| Особенности реализации ПИД-регуляторов | |
| Автор: student | Категория: Технические науки / Автоматизация | Просмотров: 1742 | Комментирии: 0 | 01-01-2014 22:45 |
Особенности реализации ПИД-регуляторов
ПИД-регулятор и его модификации являются теоретиче¬скими идеализациями реальных регуляторов, поэтому для их практического воплощения необходимо учесть особенности, порождаемые реальными услови¬ями применения и технической реализации. К таким особенностям относятся:
1.конечный динамический диапазон изменений физических переменных в си¬стеме (ограниченная мощность нагревателя)
2.ограниченная точность измерений, что требует специальных мер для вы¬полнения операций дифференцирования с приемлемой погрешностью;
3.наличие практически во всех системах типовых нелинейностей: насыщение, ограниче¬ние скорости нарастания, гистерезис и люфт;
4.технологический разброс и случайные вариации параметров регулятора и объекта;
5.дискретная реализация регулятора;
6.необходимость плавного (безударного) переключение режимов регулиро¬вания.
Методы решения перечисленных проблем:
1.Погрешность дифференцирования и шум
Суть проблемы заключает¬ся в том, что производная вычисляется обычно как разность двух близких по величине значений функции, поэтому относительная погрешность производной всегда оказывается больше, чем относительная погрешность численного пред¬ставления дифференцируемой функции.
В частности, если на вход дифференциатора поступает синусоидальный сигнал Asin(wt), то на выходе получим Acos(wt), т.е. с ростом частоты и уве¬личивается амплитуда сигнала на выходе дифференциатора. Иначе говоря, дифференциатор усиливает высокочастотные помехи, короткие выбросы и шум. Если помехи, усиленные дифферен¬циатором, лежат за границей рабочих ча¬стот ПИД-регулятора, то их можно осла¬бить с помощью фильтра верхних частот.
Кроме шумов дифференцирования, на характеристики ПИД-регулятора влияют шумы измерений. Через цепь обратной связи эти шумы поступают на вход системы и затем проявляются как дисперсия управляющей перемен¬ной и. Высокочастотные шумы вредны тем, что вызывают ускоренный износ трубопроводной арматуры и электродвигателей.
2.Погрешности интегрирования
Интегральное насыщение возникает в процессе выхода системы на режим в регуляторах с ненулевой постоянной интегрирования Ти ≠0. Инте¬гральное насыщение приводит к затягиванию переходного процесса.
Аналогичный эффект возникает вследствие ограничения пропорциональ¬ного и интегрального члена ПИД-регулятора
Суть проблемы интегрального насыщения состоит в том, что если сигнал на входе объекта управления u(t) вошел в зону насыщения (ограничения), а сигнал рассогласования r(t) – y(t) не равен нулю, интегратор продолжает интегрировать, т.е. сигнал на его выходе растет, но этот сигнал не участвует в процессе регулирования и не воздействует на объект вследствие эффекта на-сыщения.
W1-верхнее насыщение; w2-нижнее
3.Безударное переключение режима
Может возникнуть такая ситуация, когда в работающей системе потребовалось после ручного управления систе¬мой перейти на автоматический режим. Могут появиться нежелательные выбросы регулируемой величины, если не принять специальных мер. Поэтому возникает задача плавного («безударного») пере¬ключения режимов работы или параметров регулятора.
Основной метод решения проблемы заключается в построении такой струк¬туры регулятора, когда изменение параметра выполнятся до этапа интегри-рования.
ПИД-регулятор и его модификации являются теоретиче¬скими идеализациями реальных регуляторов, поэтому для их практического воплощения необходимо учесть особенности, порождаемые реальными услови¬ями применения и технической реализации. К таким особенностям относятся:
1.конечный динамический диапазон изменений физических переменных в си¬стеме (ограниченная мощность нагревателя)
2.ограниченная точность измерений, что требует специальных мер для вы¬полнения операций дифференцирования с приемлемой погрешностью;
3.наличие практически во всех системах типовых нелинейностей: насыщение, ограниче¬ние скорости нарастания, гистерезис и люфт;
4.технологический разброс и случайные вариации параметров регулятора и объекта;
5.дискретная реализация регулятора;
6.необходимость плавного (безударного) переключение режимов регулиро¬вания.
Методы решения перечисленных проблем:
1.Погрешность дифференцирования и шум
Суть проблемы заключает¬ся в том, что производная вычисляется обычно как разность двух близких по величине значений функции, поэтому относительная погрешность производной всегда оказывается больше, чем относительная погрешность численного пред¬ставления дифференцируемой функции.
В частности, если на вход дифференциатора поступает синусоидальный сигнал Asin(wt), то на выходе получим Acos(wt), т.е. с ростом частоты и уве¬личивается амплитуда сигнала на выходе дифференциатора. Иначе говоря, дифференциатор усиливает высокочастотные помехи, короткие выбросы и шум. Если помехи, усиленные дифферен¬циатором, лежат за границей рабочих ча¬стот ПИД-регулятора, то их можно осла¬бить с помощью фильтра верхних частот.
Кроме шумов дифференцирования, на характеристики ПИД-регулятора влияют шумы измерений. Через цепь обратной связи эти шумы поступают на вход системы и затем проявляются как дисперсия управляющей перемен¬ной и. Высокочастотные шумы вредны тем, что вызывают ускоренный износ трубопроводной арматуры и электродвигателей.
2.Погрешности интегрирования
Интегральное насыщение возникает в процессе выхода системы на режим в регуляторах с ненулевой постоянной интегрирования Ти ≠0. Инте¬гральное насыщение приводит к затягиванию переходного процесса.
Аналогичный эффект возникает вследствие ограничения пропорциональ¬ного и интегрального члена ПИД-регулятора
Суть проблемы интегрального насыщения состоит в том, что если сигнал на входе объекта управления u(t) вошел в зону насыщения (ограничения), а сигнал рассогласования r(t) – y(t) не равен нулю, интегратор продолжает интегрировать, т.е. сигнал на его выходе растет, но этот сигнал не участвует в процессе регулирования и не воздействует на объект вследствие эффекта на-сыщения.
W1-верхнее насыщение; w2-нижнее
3.Безударное переключение режима
Может возникнуть такая ситуация, когда в работающей системе потребовалось после ручного управления систе¬мой перейти на автоматический режим. Могут появиться нежелательные выбросы регулируемой величины, если не принять специальных мер. Поэтому возникает задача плавного («безударного») пере¬ключения режимов работы или параметров регулятора.
Основной метод решения проблемы заключается в построении такой струк¬туры регулятора, когда изменение параметра выполнятся до этапа интегри-рования.