tк и Td = 0,125Tк.

Замечания, касающиеся выбора значения T:

  1. Увеличение периода регулирования T по отношению к Tmeo (п.2) приводит к росту динамической ошибки. С другой стороны, чрезмерно заниженное абсолютное значение T не позволяет минимизировать величину статической ошибки.
  2. Если расчетное значение T (п.2) получилось слишком малым необходимо применить более медленный исполнительный механизм, или изменить размеры сопрягающих рычагов.

МЕТОДИКА №2

В основе данной методики лежит анализ переходной характеристики (Рис 1).

Сигнал, вырабатываемый ПИД-регулятором, определяется тремя компонентами:

Kp

коэффициент пропорциональности

Настройка(1 этап)

Ki

коэффициент интегрирования

Настройка(3 этап)

Kd

коэффициент дифференцирования

Настройка(2 этап)

ВНИМАНИЕ!!!

Настройку параметров регулирования следует производить после наладки режимов горения и соотношения топливо/воздух. Указанные операции осуществляют при отключенных регуляторах.

Этап 1. Настройка пропорциональной компоненты ПИД-регулятора

Перед настройкой пропорциональной компоненты регулятора интегральная и дифференциальная компоненты отключаются, либо значение Ki устанавливается максимально возможным, а значение Kd — минимально возможным.

Устанавливают первоначальное значение коэффициента пропорциональности Kp, Tmeo, T, руководствуясь «Рекомендациями по настройке ПИД-регуляторов в контроллере «АГАВА 6432.20» или используя заводские настройки контроллера.

  1. Экспериментально снимается (если это допустимо по технологическим условиям) и регистрируется при помощи программы » АГАВА РТ » характеристика переходного процесса.

  2. Возможные варианты кривых переходной характеристики приведены на рис.2.

Рис.2

Переходная характеристика 1
Значение коэффициента пропорциональности очень велико, переходная характеристика (а значит, и настройка регулятора) далека от оптимальной. Коэффициент пропорциональности следует уменьшить.

При этом надо иметь в виду, что варьировать пропорциональную компоненту можно двумя переменными: в явном виде, изменяя Kp и подбирая период регулирования T.

Исходное значение T рассчитывают по формуле:

Т=(0,05÷0,1)Тmeo

Переходная характеристика 2
Для этой кривой характерны затухающие колебания (3-5 периодов). Если в дальнейшем предполагается использовать и дифференциальную компоненту ПИД-регулятора, то выбранное значение коэффициента пропорциональности является оптимальным. Для этого случая настройка пропорциональной компоненты считается законченной.

Если дифференциальная компонента использоваться не будет, то рекомендуется еще уменьшить Kp так, чтобы получились переходные характеристики типа 3 или 4.

Переходная характеристика 3
В этой переходной характеристике имеет место небольшой выброс и быстро затухающие колебания (1-2 периода).

Этот тип переходной характеристики обеспечивает хорошее быстродействие и быстрый выход на заданную температуру.

В большинстве случаев его можно считать оптимальным, если в системе допускаются выбросы при переходе с одной уставки на другую или при резком изменении нагрузок, например, при изменении расхода пара.

Выбросы можно устранить дополнительным уменьшением Kp так, чтобы получилась переходная характеристика типа 4.

Переходная характеристика 4
Регулируемый параметр плавно подходит к установившемуся значению без выбросов и колебаний. Эта тип переходной характеристики также можно считать оптимальным, однако быстродействие регулятора несколько снижено.

Переходная характеристика 5
Сильно затянутый подход к установившемуся значению говорит о том, что коэффициент пропорциональности чрезмерно занижен. Динамическая и статическая точность регулирования здесь мала. Рекомендуется увеличить значение Kp.

Следует обратить внимание на два обстоятельства. Во-первых, во всех рассмотренных выше случаях установившееся значение параметра в системе не совпадает со значением уставки. Чем меньше коэффициент пропорциональности, тем больше остаточное рассогласование.

Во-вторых, чем меньше коэффициент пропорциональности, тем больше длительность переходных процессов.

Однако остаточное рассогласование, характерное для чисто пропорциональных регуляторов (П-регуляторов), минимизируется интегральной компонентой регулятора (ПИ-регулятор).

Выводы:

  1. Во всех рассмотренных выше случаях установившееся значение параметра в системе не совпадает со значением уставки. Чем меньше коэффициент пропорциональности, тем больше остаточное рассогласование.
  2. Чем меньше коэффициент пропорциональности, тем больше длительность переходных процессов.
  3. Остаточное рассогласование, характерное для чисто пропорциональных регуляторов (П-регуляторов), минимизируется интегральной компонентой регулятора (ПИ-регулятор).

Этап 2. Настройка коэффициента дифференцирования Кd

Рис.3

  1. Этот этап присутствует только в том случае, если применяется полнофункциональный ПИД-регулятор. Если дифференциальная компонента применяться не будет (используется ПИ-регулятор), то следует сразу перейти к этапу 3 (Настройка интегральной компоненты Кi).
  2. Устанавливают первоначальное значение Кd. При этом можно использовать «Рекомендации по настройке ПИД-регуляторов в контроллере «АГАВА 6432.20» или применить заводские настройки контроллера.
  3. Предположим, что на этапе 1 установлен коэффициент пропорциональности, соответствующий переходной характеристике типа 1 показанной на рис.3, в которой присутствуют затухающие колебания. В этом случае следует выбрать такое значение Кd, чтобы переходная характеристика имела вид кривой 2 на рис.3. В качестве первого приближения, постоянную времени дифференцирования можно рассчитать по формуле:

    Кd = 0,2 x Tk

    где Tk — период колебания (Рис.1).

Вывод: Дифференциальная компонента устраняет затухающие колебания и делает переходную характеристику, похожей на тип 2 (см. рис.3). Это значит, что динамическая точность регулирования при наличии дифференциальной компоненты (ПД-регулятор) может быть выше, чем для П-регулятора.

Этап 3. Настройка величины коэффициента интегрирования Кi

После настройки пропорциональной и, при необходимости и дифференциальной компоненты, получается переходная характеристика 1, показанная на рис 4.

Рис.4

  1. Начальное значение постоянной времени интегрирования следует установить, руководствуясь «Рекомендациями по настройке ПИД-регуляторов в контроллере «АГАВА 6432.20» или используя заводские настройки контроллера.
  2. Возможные варианты кривых приведены на рис.4.

Переходная характеристика 1
Значение Кi выбрано слишком большим, следует уменьшить значение коэффициента интегрирования Кi.

Переходная характеристика 2
Такая кривая получается при чрезмерно большой величине коэффициента интегрирования. Выход на уставку оказывается затянутым и длится примерно (3…4) х Кi. В этом случае рекомендуется уменьшить значение коэффициента интегрирования Кi.

Переходная характеристика 4
Получается при слишком малой величине коэффициента интегрирования. Выход на уставку также длится (3…4) x Кi. Если коэффициента интегрирования уменьшить еще, то в системе могут возникнуть колебания. Следует увеличить значение коэффициента интегрирования Кi.

Переходная характеристика 3
Значение коэффициента интегрирования Кi выбрано оптимально.

Выводы: Интегральная компонента позволяет минимизировать остаточное рассогласование между установившимся в системе значением регулируемого параметра и уставкой.

Источник: http://www.kb-agava.ru/recomendacii_nastroyka_pid_regulyatora_kontrollera_agava_6432_20

Ссылка на основную публикацию