PID-регулятор для ИМ с дискретным и аналоговым управлением

Данный самописный PID-регулятор с успехом используется в системах на ПЛК известного Российского производителя на промышленных объектах. Регулирует температуру и давление в трубопроводах посредством дискретных и аналоговых трехходовых кранов. Также управляет частотными преобразователями трехфазных двигателей по интерфейсу 0-5В (0-10В и 4-20мА с внешними блоками преобразования на ОУ).

Представлено 2 вида регуляторов ПИД и ПД.

*******************************************************************************************
ПИД имеет 2 выхода для работы с аналоговыми исполнительными механизмами (ИМ) или ТЭНами.

Структурная схема.

1. pwm (медленный ШИМ) – дискретный выход для подключения нагревателя/холодильника.
2. PWR – аналоговый выход, показывающий текущую мощность (0..1000).
Расчет мощности по формуле PWR = Kp*E(t)+Σ(E(t)/Ki)+Kd*∆E(t).
E(t) – рассогласование (уставка – вход),
∆E(t)- дельта рассогласования по сравнению с предыдущим измерением,
Kp,Ki,Kd – коэфф ПИД.

*******************************************************************************************
У ПД 3 выхода для работы с дискретными ИМ.

Структурная схема.

1. open (открыть, медленный ШИМ) – дискретный выход для открытия крана.
2. close (закрыть, медленный ШИМ) – дискретный выход для закрытия крана.
3. dPWR – аналоговый выход, показывающий текущее изменение мощности (-1000..+1000).
Расчет изменения мощности идет по формуле dPWR = Kp*E(t)+Kd*∆E(t).
E(t) – рассогласование (уставка – вход),
∆E(t)- дельта рассогласования по сравнению с предыдущим измерением,
Kp,Kd – коэфф ПД.

*******************************************************************************************

Просто о составляющих ПИД (для простоты в качестве регулируемого параметра возьмем температуру):

Ошибка регулирования = (“уставка” – “текущая температура”).

Пропорциональная составляющая – мощность на выходе равна (“ошибка регулирования”) * Kp,
чем больше коэфф. Kp, тем больше мощность. Если уставка = 40, температура = 30, Kp = 2, то мощность = 20%.
Если температура = уставке, то Пропорц = 0.

Интегральная составляющая – каждый период работы регулятора мощность на выходе будет увеличиваться
или уменьшаться на величину (“ошибка регулирования”) / Ki, можно сказать, что интегр. составл. это
накопитель мощности и чем меньше коэфф. Ki, тем быстрее мощность будет возрастать или уменьшаться.
Если уставка = 40, температура = 30, Ki = 5, то мощность будет прибавляться на 2% каждый период.
Если температура = уставке, то мощность не меняется.

Дифференциальная составляющая – мощность на выходе равна:
(“ошибка регулирования сейчас” – “ошибка регулирования в прошлом периоде”) * Kd.
Этот параметр следит за скоростью изменения температуры. Если коэфф Kd = 6, сейчас ошибка регулирования = 5,
а в предыдущий период была = 10 (т.е. температура возросла на 5 градусов), то мощность на выходе будет
равна (-5*6) = -30%. Дифф составляющая уменьшила мощность, потому как температура очень сильно начала
подниматься. Если температура стабильна, то Дифф = 0.

Полная мощность ПИД-регулятора считается по формуле PWR = (пропорц + интегр + дифф).
Допустим мощность, накопленная в интегральной составляющей = 42%, тогда в нашем случае
PWR = 20+42-30 = 32%. Из этого примера видно, как “П” и “Д” оперативно помогают медленно меняющейся “И”
корректировать выходную мощность в зависимости от текущего состояния объекта регулирования.

Дискретные выходы pwm/open/close.
На данных выходах организован медленный ШИМ. Период ШИМа равен периоду работы ПИД(ПД) регулятора.
Пусть период ПИД и ШИМ равен 10 секунд, тогда длительности импульсов на выходе будут такими:
Мощность = 0%, выход отключен.
Мощность = 10%, импульс 1 секунда, пауза 9 секунд.
Мощность = 30%, импульс 3 секунды, пауза 7 секунд.
Мощность = 50%, импульс 5 секунд, пауза 5 секунд.
Мощность = 90%, импульс 9 секунд, пауза 1 секунда.
Мощность = 100%, выход включен.

*******************************************************************************************

Во всех регуляторах задается период работы медленных ШИМ (выходов pwm/open/close), он же является периодом измерения входного сигнала.

Для тестирования собрал схему из реле, нагрузочного резистора 10W и термодатчика DS18B20 – температуру держит хорошо!

Фото процесса тестирования.

В архиве блоки пользователя PID_V2, PD_V2, примеры проектов на Pro Mini и график работы ПИД-регулятора при поддержании температуры нагревателя.