7/25/2019 ro_ma_jun_2013_01

1/3

Reglarea cu aciune proporional -integral - diferenial (PID) deinepeste 90% din aplicaiile actuale de

control i automatizare, n primul rndpentru c este o soluie eficient iuor de implementat. Fiind iniialconceput pentru sistemele liniare,invariante n timp, algoritmul PID aevoluat, permind inginerilor scontroleze chiar i sisteme cu odinamic complex. n realitate,toate sistemele dispun decomponente neliniare, care prezintreale provocri n utilizarea controluluiclasic bazat pe feedback, de tip PID.

V rugm s reinei:Figurile prezentate sunt reprezentrisimplificate de scheme bloc, utilizateexclusiv n scop conceptual.

Controlul clasic

Controlul bazat pe feedback a fost utilizatnc din antichitate, n controlul sistemelormecanice. Iniial, aceste sisteme foloseaumijloace mecanice, de exemplu, o supapcu plutitor pentru controlul valorilor de tem-

peratur, vitez i de nivel al fluidelor.

Sistemele moderne, computerizate decontrol utilizeaz feedback-ul efectund omsurare a senzorilor, comparnd-o cuvaloarea de referin dorit i reglnd oieire de control pe baza acestei diferene.De exemplu, controlul temperaturii poate firealizat prin msurarea temperaturii cu-rente, compararea acesteia cu valoarea detemperatur dorit, iar mai apoi, utilizareaunui radiator sau ventilator pentru a aduce

temperatura ct mai aproape de valoareade referin dorit. Provocarea apare apoi,din nevoia de a determina n ce msurtrebuie reglate ieirile de control pentru a

obine cel mai bun rspuns. Radiatorul artrebui s fie pornit pe toat durata proce-sului, sau doar parial? Regulatorul PID de

baz compar o singur intrare cu o valoarede referin i calculeaz o valoare de ieireunic pentru a controla sistemul, iar algo-ritmul presupune c rspunsul va fi liniar, inu se modific n timp. Exist totui anumi-te tehnici de aplicare al acelorai algoritmiPID la sisteme care nu ndeplinesc neap-rat aceste criterii.

Planificarea amplificrii -Gain Scheduling

O modalitate prin care inginerii au utilizattehnologia PID n cadrul sistemelor nelini-are este prin intermediul tehnicii de gainscheduling. Cel mai frecvent motiv pentrucare oamenii ntmpin probleme de ran-dament cu controlul PID este faptul c suntalei parametrii greii de amplificare (gain)pentru P, I i D. n cazul sistemelor nelini-are, parametrii optimi s-ar putea schimba nfuncie de starea n care se afl sistemul.De exemplu, multe sisteme prezint carac-teristici diferite n timpul etapelor de ncl-zire, mai des dect dup ce au funcionat

pentru mai mult timp.

Un alt exemplu const n utilizarea de pa-rametri de amplificare diferii odat ce oanumit valoare de referin a fost atins,deoarece sistemul reacioneaz diferit cndse afl ntr-o stare de regim staionar. Plani-ficarea Gain Scheduling este procesul demodificare al parametrilor de amplificarepentru P I i D n funcie de starea siste-mului. Aceste stri pot fi definite printr-oanumit durat de timp, sau chiar cu aju-torul intrrilor sistemului. Aceast metodfuncioneaz cel mai bine pentru sistemelecare prezint schimbri predictibile n dina-mic, astfel nct parametrii de gain pre-determinai pot fi calculai i implementai.

Tehnica Gain Scheduling ofer posibilita-tea de a controla un proces cu neliniariti,

mprindu-l n seciuni care se apropie decaracteristicile liniare. Fiecare seciunepoate fi astfel reglat la un set diferit deparametri care controleaz sistemul ntr-omanier optim. Cu ajutorul setului de ins-trumente PID din LabVIEW, aceast teh-nic este extrem de uor de implementat.

Figura 1 prezint modul de utilizare al PIDGain Schedule.vi pentru a seta parametriide amplificare ai algoritmilor de control PIDpentru PID.vi, pe baza diferenei curente

dintre valoarea de referin i valoareamsurat. n acest exemplu se msoar unsenzor de temperatur iar apoi se comparcu o valoare de referin definit de utili -zator. Diferena dintre cele dou valori, deasemenea cunoscut ca i factor de eroare,este calculat i apoi trimis la planificatorulamplificrii. Acesta din urm fiind n fapt oserie de parametri de amplificare ai regu-

Msurri i Automatizri 3/2013

Funcii avansate n Reglarea cuaciune proporional - integral -

diferenial (PID)

Fig. 1 Control PID cu ajutorul

Gain Scheduling n LabVIEW

7/25/2019 ro_ma_jun_2013_01

2/3

latorului PID, ce sunt indexai pe baza uneiintrri. Pe msur ce temperatura se apro-pie de valoarea de referin, se poate folosi

un set diferit de parametri de gain pentru aobine un rspuns de control mai bun.

Exist mai multe posibiliti de imple-mentare a tehnicii de Gain Scheduling,iar acest mod ndeosebi, este ideal pentrureducerea erorilor n regim staionar, princreterea amplificrii parametrului integralsau a factorului I, odat ce intrarea dvs. s-astabilizat aproape de valoarea de referin.

Evitarea apariiei fenomenului

de wind-up integralParametrul integral al unui regulator PID

nsumeaz continuu factorul de eroare alsistemului dumneavoastr, ceea ce esteextrem de eficient pentru reducerea erorii

n regim staionar.

Un efect secundar nedorit al integrrii con-stante al acestei erori este posibilitateaapariiei fenomenului de wind-up. Acestase ntmpl atunci cnd din cauza eroriiacumulate, semnalul msurat depete

valoarea de referin dorit, pe baza facto-rului I al regulatorului. Acest lucru genereaz,de asemenea, ntrzieri prelungite i alteefecte destabilizatoare. n funcie de aplica-ie, depirea poate costa scump i poate fichiar periculoas, din cauza pierderilor dematerial sau a deteriorrii hardware-ului. Cutoate acestea, atunci cnd se ncearc s seating o anumit valoare de referin,factorul integral face ca depirea valorilors fie aproape inevitabil.

Una dintre tehnicile care permite reducereaefectelor acestui fenomen de wind-upintegral const n resetarea erorii acumu-late odat ce sistemul a nceput s se

stabilizeze aproape de valoarea de refe-rin. Prin resetarea funciei PID, putei ncs profitai de avantajele reducerii erorii nstarea de regim staionar cu autorul fac-torului Integral, ns, fr a cauza o depireprea mare. Iat un exemplu al modului ncare aceast tehnic ar putea fi implemen-tat n LabVIEW.

n mod similar exemplului anterior, figura 2prezint modul n care un senzor de tempe-ratur este msurat, iar apoi, comparat cu ovaloare de referin definit de utilizator.Factorul de eroare este calculat, i din mo-mentul n care se ncadreaz ntr-o anumit

valoare (n acest caz 0,25), funcia PID esteresetat, iar mai apoi, numai eroarea destare n regim staionar va fi integrat dinacel punct.

Sisteme non-SISOn timp ce algoritmul PID este conceputpentru sistemele cu o singur intrare i osingur ieire (SISO), exist multe posibi-liti de a folosi acest regulator n sistemelemultivariabile (MIMO) datorit personalizriisoftware. Structuri de caz pentru diferite ieiri -

pozitive i negative. Bucle paralele PID. Algoritmi PID multipli.

n figura 3 se poate observa o singurintrare de la senzorul de temperatur, nsmai apoi, dou ieiri de controler sau dis-pozitive de acionare sunt utilizate pentru aschimba temperatura. Algoritmul PID poategenera att valori pozitive ct i negative,astfel c acest exemplu prezint o structurde caz pentru a decide cnd va fi utilizatfiecare dispozitiv de acionare.

Canalul de ieire 1 se presupune c esteconectat la un radiator, iar canalul de ieire

2 se conecteaz la un ventilator pentrurcirea sistemului. Dac valoarea de ieirePID este pozitiv, atunci ne dorim s cre-tem temperatura trecnd valoarea de ieire

n dreptul radiatorului, oprind ventilatorul itrecnd un zero n dreptul canalului 2.

Cu toate acestea, dac valoarea de ieirePID este negativ, structura de caz falstrece valoarea de ieire n dreptul ventilato-rului i un zero n dreptul canalului 1. Acestaeste un mod des ntlnit de implementarePID n sisteme cu ieiri multiple.

Msurri i Automatizri 3/2013

Fig. 2 Evitarea apariiei fenomenuluide wind-up integral prin

resetarea PID.vi

Fig. 3 Exemplu de sistem cuo singur intrare i ieirimultiple (SIMO)

7/25/2019 ro_ma_jun_2013_01

3/3

4

Msurri i Automatizri 3/2013

PID n cascad

n acest exemplu, transmitem ieirea de laprima funcie PID la intrarea celei de-a douafuncii PID, ncetinind astfel timpul de rs-puns i facilitnd ieirea la dispozitivul deacionare. Un mod mai obinuit de imple-mentare PID n cascad este prin utilizareaa dou intrri de la sistem, oferind deexemplu, informaii despre poziie i vitez.Acest sistem MISO cu intrri multiple i osingur ieire este extrem de frecvent naplicaiile de control al micrii sau poziiei.

Un codificator de poziie este comparat cuvaloarea de referin dorit, iar apoi, ieireacalculat devine punctul de referin pentrucontrolul vitezei. Acest lucru este benefic

atunci cnd sistemul prezint ntrzieri

inerente, proporionale cu viteza. Frecarea,de exemplu, va face ca sistemul s rmn

n urm, n funcie de ritmul n care se

schimb poziia.

PID cu reglare cu aciunedirect (Feed-Forward)

Decuplarea n caz de perturbaii este ovariaie pe sistemul de control PID, careajut sistemele cu rspuns lent la pertur-baii. Dac perturbaia poate fi msurat,atunci ieirea compensatorului poate fireglat imediat pentru a rspunde. De pild,dac un ventilator introduce aer rece ntr-o

camer termic, ieirea radiatorului poate ficrescut imediat, mai degrab dect satepte prima dat, ca temperatura dinimediata apropiere a senzorului s scad.

n figura 6, un senzor de perturbaii estemsurat, multiplicat de anumite valori deamplificare definite de utilizator, iar apoi,adugat la valoarea de ieire PID. Dacperturbaiile cresc, canalul de ieire alcompensatorului va crete imediat pentru amenine controlul sistemului. Aceast abor-dare nu este ntotdeauna necesar deoa-

rece creterea parametrului de gain propor-ional pe un compensator PID tradiional va

mbunti, n acelai timp, respingereaperturbaiilor i nu necesit ca acestea sfie msurate.

National Instruments Romania SRL

Bd. Corneliu Coposu nr. 167A,

et. I, Cluj Napoca, CP 400228Tel.: 0800 894 308E-mail: ni.romania@ni.comhttp://romania.ni.com

Fig. 4 Exemplu de PID n cascad

Fig. 5 Exemplu de PID n cascad pentru aplicaii decontrol al poziiei i al vitezei

Fig. 6 PID cu reglare cuaciune direct