ПИД-РЕГУЛЯТОРЫ: ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ И МОДИФИКАЦИИ

Впервые ПИД-регулятор был изобретен в 1910 г. Более, чем через 30 лет, в 1942 г. Зиглером и Никольсом была разработана методика его настройки. Появление микропроцессоров в 1980-х гг. происходит стремительное развитие ПИД-регуляторов. Положительными факторами, определившими популярность использования ПИД-регуляторов являются:

- простота строения и промышленного применения;

- понятный функционал;

- пригодность для использования в решении большинства практических задач;

- низкая стоимость [1].

Появление недорогих микропроцессоров и аналого-цифровых преобразователей привело к использованию в промышленных ПИД-регуляторах автоматической настройки параметров, адаптивных алгоритмов, нейронных сетей, методов нечеткой логики. Усложнение структуры регуляторов выразилось в появлении регуляторов с двумя степенями свободы, применением принципов сочетания разомкнутого управления с обратной связью, встроенных моделей процесса. Помимо выполнения основной функции – регулирования, были введены дополнительно функции аварийной сигнализации, контроля разрыва контура и др.

Несмотря на длительную историю, распространение и популярность использования регуляторов с ПИД-алгоритмом, остаются нерешенными следующие проблемы: необходимость устранения интегрального насыщения, вопросы регулирования объектов с гистерезисом, нелинейностями, вопросов автоматической настройки и адаптации. Динамика современных систем управления часто неизвестна, процессы, требующие  регуляции нельзя назвать независимыми, сильно зашумлены измерения, непостоянна нагрузка, что дополнительно вызывает определенные трудности.

Рассмотрим особенности строения классических ПИД-регуляторов для одномерных объектов для медленных процессов, наиболее распространенных в АСУ ТП. Простейшая схема автоматического регулирования с обратной связью представлена на рис. 1.

Рисунок 1. ПИД-регулятор в системе с обратной связью

R – регулятор; P – объект регулирования; r-управляющее воздействие; e – сигнал рассогласования; u – выходная величина регулятора; y- регулируемая величина

Подобный ПИД-регулятор и его частные случаи выступают теоретическими идеализациями реальных регуляторов. Их практическое применение предполагает учет ограничений, накладываемых реальными условиями применения и технического построения, включающих учет множества параметров, что особенно важно в системах с большой транспортной задержкой, в системах, требующих одновременного высокого качества слежения за установкой и ослабления внешних возмущений. Все это обусловило появление множества новых модификаций ПИД-регуляторов:

- регуляторы с весовыми коэффициентами при установке (улучшение качества за счет вычисления ошибки отдельно для пропорциональной, интегральной и дифференциальной составляющих);

- регуляторы с формирующими фильтрами для сигнала установки (применение фильтра в отдельном блоке, не входящем в контур регулирования);

- разомкнутое управление в ПИД-регуляторах (высокая скорость реагирования системы, на внешние возмущения за счет сокращения времени передачи управляющего сигнала; устойчивость системы за счет отсутствия обратной связи) [1].

Объединение достоинств разомкнутого и замкнутого управления возможно, если система спроектирована по принципу разомкнутого управления, при этом обратная связь используется только для минимизации погрешности системы.

Применение разомкнутого управления в ПИД-контроллерах основывается на принципе разделения задачи проектирования на две составные части:

- обеспечение робастности, ослабление влияния шумов и внешних возмущений;

- обеспечение реакции на управляющее воздействие.

Независимое решение этих задач обеспечивается регуляторами с двумя степенями свободы.

Рисунок 2. ПИД-регулятор с двумя степенями свободы

Модификациями принципа разомкнутого управления являются:

- регуляторы с передаточной функцией объекта (недостатком выступает медленная реакция замкнутой системы на изменение задающего воздействия, несомненное достоинство – отсутствие расчетов и настроек гарантированного получения отклика без перерегулирования);

- импульсное управление (реализуется подачей прямоугольного импульса большой амплитуды перед подачей сигнала уставки на вход объекта) [2].

Прямая связь позволяет компенсировать погрешность быстрее, чем обнаружится ошибка посредством обратной связи.

Следует отметить, что правильная настройка регулятора с прямой и обратной связью позволяет ослабить влияние нагрузки на управляемый объект до 10 раз [3]. Недостатками выступают как невозможность точной идентификации возмущения и точки приложения к объекту, так и проблема, связанная с нахождением обратного оператора.

Для практического воплощения ПИД-регуляторов необходимо учитывать следующие переменные:

- конечный динамический диапазон динамики физических переменных;

- не всегда существует возможность смены знака управляющего воздействия;

- ограничения точности измерений, требующие применения специальных мер (дифференцирование с приемлемой погрешностью);

- наличие типовых нелинейностей (насыщение, ограничение скорости нарастания, гистерезис, люфт);

- разброс и случайные вариации (параметров регулятора, объекта);

- дискретная реализация регулятора;

- плавное (безударное) переключение режимов регулирования.

Трудно привести отрасль, для управления процессами в которой и автоматизации не использовались бы ПИД-регуляторы. Это и стекловарение, теплоэнергетика, горная промышленность и т.д. Основной проблемой, толчком к модернизации и применению различных модификаций ПИД-регуляторов служит необходимость настройки их для управления определенным объектом, со специфическими заданными условиями. Это приводит к необходимости разработки алгоритма коррекции настроек применительно к условиям области, в которой осуществляется регулирование.

В последнее время разработка систем управления сложными технологическими объектами все в большей степени применяется нечеткое логическое управление. Исследование таких вариантов управления, как релейный регулятор, генетически настраиваемый линейный ПИД-регулятор, нелинейный НЛР ПИД-типа показали, что регуляторы линейного типа значительным образом уступают НЛР и ПИД регуляторам по длине тормозного пути [3], что так же приводит к поиску модификаций с нужными параметрами на основе ПИД-алгоритмов.

Таким образом, классическая теория автоматического управления направлена на использование линейных регуляторов, в то же время, все реальные объекты являются нелинейными. Это приводит к поиску и разработке модификаций классических систем и схем регулирования, оптимизации их настроек на базе наиболее часто используемых ПИД-алгоритмов.

Список литературы:

1. Денисенко В. ПИД – регуляторы: принципы построения и модификации. Ч. 2.//Современные технологии автоматизации. – 2007 .- №1. – С. 78-88.
2. Скороспешкин В.Н., Скороспешкин М.В. Модифицированный псевдолинейный ПИД- регулятор. // Науковедение. – 2013. - № 6.
3. Бураков М.В., Коновалов А.С. Нечеткое управление автомобильной антиблокировочной системой // Информационно-управляющие системы. – 2016. - № 2. – С. 35-41.