Strojenie regulatorów PI oraz PID w praktyce

239

W każdym zakładzie produkcyjnym mamy do czynienia z wieloma różnymi regulatorami wielkości fizycznych. Jak podają badania znacząca większość regulatorów jest źle dobrana i nastrojona. W artykule zaprezentowano krótki poradnik jak nastroić regulatory w praktyce.

Wstęp

Idea automatycznej regulacji wielkości fizycznych jest znana ludzkości od czasów starożytnych. W antycznej Grecji stosowano już pierwsze regulatory do odmierzania czasu (tzw. Zegary wodne). Przez ponad 3 tysiące lat w świecie regulacji zmieniło się niemal wszystko – oprócz idei. Nadal głównym oczekiwaniem wobec regulatorów jest precyzyjne sterowanie wielkością fizyczną.

Wśród popularnie stosowanych regulatorów najczęściej mamy do czynienia z regulatorami dwu- lub trójpozycyjnymi albo z regulatorami PI lub PID. Strojenie regulatorów wielopozycyjnych jest bardzo intuicyjne i nie stanowi zwykle problemu. W przypadku regulatorów PID sytuacja wygląda zgoła inaczej.

Według różnych szacunków nawet 25% regulatorów nie jest nigdy strojonych (od momentu wyjęcia z pudełka działa z nastawami fabrycznymi), a ponad 80% działa dalece od optimum. Taki stan rzeczy zawdzięczamy właściwościom samych regulatorów z członem całkującym, które z zasady działania eliminują uchyb ustalony (oczekiwana wartość mierzona jest równa zadanej). Pomimo doprowadzenia układu regulacji do pożądanego stanu możemy jednak zaobserwować różne niekorzystne zjawiska.

Regulator PID z zasady składa się z 3 członów – proporcjonalnego, całkującego oraz różniczkującego. Możliwe są różne konfiguracje wewnętrzne. Co do zasady jednak człony reguluje się ustawiając parametry wzmocnienia proporcjonalnego, czasu zdwojenia (całkowania – integral time) oraz stałej czasowej różniczkowania (czas wyprzedzenia). Jako wejścia do regulatora musimy podać sygnał wartości zadanej (czasem wartość zadaną wpisujemy bezpośrednio w regulatorze), sygnał pomiarowy (sprzężenie zwrotne). Na wyjściu regulatora znajduje się sygnał sterujący.

Ocena jakości regulacji

Aby ocenić jakość regulacji należy (zgodnie ze sztuką) zapoznać się z podstawowymi pojęciami określającymi standardową odpowiedź obiektu:

  • Opóźnienie – czas pomiędzy zmiana wartości zadanej do regulatora a początkiem odpowiedzi
  • Czas narastania – czas, który upływa od momentu początku narastania odpowiedzi do 90% wartości ustalonej
  • Przeregulowanie (overshoot) – stosunek wartości maksymalnej odpowiedzi do stanu ustalonego
  • Uchyb ustalony – różnica pomiędzy wartością ustaloną a wartością zadaną
  • Czas ustalania – czas, po którym błąd regulacji mieści się w zadanym przedziale

Znając wymienione powyżej pojęcia można przystąpić do strojenia regulatora