Компактний контролер може бути адаптований до широкого спектру застосувань і зазвичай використовується як регулятор температури ПІД. Він працює за принципом пропорційного, інтегруючого та диференціюючого регулювання (PID). При цьому інтенсивність окремих компонентів адаптується до процесу регулювання. Це робиться за допомогою вимірювання параметрів керування.
Принцип роботи ПІД-регулятора відносно просто пояснити. Незалежно від того, чи це ПІД-регулятор температури, чи ПІД-регулятор вологості, регулятор завжди намагається відрегулювати певну регулюючу змінну до заданого значення на основі фактичного значення. При цьому П-компонент підсилює відхилення регулювання, I-компонент збільшує рівень вихідного сигналу в разі наявного відхилення регулювання, а Д-компонент протидіє руху фактичного значення. Компоненти, які не потрібні для регулювання, можна деактивувати. Залежно від застосування, вони працюють як ПІ-регулятори, П-регулятори, Д-регулятори або І-регулятори.
PID-структура демонструє найкращу реакцію на регулювання для більшості застосувань. Як результат, компактні ПІД-регулятори дуже поширені в галузі контролю температури. Вони також дозволяють безпосередньо підключати температурні датчики RTD і термопари. Деякі регульовані змінні вимагають відключення певних компонентів, включаючи швидкість і потік.
П-компонент (пропорційний) реагує дуже швидко і підсилює різницю регулювання; його постійне відхилення регулювання має негативний ефект. Відповідальним параметром регулювання є пропорційна смуга пропускання Xp. Чим менше Xp, тим швидше реагує регулятор і тим менше відхилення регулювання. Однак, вся система має тенденцію коливатися все більше і більше.
I-компонент (інтегруючий) усуває відхилення регулювання. Якщо час скидання Tn встановлено на менше значення, регулятор швидше нарощує свій вихідний рівень і швидше протидіє відхиленню регулювання. Однак, якщо налаштування PID-регулятора занадто мале, також виникатимуть коливання.
Д-компонент (диференціюючий) протидіє змінам фактичного значення. У випадку з регулятором опалення це означає, що пропорція зменшується, коли фактичне значення збільшується, і збільшується, коли фактичне значення зменшується. Описана поведінка має демпфуючий характер. Відповідальним параметром є час похідної Tv. Чим більший встановлений час Tv, тим сильніший описаний ефект.
Поведінка керованих систем завжди залежить від робочої точки. Тому перед оптимізацією систему необхідно привести в робочий стан, для якого пізніше очікуються сприятливі параметри керування. Наприклад, перед оптимізацією піч завантажується, а для проточного водонагрівача необхідно створити відповідний режим роботи. Якщо під час оптимізації необхідно визначити задане значення, то воно буде знаходитися в більш пізньому робочому діапазоні.
Якщо існують аналогічні контрольні установки/контури, можна спробувати застосувати параметри контролю, які там використовуються. Якщо такий підхід не призводить до досягнення мети, можна використати один з наступних методів оптимізації.
При встановленні відносно великого діапазону пропорційності фактичне значення рухається до кінцевого значення з невеликою тенденцією до коливань [Рисунок 52 (1)]. Через неіснуючу I-образну структуру присутнє постійне відхилення регулювання.
Pb зменшується (Рис. 52 [2]): фактичне значення збільшується і рухається до кінцевого значення з більшою тенденцією до коливання. За певних обставин пропорційна смуга зменшується кілька разів, поки фактичне значення не стане постійно коливатися (Рис. 52 [3]). Смуга пропорційності, необхідна для такої поведінки, називається Pbc (критична Pb) і повинна бути визначена якомога точніше (не зменшуйте Pb надмірно великими кроками).
Приклад:
Для лабораторної печі буде використано регулятор з ПІД-структурою. Метою є досягнення гарної реакції на збурення, а типове задане значення становить 200 °C. Вихідний рівень поступово збільшується в ручному режимі, поки фактичне значення не стане трохи нижчим за майбутнє задане значення (зачекайте на відповідні процеси компенсації). Наприклад, температура 180 °C досягається при рівні потужності 60 %. Починаючи з 60 %, вихідний рівень раптово збільшується до 80 % і записується фактичне значення.
Зміна кроку знову задається для вже згаданої лабораторної печі, при цьому наступна робоча точка також становить 200 °C. Якщо в ручному режимі вказати рівень потужності 60 %, то фактичне значення становитиме 180 °C. Рівень потужності раптово збільшується до 80 %.
Після вказівки кроку зміни фактичне значення через деякий час збільшується. Запис продовжується доти, доки фактичне значення не досягне максимального нахилу. За допомогою цього методу також будується тангенс кута нахилу і визначається час затримки. Другим характеристичним параметром є максимальна швидкість наростання, яка відповідає нахилу дотичної перегину. Максимальну швидкість підйому можна визначити, застосувавши трикутник нахилу до дотичної перегину:
Для регулятора активується П-структура. Пропорційний діапазон встановлюється відносно великим (розмір залежить від процесу регулювання) і задається значення уставки в наступному робочому діапазоні. Фактичне значення буде повільно наближатися до кінцевого значення і створюватиметься відносно велике відхилення регулювання. Потім задане значення задається з дедалі меншим пропорційним діапазоном Pb. Метою є досягнення такого Pb, при якому фактичне значення досягає свого стабільного кінцевого значення після 2-3 повних коливань (Рис. 56а). Для плавного запуску структуру потрібно переключити з П на ПД. Починаючи з невеликого значення часу похідної, задане значення задається з дедалі більшим dt. Якщо фактичне значення досягає свого кінцевого значення з якомога меншим коливанням, dt знаходиться на оптимальному рівні (Рисунок 56b).
Примітка: як тільки контролер встановлює вихідний рівень на 0 % навіть один раз під час запуску, це означає, що dt встановлено занадто велике значення.
I-компонент активується, коли структура перемикається на ПІД. Оптимальний час скидання rt зазвичай встановлюється в 4 рази більшим за попередньо визначене значення dt. На рисунку 56c показано відгук для налаштування rt = 4 × dt.
У деяких процесах неможливо активувати всі компоненти. Якщо при використанні П-структури з великим Pb вже виникає нестаціонарна реакція, то неможливо використовувати П- або Д-структуру. Замість цього потрібно використовувати I-регулятор.
Якщо П-регулятор був успішно налаштований, але введення Д-компоненту робить контур регулювання нестійким, використовується ПІ-структура.
Застосування одного з методів налаштування, описаних у цьому розділі, швидше за все, призведе до стабільної, але не оптимальної реакції управління. Результат керування можна покращити за допомогою ручного переналаштування. Якщо відгук регулятора температури ПІД можна узгодити з однією з кривих 62b - 62e, ви знайдете тут інформацію для подальшого налаштування.
Діаграма показує оптимальну поведінку для ПІД-регулятора.
Після введення заданого значення фактичне значення різко зростає, доки не досягне межі пропорційного діапазону. Якщо фактичне значення потрапляє в смугу пропорційності, П-компонент зменшується, а I-компонент забезпечує приведення значення до заданого значення. Збільшення I складової відбувається повільно через відносно велике rt, і відхилення регулювання повільно усувається. Для швидшого інтегрування rt має бути меншим; dt також зменшується відповідно до співвідношення dt/rt = 1/4.
Коли фактичне значення потрапляє в смугу пропорційності, I-компонент збільшує вихідний рівень. Збільшення продовжується до тих пір, поки фактичне значення не досягне значення уставки. У наведеному прикладі I-компонент нарощує надмірний вихідний рівень до усунення відхилення регулювання, і фактичне значення перевищує значення уставки. Якщо є негативне відхилення керування, вихідний рівень зменшується занадто швидко, і фактичне значення падає нижче заданого, і так далі. Симетричне коливання фактичного значення навколо значення уставки свідчить про занадто мале rt. rt необхідно збільшити, а також збільшити dt відповідно до співвідношення dt / rt = 1/4.
I-компонент формується з моменту входу фактичного значення в смугу пропорційності до моменту усунення відхилення керування. Завдяки великому Pb, I-компонент починає формувати свій вихідний рівень вже при великому відхиленні регулювання. Через велике відхилення керування на початку, І-компонент формує свій вихідний рівень відносно швидко. Коли відхилення керування усувається, I-компонент стає занадто великим, і фактичне значення перевищує задане значення. При меншому значенні Pb, якщо відхилення регулювання є меншим, I-компонент починає нарощувати свій вихідний рівень відповідно повільніше. Зображене одноразове перерегулювання стає більш малоймовірним.
Якщо Pb встановлено занадто малим, вихідний рівень П-компонента зменшується незадовго до досягнення заданого значення. Коли фактичне значення потрапляє в смугу пропорційності, П-компонент різко зменшується, і фактичне значення зменшується. Через більше відхилення регулювання вихідний рівень стає більшим, а фактичне значення збільшується. У пропорційній смузі малі зміни фактичного значення призводять до великих змін вихідного рівня, що призводить до високої схильності до коливань. Це заспокоюється збільшенням пропорційного діапазону.