ПИД регулятор на Ардуино: 2 метода настройки

Прежде чем собирать PID регулятор на Arduino своими руками, не лишним будет разобраться с терминологией, чтобы ясно представлять, с чем мы имеем дело. Итак, ПИД или пропорционально-интегральный дифференциальный (регулятор) – это транслитерация английской аббревиатуры PID или proportional-integral differential (regulator). А вот Arduino представляет собой небольшую плату, которая имеет собственный процессор и память. Если с терминологией все ясно, перейдем к более детальным пояснениям.

PID регулятор – что это

PID регулятор представляет собой компактное устройство, интегрированное в контур управления, где в обязательном порядке имеется обратная связь. Такой прибор используют для поддержания каких-либо заданных режимов и чаще всего, это коррекция температуры воздуха. Сенсорные датчики снимают показания по существующим в данный момент параметрам, и подают сигнал на регулирующее устройство. Такому контроллеру присущи практически идеальные показатели точности переходных процессов, что полностью обеспечивает результативность своевременной регулировки параметров.

Три коэффициента PID регулятора

Функционал proportional-integral differential regulator состоит в подаче выходного сигнала, оповещающего о состоянии мощности, требуемой для стабилизации параметра на уровне, заданном пользователем.

Для получения точного показателя применяется указанная на верхнем изображении математическая формула, которая содержит три коэффициента:

• Пропорциональный (Proportional).
• Интегральный (Integral).
• Дифференциальный (Differential).

Для примера мы рассмотрим резервуар с подогретой водой, в котором необходимо постоянно поддерживать заранее заданную температуру при помощи парового клапана:

• Proportional показатель возникает тогда, когда происходит рассогласование с ранее заданными параметрами, то есть, разница между реальной температурой и заданной (номинальной), которая умножается на коэффициент настройки. В итоге образуется выходной импульс, который подается на обогреватель – это означает, что при понижении температуры сразу включается подогрев. При достижении нужного температурного режима происходит отключение, а при перегреве – охлаждение.
• Integral составляющая служит для компенсации влияния окружающей среды или других возмущающих факторов, влияющих на стабильность заданной заранее температуры. Так как такие сторонние факторы присутствуют постоянно, то на момент поступления показателей для вычисления Integral составляющей цифра меняется. Чем больше воздействие извне, тем больше колебания показателей – это скачки на подаче мощности. Данная составляющая пытается вернуть исходное значение при его изменении.
• Differential компонент компенсирует воздействие задержек, которые возникают из-за внешних задержек, влияющих на номинальный режим и обратной реакцией. Регулятор запускает подогрев, который будет работать до тех пор, пока температура не достигнет заранее заданной отметки, хотя при больших значениях могут возникать погрешности. Ошибки в свою очередь приводят к перегреву жидкости, поэтому дифференциал заранее снижает мощность обогревателя.

Настройка и назначение PID регулятора

Существует, как минимум, два метода настройки PID: 

• Синтез предусматривает расчет параметров на основании самой модели. Такая регулировка получается, чуть ли не идеальной, но она требует глубокой осведомленности в теоретических познаниях автоуправления, следовательно, для этого нужно иметь специальное образование.
• Ручной метод основан на пробах – его также зачастую в шутку называют «методом научного тыка» - здесь основанием являются показатели готовой системы, которые корректируются коэффициентом регулятора. После наблюдения за системой в активно фазе, берутся конечные показатели и исправляются в нужную сторону. Так продолжается до тех пор, пока система не выйдет на желаемый уровень.

По сути, первый метод настройки применяется крайне редко, так как существует очень мало людей со специальным образованием, которые пользуются PID регулятором, следовательно, вполне логично, что чаще всего (почти постоянно) используется способ №2. Помимо температуры PID регулятор может контролировать другие параметры.

Следует отметить, что PID предназначены не только для измерения и поддержания нужной температуры, но также для контроля и поддержания нужного уровня давления в емкостях, расход жидкостей или газов в трубопроводах и так далее. Конечной целью для подобных систем является считывание точного управляющего импульса, способного контролировать инкубаторы, пивоварни, винокурни, большие производственные мощности и даже реакторы АЭС.

Заключение

Подобную систему можно собрать своими руками, например, для поддержания микроклимата в каком-либо помещении, но это уже тема для отдельной статьи и мы выложим ее немного позже. На данный момент у вас есть возможность ознакомиться PID регулятором на Arduino в общих чертах, чтобы определить его необходимость в вашем хозяйстве.