В статье "Преимущества ПИД закона и влияние его составляющих на процесс регулирования" мы подробно рассмотрели, как происходит расчет мощности исполнительного устройства по формуле пропорционально-интегрально-дифференциального закона. Важной составляющей этой формулы являются ПИД коэффициенты. Правильно заданные коэффициенты обеспечивают высокую точность и качество регулирования. Приборы Термодат с ПИД регулированием позволяют подобрать ПИД коэффициенты в режиме автоматической настройки. Но в некоторых случаях эта процедура не приводит к успеху, например, в случае очень инерционных печей или для печей с изменяющейся во времени загрузкой. Для этих случаев в данной статье приведены три метода настройки ПИД коэффициентов «вручную». В специальной технической и научной литературе можно найти и другие методы.
Метод проб и ошибок
ПИД коэффициенты при использовании метода проб и ошибок подбираются по отдельности, чтобы наблюдать влияние каждого из них. Этот процесс является достаточно трудоёмким, так как требует проведения некоторого количества испытаний.
1. Установите температуру регулирования, близкую к той, при которой будет работать печь.
2. Включите режим регулирования с произвольным пропорциональным коэффициентом Kp (например, 20), интегральным коэффициентом Ki=«выключено», Kd=0. Если объект не подвергается динамичным внешним тепловым воздействиям, дифференциальный коэффициент можно будет и впоследствии оставить равным 0, либо подобрать его в последнюю очередь.
3. Подождите, когда температура достигнет установившегося значения или установившихся колебаний. Время установления зависит от объекта нагрева, его теплоемкости, теплоотдачи, свойств нагревателя.
4. Если в установившемся режиме отсутствуют колебания температуры (установившаяся температура в этом случае всегда будет меньше температуры регулирования), уменьшайте Kp до тех пор, пока не начнутся заметные температурные колебания обязательно с превышением температурной уставки.
5. Если в установившемся режиме уже наблюдаются колебания температуры, увеличивайте Kp до тех пор, пока колебания температуры не прекратятся.
6. Запишите критическое значение пропорционального коэффициента Кркр, при котором появляются температурные колебания (пункт 4) или прекращаются (пункт 5).
7. Измерьте и запишите период температурных колебаний τ после их появления (пункт 4) или перед их прекращением (пункт 5).
8. Установите значения коэффициентов Kp, Ki, Kd в соответствии с таблицей.
Тангенциальный метод
В тангенциальном методе для нахождения ПИД коэффициентов используется кривая начального разогрева объекта.
1. В режиме ручного управления контроллера задайте некоторое значение мощности на нагрузке (приборы Термодат позволяют это сделать). Значение мощности должно быть таким, чтобы установившаяся температура не превысила допустимого значения. Дождитесь установления температуры Т1 в этом режиме и в некоторый момент времени скачком изменить значение мощности (например: на 5%). Запишите процесс изменения температуры до установления нового устоявшегося значения температуры Т2.
2. Проведите касательную к полученной кривой в точке, где наклон касательной будет максимален.
3. Определите «мёртвое» время процесса как промежуток времени, прошедший с момента изменения мощности до момента времени, определяемого точкой пересечения касательной и средней линии температуры первого устойчивого состояния Т1.
4. Определите величину относительного наклона касательной по формуле:
5. Установите значения коэффициентов Kp, Ki, Kd в соответствии с таблицей.
Удобный метод нахождения ПИД коэффициентов для электропечей среднего размера
1. Назначьте уставку SP равной температуре регулирования или 0.7SP, если перегрев во время настройки нежелателен, а он может быть значительным.
2. Включите позиционный режим регулирования.
3. В установившемся режиме колебаний температуры измерьте период τ колебаний температуры (время между соседними максимальными или минимальными значениями температуры). Измерьте также полный размах колебаний температуры ΔТ=Тmax-Тmin (разность максимального и минимального значений температуры).
4. Установите значения коэффициентов Kp, Ki, Kd в соответствии с таблицей. Параметр «Ограничение ПИД» или «Зона» (если он есть в приборе) сделать равным Kp.
Оптимизация процесса настройки
Нахождение и настройка ПИД коэффициентов сложный и трудоёмкий процесс. Как видно из описания методов, в каждом из них нужно построить один или несколько графиков процесса изменения температуры. Делать это с секундомером и листком бумаги утомительно и непродуктивно, особенно в случае инерционных печей, где тестовые эксперименты могут продолжаться несколько часов. Даже для одного и того же объекта процедуру настройки ПИД регулятора следует повторять, если изменились параметры объекта (например, загрузка печи) или значительно изменилась рабочая температура. Приборы Термодат с архивом и интерфейсом позволяют существенно упростить этот процесс. Компьютерная программа позволяет организовать автоматический опрос прибора, наблюдать и распечатывать график температуры. Другой вариант использования архивной памяти приборов Термодат: измеренная температура записывается во встроенную Flash память прибора с привязкой к реальному времени, затем «скачивается» на компьютер по интерфейсу, с помощью USB носителя или по Bluetooth, где представляется в виде таблиц или графиков для дальнейшей обработки.