ПИД - регулирование

Вот схемка, которую набросал Котище.

Очень хочется получить комментарии - описания работы этой схемы.
Котище, не сочти за труд. Просвети, не дай умереть в невежестве.
Руди, надеюсь и ты присоединишься.
Все, кто может помочь выбраться из трясины незнания, протяните руку!

Разумеется, можно гуглить, можно углубиться в литературу.. Но кто лучше коллеги - самогонщика сможет объяснить непонятное?

Для себя сначала отмечу. Это схема чисто аналоговая, компараторы включены в режиме конечного усиления, поэтому на выходе тоже аналоговый сигнал.

Как я понял, эта схема вносит изменения в форму управляющего сигнала с целью оптимизации управляющего воздействия. Каждая из ветвей вносит изменение по своему.

Вот отсюда хочется деталей. Что и как делает каждая ветка?
Вижу три усилителя, охваченных отрицательной обратной связью.

Нижний - классика. Коэффициент усиления задан соотношением резисторов цепи ООС (кстати - как?)
Два других - в них резисторы заменены конденсаторами.
Кто расскажет как работают эти цепи?

Всем спасибо.

http://www.pidregulator.com/

http://roboforum.ru/...ПИД-алгоритмах" . Недостающие рисунки можно взять из орининала http://www.embedded.com/2000/0010/0010feat3.htm .

http://d.17-71.com/2006/10/26/pidtrankotr/

http://members.vicard.net/sensor/main1_10.htm

Операционник, это такая штука, которая старается поддерживать между своими входами нудевую разность потенциалов.

Верхняя ветка - интегральная.
При привышении входного сигнала над уставкой dU, через входной резистор начинает течь ток, пропорциональный разности потенциалов. Этот ток заряжает конденсатор и на нем начинает рости напряжение. Соответственно напряжение на выходе какскада линейно растёт со временем и скорость роста пропорциональна dU (является интегралом dU по времени), а каскад называется "идеальный интегрирующий каскад".

Средняя ветка - диференциальная.
При изменении входного напряжения на dU, операционник патается скомпенсировать разность потенциалов на своих входах.
Для этого он начинает заряжать конденсатор через резистор обратной связи. Чем больше скорость изменения входного напряжения тем больше потребный компенсирующий ток через резистор, тем больше напряжение на выходе.
Напряжение на ваходе пропорционально производной входного напряжения, а каскад называется "идеальный диференцирующий каскад".

Нижня ветка - классика - пропорциональный.
Входное dU вызывает падение на входном резисторе, и пропорциональный ток через резистор.
Через резистор обратной связи течёт тот же самый ток, но т.к. его сопротивление другое, то и падение напряжения другое (прпорциональное величине резистора). Этот каскад называется "идеальный инвертирующий усилитель".

Справа - взвешивающий сумматор.
Т.к. операционник держит на своем входе потенциал постоянным, эта схема "развязывает" входы, т.е. разные источники сигнала не чувствуют влияния друг друга, а вклад в напряжение на выходе каждого напряжения на входе пропорционален входному взвешивающему резистору.

У этой схемы правда есть одна засада. Колонна/куб очень инерционны, что требует больших постоянных времени от ПИД схемы, что требует использовать конденсаторы и резисторы большого номинала, что сильно повышает капризность данной схемы (чувствительность к утечкам и наводкам). Алгоратмы с большими постоянными времени, имхо, лучше (проще) реализовывать на микроконтроллере/компьютере, там проще учитывать погрешности и бороться с ними.

Пропорциональный (П) - это когда сигнал обратной связи (управления) пропорционален отклонению. Такая система регулирования всегда дает небольшую ошибку регулирования (см. ссылки).

Для устранения этой ошибки ставится интегратор (И). На его выходе напряжение непрерывно растет, если есть хоть небольшая ошибка (интеграл от ошибки по времени). Добавление этого сигнала позволяет свести ошибку регулирования к нулю.

Но такая система, при подходе к правильному значению, дает большое переколебание (выброс) и может быть нестабильной - все время колебаться около нужного значения. Для устранения выброса и переколебаний добавляется сигнал, пропорциональный скорости подхода к нужному значению - т.е. производной (дифференциалу) от сигнала рассогласования (Д). Это уменьшает выброс и стабилизирует регулятор.

Коэффициенты введения этих компонент в сигнал управления должны тщательно подбираться в соответствии с параметрами обекта регулирования. Это сложная задача, особенно для объектов с большой инерционностью и запаздыванием реакции.

Коэффициенты введения этих компонент в сигнал управления должны тщательно подбираться в соответствии с параметрами обекта регулирования. Это сложная задача, особенно для объектов с большой инерционностью и запаздыванием реакции.
Rudy, 27 Февр. 09, 10:23

Действительно, ПИД - это классика регулирования, но требует для каждого конкретного объекта регулирования нахождения (чаще всего эмпирического) коэффициентов всех трех составляющих. Если коэффициенты пропорциональной и дифференциальной части еще как-то можно прикинуть, то коэффициент интегральной части определяется экспериментально по времени реакции объекта на единичное воздействие. Мне в своем термостате пришлось отказаться от использования интегральной части, а ошибку компенсировать нахождением параметров устоявшегося режима, то есть как бы адаптацией под объект. Но это только для теплового процесса или аналогичного.

Ребята, в поисках алгоритмов управления отбором, я поигрался с управлением на VBasic. В порядке чистого эксперимента.
Управляя широтой импульсов, подающихся на ТЭНы, пытался поддерживать некоторую температуру на стенке утепленной пленочной колонны.
Сначала сделал чистую "П" систему. Изменял широту импульсов питания ТЭНов пропорционально отклонению температуры от заданного значения. Температуру выбрал далёкой от точки кипения, чтобы исключить стабилизирующее влияние естественных факторов.

В результате получил красивую синусоиду температуры с амплитудой градуса два. Период и амплитуда этой синусоиды зависели от коэффициента влияния. После достаточно долгих экспериментов понял, что так ничего не выйдет.

Воспользовался дилетантским приёмом. Переформатировал задачу а аналогичную, для которой есть готовое решение.
Я еду на автомобиле за удаляющимся объектом. Задача - ехать на определенном расстоянии за ним.
Моделирую ситуацию.

Заметил, что расстояние увеличивается. Что буду делать?
1. Увеличу нажатие на педаль газа до тех пор, пока не замечу, что расстояние уменьшается.
2. Сохраню нажатие на этом уровне.
3. При приближении к заданному месту начну сбрасывать газ, чтобы с разгону не пролететь заданную точку.

Это правильное управление, подходящий алгоритм. Теперь осталось откатить аналогию назад - нажатие педали превратить в изменение ширины импульса и всё это влупить в мою управляющую программу.

Для сантехника это перегрузка, мозги закипают. Если бы не хреновуха, выкипели бы полностью.

Это правильное управление, подходящий алгоритм. Теперь осталось откатить аналогию назад - нажатие педали превратить в изменение ширины импульса и всё это влупить в мою управляющую программу.Игорь, 02 Марта 09, 11:41

Несовсем! Скорость света очень велика, ты вражий автомобиль видишь издалека и почти безинерционно.
Твой автомобил, тоже обладает очень малой инерционностью - запаздыванием реакции на управляющий параметр.
В случае колонны это не так, она очень инерционна и будучи охвачена обратной связью может попадать в колебательный режим.

Аналогия с автомобилем - довольно верная. Только представь, что при гонке за другим автомобилем, твои колеса поворачиваются через 3 секунды после поворота руля? Ну или мощность двигателя изменяется через 3 секунды после изменения положения педали? Вот тут-то не обойтись без дифференциальной компоненты - опережающей реакции, но и она будет плохо помогать.

Ты взял слишком сложную задачу для начала. Начать лучше с гораздо более простой задачи - стабилизации температуры в баке. С виду - элементарно, но реально эта задача отнюдь не проста. Вот тут ты сразу увидишь как влияют коэффициенты. Только лучше начинать с большим отклонением и смотреть и подход и стабилизацию.

А у колонны, по сравнению с нагревом бака, есть еше один параметр - задержка. Это не просто инерция, как в баке, это отсроченная реакция. И вот она-то и является самым вредним для ПИДа.

Для сантехника это перегрузка, мозги закипают. Если бы не хреновуха, выкипели бы полностью.
Игорь, 02 Марта 09, 11:41

А ты их дистилируй! 

Для Rudy

Ты взял слишком сложную задачу для начала. Начать лучше с гораздо более простой задачи - стабилизации температуры в баке.

Стабилизировать температуру в баке, конечно можно, но до температуры кипения имеющейся смеси при заданном давлении. А далее можно только стабилизировать количество производимого пара но не температуру.

Для RudyСтабилизировать температуру в баке, конечно можно, но до температуры кипения имеющейся смеси при заданном давлении. А далее можно только стабилизировать количество производимого пара но не температуру.CoBell, 03 Марта 09, 04:01

Ты не понял. Игорь сейчас занимается изучением поведения различных способов регулирования с использованием компа. Это не реальная задача, это что-то вроде упражнения. Греть можно до любой температуры, кипение вовсе не нужно.

Изучение - изучением, но я никогда не веду экспериментов без практической пользы. Зачем терять время? Никогда не гоняю колонну на воде или на ведре воды со стаканом водки.
Вот и сейчас изучение процесса идет на конкретной задаче - полуперегонка-полуректификация браги на двухтарельчатой колонне пленочного типа с паровым отборои и управлением не по подаче воды, а по подаче мощности в куб.

Так что одновременно и изучение малоизвестных способов управления, и изучение ШИМ ПИД вариантов, и одновременно самогон капает. Уже накапало 22 литра сырца 80%, ужасно вонючего. Осталось всего 35-40 литров браги, так что сегодня вечером эта серия экспериментов будет - к сожалению - завершена.

А у колонны, по сравнению с нагревом бака, есть еше один параметр - задержка. Это не просто инерция, как в баке, это отсроченная реакция. И вот она-то и является самым вредним для ПИДа.Rudy, 02 Марта 09, 14:38

Нужен не просто ПИД, а ещё нужна "модель колонны" адекватно реагирующая на управляющее воздействие. Давать команду на престройку одновременно на колонну и на модель, потом смотреть рассогласование...
И ещё, человек он не всегда реализует просто замкнутую петлю регулирования.
Как правило он имеет опыт, на основании которого выполняет калиброванное воздействие, ровно столько сколько надо, чтобы привести систему сразу в нужное состояние.

И ещё, человек он не всегда реализует просто замкнутую петлю регулирования.
Как правило он имеет опыт, на основании которого выполняет калиброванное воздействие, ровно столько сколько надо, чтобы привести систему сразу в нужное состояние.
Kotische, 03 Марта 09, 16:10

Красиво сказано. Я бы назвал это предвидением. Человек, используя накопленный опыт реакции системы на различные возмущения производит адекватные воздействия на систему, с целью удержания ее в нужном состоянии.
Научить автомат предвиденью - задача практически невыполнимая, поэтому в автомат встраивается модель реальной системы.

Действительно, ПИД - это классика регулирования, но требует для каждого конкретного объекта регулирования нахождения (чаще всего эмпирического) коэффициентов всех трех составляющих. Если коэффициенты пропорциональной и дифференциальной части еще как-то можно прикинуть, то коэффициент интегральной части определяется экспериментально по времени реакции объекта на единичное воздействие.

Четвертой составляющей является период следования импульсов. Он компенсирует инерционность системы. Для малоинерционных он маленький, а для инерционных - большой. Думаю, что в таких системах он составит порядка 10 секунд. А длина импульса (широтного) вычисляется по ПИД-алгоритму. Обычно эти алгоритмы реализуются программно на контроллерах ! И задаются все 4 параметра. Только необходимо учесть какой используется механизм регулирования - интегральный или нет ! Работа таких контроллеров проверена на промышленных спиртозаводах. Работают отлично ! Качество спирта улучшилось многократно (по ГОСТ).

Влад, вроде все спиртозаводы работают по нормальной технологии и производят нормальный спирт. А куда-же он девается, интересно? В магазинах вся водка, "коньяки", наливки и т.д. - на исключительном дерьме сделана.

Может высококачественный спирт теперь в автомобили заливают? Или он весь на экспорт идет?

Извиняюсь за оффтоп, но интересно поговорить с человеком со спиртозавода.

На спиртозаводах не работал, но автоматику для них делал не один год. Практика есть и могу поделиться кое-каким опытом. Особенно в применении контроллеров для управления ректификацией.

Расскажи, интересно.

Что конкретно ? Опыт всей спиртовой промышленности показывает, что альтернативы контроллерам пока нет. Они применяются повсеместно. Один недостаток - дороговато, но КАЧЕСТВО возрастает. Даже в быту стиралки, холодильники, микроволновки и т.д. все на основе контроллеров сделаны.
А ПИД регулирование реализуется элементарно. Ни на каких микросхемах его так не соберешь. Игорь здесь не прав ! На спиртовых колоннах по этому закону держат температуру верха и низа, давление там же, отбор спирта, подачу охлаждающей воды и т.д. Десятки каналов управления по всей ректификации. У Вас задача более простая, но её надо правильно сформулировать !

То что контроллеры это круто мы и так знаем. Схемы и исходники в студию.

Если задача последовательной ректификации более проста ( а она таковой и является), то сформулируй ее, как ты это видишь. Вполне возможно, новый взгляд на форуме расширит границы наших устремлений.
Итак, какие каналы, какое регулирование, какие параметры?