Что такое ПИД регулятор?

ПИД регулятор — прибор, встроенный в управляющий контур, с обязательной обратной связью. Он предназначен для поддержания установленных уровней задаваемых величин, например, температуры воздуха.

Устройство подает управляющий или выходной сигнал на устройство регулирования, на основании полученных данных от датчиков или сенсоров. Контроллеры обладают высокими показателями точности переходных процессов и качеством выполнения поставленной задачи.

Три коэффициента ПИД регулятора и принцип работы

Работа ПИД-регулятора заключается в подаче выходного сигнала о силе мощности, необходимой для поддержания регулируемого параметра на заданном уровне. Для вычисления показателя используют сложную математическую формулу, в составе которой есть 3 коэффициента — пропорциональный, интегральный, дифференциальный.

Возьмем в качестве объекта регулирования ёмкость с водой, в которой необходимо поддерживать температуру на заданном уровне с помощью регулирования степени открытия клапана с паром.

Пропорциональная составляющая появляется в момент рассогласования с вводными данными. Простыми словами это звучит так — берется разница между фактической температурой и желаемой, умножается на настраиваемый коэффициент и получается выходной сигнал, который должен подаваться на клапан. Т.е. как только градусы упали, запускается процесс нагрева, поднялись выше желаемой отметки — происходит выключение или даже охлаждение.

Дальше вступает интегральная составляющая, которая предназначена для того, чтобы компенсировать воздействие окружающей среды или других возмущающих воздействий на поддержание нашей температуры на заданном уровне. Поскольку всегда присутствуют дополнительные факторы, влияющие на управляемые приборы, в момент поступления данных для вычисления пропорциональной составляющей, цифра уже меняется. И чем больше внешнее воздействие, тем сильнее происходят колебания показателя. Происходят скачки подаваемой мощности.

Интегральная составляющая пытается на основе прошлых значений температуры, вернуть её значение, если оно поменялось. Подробнее процесс описан в видео ниже.

А дальше выходной сигнал регулятора, согласно коэффициенту, подается для повышения или понижения температуры. Со временем подбирается та величина, которая компенсирует внешние факторы, и скачки исчезают.

Интеграл используется для исключения ошибок путем расчета статической погрешности. Главное в этом процессе — подобрать правильный коэффициент, иначе ошибка (рассогласование) будет влиять и на интегральную составляющую.

Третий компонент ПИД — дифференцирующий. Он предназначен для компенсации влияния задержек, возникающих между воздействием на систему и обратной реакцией. Пропорциональный регулятор подает мощность до тех пор, пока температура не достигнет нужной отметки, но при прохождении информации к прибору, особенно при больших значениях, ошибки всегда возникают. Это может привести к перегреву. Дифференциал прогнозирует отклонения, вызванные задержками или воздействием внешней среды, и снижает подаваемую мощность заранее.

Назначение ПИД регулятора

ПИД регулятор предназначен для поддержания на требуемом уровне некой величины — температуры, давления, уровня в резервуаре, расхода в трубопроводе, концентрации чего-либо и т.д., изменением управляющего воздействия на исполнительные механизмы, такие как автоматические регулирующие клапана, используя для этого пропорциональную, интегрирующую, дифференцирующую величины для своей настройки.

Целью использования является получение точного управляющего сигнала, который способен контролировать большие производства и даже реакторы электростанций.

Система управления

Прежде чем переходить непосредственно к пиду, очень важно понять и запомнить несколько базовых понятий, из которых состоит автоматическая система. В первую очередь это регулятор, который всем заправляет и находится в центре системы. Регулятор в данном понимании – математический алгоритм или часть программы, которая крутится на микроконтроллере. Регулятор, как алгоритм, работает с обычными числами. Объект управления – это девайс, которым мы управляем, например печка или мотор. Для этого у нас есть управляющее устройство, например диммируемый тен или драйвер мотора. Управляющее устройство получает от регулятора управляющий сигнал, то есть конкретное число. Это может быть заполнение шим сигнала, от 0 до 255, а может быть угол поворота сервомашинки от 0 до 180, потому что регулятору без разницы чем управлять. В объекте управления у нас стоит датчик, с которого регулятор получает управляемую величину, то есть текущий сигнал с датчика. Это – обратная связь, которая и даёт возможность системе ирчно поддержать заданное значение. В случае с печкой это температура, а с мотором – частота оборотов. Ну и наконец регулятор получает установку (уставку), то есть число, к которому он должен привести текущее значение с датчика. Установка может задаваться каким угодно образом: крутилкой, ползунком, энкодером, кнопками, да хоть смской или голосовым вводом. Регулятору это неважно, для него это просто цифра. Задача регулятора состоит в том, чтобы сравнивать текущее значение с установкой и выдавать управляющий сигнал на управляющее устройство. То есть в программе это будет выглядеть условно так: регулятор получил установку, регулятор получил значение с датчика, регулятор выполнил вычисления и выдал нам управляющий сигнал, опять же число. Если это шим – мы его подаём через функцию генерации шим. Есть ещё один момент – регулятор должен делать расчёты и применять управляющий сигнал через равные промежутки времени, то есть с равным периодом или частотой. Эта частота называется частотой дискретизации системы, а период обозначается как dt, прямо как период интегрирования.

Теория о PID, параметры и как это работает

PID — это аббревиатура из 3 слов:

• Proportional;
• Integral;
• Deriative.

PID — это такая функция в полетном контроллере, которая считывает информацию с датчиков (как правило это гироскоп и акселерометр), обрабатывает и вносит корректировки, а затем отправляет команды регуляторам оборотов (ESC), а они в свою очередь управляют двигателями (быстрее или медленнее им крутиться).

Так вот, самый главный параметр в PID это Proportional. С помощью этого параметра (буду называть параметром) колебания при полете снижаются до минимума.

Колебания — внешние факторы, которые влияют на квадрокоптер в полете (ветер, притяжение и так далее), а также вибрация и дрожание.

В некотором смысле, P пропорциональна степени контроля над осью (под осью понимается PITCH или ROLL или YAW).

Чем меньше Р, тем меньше контроля над осями, чем больше Р, тем больше контроля со стороны этой функции.

Проблема при завышенном параметре Р в том, что он начинает перевыполнять ожидаемый контроль и это начинает приводить к колебаниям.

Качественные регуляторы оборотов (ESC), а также большая скорость вычисления PID-контуров (скрин ниже, помните же такую настройку?) помогает полетному контроллеру гораздо быстрее и эффективнее вносить корректировки в полет для избавления от колебаний.

Скорость обновления PID

А вот I и D участвуют только для исправления оставшихся кусочков ошибок, с которыми не смог или не успел справиться параметр P:

I собирает за Р накопленные ошибки (дрифт), с которыми не справился вовремя Р и исправляет их. Поэтому, если ваш дрон меняет угол наклона после резкой смены положения стика газа (дали резко газ или сбросили), то следует увеличить параметр I. НО, сначала попробуйте увеличить сам Р, вдруг он для вашего дрона слишком низкий и по этому не выполняет свою работу.

D контролирует насколько быстро ось достигает нужного значения. Например, если вы дали квадрокоптеру команду очень быстро остановить двигатели (газ в 0), значение Р при корректировке может проскочить и не внести корректировки. Если вы замечаете такие «симптомы» после резкой смены уровня газа, то увеличение D может помочь снизить колебания, которые возникают сразу после резкой смены уровня газа.

Важно не увеличивать слишком сильно параметр D! Чрезмерное увеличение D приводит к увеличению шума и перегреву двигателей и возможному их возгоранию.

Как настроить PID по шагам

1. Убедитесь, что двигатели сбалансированы и у квадрокоптера нет вибрации настолько, насколько есть возможность ее снизить. Попытка настроить PID без «чистого» гироскопа (балансировка и снижение вибрации делается для того, чтобы гироскоп работал без помех) — это все равно, что строить дом без хорошего фундамента. Это видео расскажет вам о простом способе проверки вибрации. Отрегулируйте настройки низкочастотного фильтра (lowpass filter) по мере необходимости, чтобы достигнуть «чистого» сигнала гироскопа.
2. Важно, чтобы этот шаг выполнялся в режиме Акро, даже если вы всегда летаете в режиме стабилизации/горизонта. Режимы AngleHorizont имеют свои значения и мешают настройке PID. Пример параметров PID ниже соответствует Rewrite PID (PID controller #1). При выполнении этой первоначальной настройки установите значение TPA равным 0. При необходимости TPA может быть добавлен позже.
3. Начинать настройки нужного с маленьких изменений настроек по умолчанию. и начинать нужно с коэффициента Р. Значение Р на Pitch и Roll равное 4.0 будет хорошей отправной точкой.Также, следует снизить I и D у Pitch и Roll для настройки Р с минимальными помехами. Поэтому рекомендуется установить для I — 20, а для D — 5. Для Yaw целесообразно взять значение по умолчанию и разделить на 2. и немного уменьшить значение I, чтобы исключить эту ось в качестве источника колебаний. Yaw настраивается последним.
4. Во время тестовых полетов, увеличивайте параметр Р по оси Roll до тех пор пока не увидите колебания при приближении к полному газу, а также не услышите видимые и слышимые колебания. Затем установите значение параметра Р равным примерно 70% от значения вызвавшего колебания. Теперь думаю понятно, почему без опыта полетов на конкретном квадрокоптере у вас не получится настроить его PID’ы?
5. Повторите шаг 4 для оси Pitch.
6. Проверьте, держит ли квадрокоптер нужный угол наклона Roll и не дрейфует ли он при крене (roll), а затем несколько раз дайте резкий газ вверх и резко отпустите его в 0. Вот тут обратите внимание — угол крена который вы сделали до игры газом не должен существенно меняться. Если угол отклонения кажется вам сильно отклонившимся (дрон начал дрейфовать), увеличьте параметр I. Если все ок и дрейфа нет, не меняйте I. Вы можете поменять «ощущение» своего дрона, подняв или опустив параметр I после достижения хороших настроек PID, так как I не влияет на конечные значения P и D.
7. Повторите шаг 6 для оси Pitch.
8. Параметр D следует увеличивать на каждой оси ТОЛЬКО до такой степени, чтобы он помогал уменьшить отдачу после флипов и роллов (флип — переворот вбок, ролл — переворот «вверх ногами»), а также после колебаний после свободного падения, когда вы делаете газ в 0 и дрон падает, затем запускаете двигатели газом и они начинают как бы проваливаться в воздухе и в этот момент дрон начинает мотать из стороны в сторону. Когда такие проблемы пропадут благодаря увеличению параметра D, снизьте этот параметр до уровня 80-90% от этого уровня.
   

   Примечание: слишком высокое значение параметра D может привести к нагреву двигателей. Чтобы проверить нагрев, нужно полетать 20-30 секунд, приземлиться и проверить руками двигатели. Если сможете держать пальцы на моторах, то они не будут сильно нагреваться.

9. Часто настройка Yaw не нужна, либо она будет минимальной, так как все равно может вызывать колебания, если ничего не делать.
   Начните с Yaw P и проверьте дрон на вибрации как в первом шаге, а также убедитесь, что нет вибраций, если вы дадите резкий и длинный газ или быстрый пролет вперед
   Начните увеличивать Yaw Р с шагом 5 до тех пор, пока не увидите вибрации в видео с камеры при полете вперед или полном газе. После этого немного уменьшите значение.
   Теперь нужно посмотреть данные в blackbox. Возможно, Yaw P будет немного колебаться, поэтому попробуйте увеличить Yaw gyro, чтобы посмотреть, действительно ли колебания доходят до гироскопа. Если Yaw gyro выглядит более менее ровным, то все в порядке.

   Примечание: поскольку yaw по своей природе имеет меньший контроль, нежели pitch и roll, то для этой оси допустимы широкие диапазоны значений. P и I могут быть высокие, а D — низким, это нормально.

10. Теперь нужно настроить соотношение между P и I, то есть, будет ли квадрокоптер при резких поворотах сопротивляться или наоборот проваливаться в эти повороты. Очень низкие значения I приводят к смещению оси через некоторое время. Низкие значения I по оси также позволяют свободно менять положение, но при этом сохранять это положение. Более высокие значения по оси I будут хорошо держать позицию дрона, но могут иметь тенденцию сопротивляться движению + добавляется небольшое движение по инерции. Очень высокие значения приводят к «роботизированным» движениям дрона и создают колебания.
11. После завершения настройки в режиме Акро, можно переходить к настройкам других режимов, например, Horizon (горизонт).

Помните, что не нужно слишком глубоко зарываться в изучение логов Blackbox для настройки идеальных PID. Если квадрокоптер летает хорошо и вас все устраивает, просто идите и летайте

Настраиваем пропорциональный коэффициент

Выставляем дифференциальный и интегральный коэффициенты в ноль, тем самым убирая соответствующие составляющие. Пропорциональный коэффициент выставляем в 1.

Далее нужно задать значение уставки температуры отличное от текущей и посмотреть, как регулятор будет менять мощность обогревателя, чтобы достичь заданного значения. Характер изменения можно отследить «визуально», если у вас получится мысленно представить этот график. Либо можно регистрировать в таблицу измеренное значение температуры каждые 5-10 секунд и по полученным значением построить график. Затем нужно проанализировать полученную зависимость в соответствии с рисунком:

При большом перерегулировании, необходимо уменьшать пропорциональный коэффициент, а если регулятор долго достигает уставки — увеличивать. Так убавляя-прибавляя коэффициент необходимо получить график регулирования как можно ближе к идеальному. Поскольку достичь идеала удастся вряд ли, лучше оставить небольшое перерегулирование (его можно будет скорректировать другими коэффициентами), чем длительное нарастание графика.

Настраиваем дифференциальный коэффициент

Постепенно увеличивая дифференциальную составляющую, необходимо добиться уменьшения или полного исчезновения «скачков» графика (перерегулирования) перед выходом на уставку. При этом кривая должна стать еще больше похожа на идеальную. Если слишком сильно завысить дифференциальный коэффициент, температура при выходе на уставку будет расти не плавно, а скачками (как показано на рисунке).

При появлении таких скачков необходимо прекратить увеличение дифференциального коэффициента.

Настраиваем интегральный коэффициент

При настройке двух предыдущих коэффициентов можно получить практически идеальную кривую регулирования или близкую к ней кривую, удовлетворяющую условиям задачи. Однако, как правило возникает так называемая «статическая ошибка». При этом в нашем примере температура стабилизируется не на заданном значении 25 °С, а на несколько меньшем значении. Дело в том, что если температура станет равной уставке (то есть разность текущей и заданной температур станет равна 0), то пропорциональная и дифференциальная составляющая будут равны нулю ( см. функцию преобразования ПИД-регулятора ). При этом мощность регулятора тоже станет равна 0 и он начнёт остывать.

Для того чтобы исключить этот эффект, используют интегральную составляющую. Её необходимо постепенно увеличивать до исчезновение статической ошибки. Однако, чрезмерное её увеличение тоже может привести к возникновению скачков температуры.

Метод Циглера-Никольса.

• Для начала обнуляем все коэффициенты регулятора (пропорциональный, интегральный и дифференциальный)
• Постепенно начинаем увеличивать пропорциональный коэффициент и следим за реакцией системы. При определенном значении возникнут незатухающие колебания регулируемой величины.
• Фиксируем коэффициент K, при котором это произошло. Кроме того, замеряем период колебаний системы T.

Собственно, на этом практическая часть метода заканчивается. Из полученного коэффициента K рассчитываем пропорциональный коэффициент ПИД-регулятора:

K_п = 0.6cdot K

А из него получаем и остальные:

K_и = (2cdot K_п)medspace/medspace TK_д = (K_пcdot T)medspace/medspace 8

Метод довольно прост, но применить его можно далеко не всегда. Мне еще ни разу не приходилось на практике настраивать регулятор таким образом. Но тем не менее, этот метод является основным и, по большому счету, единственным широко известным. Просто подходит не всем и не всегда.

Что же делать, если метод Циглера-Никольса не сработал? Тут придет на помощь “аналитический” метод настройки

Опять же обнуляем все коэффициенты и начинаем увеличивать пропорциональный. Но теперь не ждем появления колебаний, а просто фиксируем поведение системы для каждого значения коэффициента (отличным вариантом будет построение графика величины, которую необходимо стабилизировать, для каждого значения коэффициента). Если видим, что, например, система очень медленно выходит на нужное значение, увеличиваем пропорциональный коэффициент. Система начинает сильно колебаться относительно нужной величины? Значит, коэффициент слишком велик, уменьшаем и переходим к настройке других составляющих.

Понимая, как работает ПИД-регулятор в целом, и представляя, как должна работать настраиваемая система, можно довольно-таки быстро и точно настроить коэффициенты регулятора. Особенно, если есть возможность построить графические зависимости и визуально следить за поведением системы.

Вот некоторые правила, которые могут помочь при настройке ПИД-регулятора:

• Увеличение пропорционального коэффициента приводит к увеличению быстродействия, но снижению устойчивости системы.
• Увеличение дифференциальной составляющей также приводит к значительному увеличению быстродействия.
• Дифференциальная составляющая призвана устранить затухающие колебания, возникающие при использовании только пропорциональной составляющей.
• Интегральная составляющая должна устранять остаточное рассогласование системы при настроенных пропорциональной и дифференциальной составляющих.

Кстати, стоит добавить, что не всегда необходимо использовать все три составляющие ПИД-регулятора, порой хватает пропорциональной и дифференциальной, например. В общем и целом, все сводится к тому, что для каждой системы необходим свой собственный подход при настройке и использовании ПИД-регулятора.

Составляющие сигнала ПИД-регулятора

Управляющий сигнал, формируемый ПИД-регулятором, сумма трех составляющих:

• Пропорциональной.
• Интегральной.
• Дифференциальной.

Пропорциональная составляющая формируется исходя из разницы заданной величины параметра и его фактического значения. Чем больше отклонение характеристики, тем выше уровень пропорционального сигнала. Устройства, управляющие системой, только по пропорциональному закону называются П-регуляторы.

Основной недостаток такого регулирования – статическая ошибка, которая указывает на величину остаточного отклонения параметра. Пропорциональные регуляторы имеют ограниченную точность.

Для ее устранения введена интегральная составляющая. Она пропорциональна интегралу по времени от отклонения величины контролируемой характеристики.

При отклонении параметра, пропорциональная составляющая возвращает его к прежнему значению. Уровень сигнала на выходе стремится к нулю, однако благодаря статической ошибке, регулируемый параметр не достигает заданной величины. Интегральная компонента обеспечивает компенсацию ошибки и позволяет возвращать характеристику к заданным значениям.

Пропорционально-интегральное управление обладает невысоким быстродействием и не подходит для регулирования динамичных систем. Накопление и суммирование ошибок приводит к росту управляющего сигнала. Система может «пойти в разнос».

Для увеличения быстродействия в конструкцию регулятора введена дифференциальная составляющая. Она увеличивается и уменьшается пропорционально скорости изменения контролируемого параметра.

Таким образом, результирующий сигнал на выходе ПИД-регулятора можно определить из выражения:

где Kp, Ki, Kd – пропорциональный, интегральный, дифференциальный коэффициенты соответственно, e(t) – ошибка рассогласования.

Пример применения ПИД-регулятора в частотно-регулируемом приводе насоса

Схемы преобразователей частоты содержат управляющие контроллеры, которые могут обеспечить работу устройства в режиме ПИ или ПИД-регулятора. Специализированные частотники часто уже имеют предустановленные настройки, которые корректируют после установки оборудования.

На рисунке представлена простейшая ПИД схема управления насосом по давлению. К аналоговым входам подключены датчик, установленный на напорном трубопроводе, и внешнее задающее устройство. Требуемое значение давления также можно задавать в настройках регулятора. При изменении регулируемого параметра на контроллере, сравнивающим сигнал обратной связи с заданным значением, формируется управляющий сигнал.

Преобразователь изменяет производительность насоса путем увеличения или снижения частоты питающего напряжения электродвигателя до тех пор, пока давление в системе не достигнет заданного значения. Таким образом, давление в системе не зависит от расхода.

Приведенная схема сильно упрощена. Частотные преобразователи с ПИД-регулятором могут управлять производительностью по нескольким параметрам. Например, насосы в отопительных системах могут регулироваться по температуре теплоносителя и тепловому режиму на улице и в помещении и давлению.

Преобразователи частоты с функциями ПИД-регулятора применяют также в сложных системах регулирования тягодутьевых систем и других АСУТП.

Примечания и советы

В логах черного ящика высокие колебания P не выглядят как острые пики или большие волны. Эти колебания сначала проявляются в самом верху диапазона газа и выглядят как узкие синусоидные волны. Когда они появляются в логах, их еще не видно визуально или на слух, поэтому при начальной настройке (визуально и на слух) рекомендуется сначала достичь точки визуальных и звуковых колебаний, а затем снизить значения до 70%. К моменту, когда все колебания будут видны визуально или на слух, то в логах это тоже будет отчетливо отображаться.