Como codificar um controlador PID: um guia completo

Aprenda a codificar um controlador PID com este guia abrangente. Entenda os princípios do controle PID, configure seu ambiente, implemente o algoritmo, ajuste o controlador e teste-o com eficiência.

1. Introdução

Um controlador proporcional-integral-derivativo (PID) é um mecanismo de loop eletrônico amplamente empregado em sistemas de controle industrial. Essa malha de controle calcula continuamente um valor de erro como a diferença entre o ponto de ajuste desejado e os valores variáveis do processo medidos e aplica a correção com base em termos proporcionais, integrais e derivativos para obter a estabilidade da malha de controle. Os controladores PID desempenham um papel essencial em aplicações de robótica, sistemas automotivos e controles de processo.

2. Entendendo o controle PID

O controle PID emprega três estratégias separadas de regulação: Proporcional, Integral e Derivada. Proporcional é projetado para produzir saída proporcional aos valores de erro atuais; O Integral rastreia erros passados acumulados ao longo do tempo, enquanto o Derivative prevê erros futuros rastreando as mudanças ao longo do tempo com base em modelos de taxa de mudança; Matematicamente falando, a equação PID se parece com algo como:

$$para este exemplo: urmari u(t) = K_p + E(t) + K_i >Int E(t) dt+ K_d >Int e(t)dt to$$* A saída de controle, E(t), K(P, I e D(K(P, iD, Kd (KP, I, D, Kp, K_p I, Ki e Kd são ganhos proporcionais; Erro (e(t), e os ganhos (P K_p), K_p, I e K(p), conforme descrito anteriormente nesta seção; esses ganhos (K), são ganhos proporcionais, proporcionais, proporcionais, proporcionais, integrais e derivativos, respectivamente; esses ganhos (P, I e K(d), conforme descrito anteriormente nesta página).

3. Configurando o ambiente

Para escrever um controlador PID, ele...#39; s necessário para selecionar e configurar as linguagens de programação e ambientes necessários - como C, Python ou Arduino para implementação de hardware - juntamente com a seleção de quaisquer microcontroladores necessários, como Raspberry Pis.

4. Codificando o controlador PID

Inicializando variáveis: Defina os ganhos de PID e o ponto de ajuste. 2.

Implementando o algoritmo PID (* Cálculos de saída proporcional com base no erro atual).

* Termo Integral: Acumule erros ao longo do tempo para calcular uma saída integral.

* Termo Derivado: Calcule a taxa de variação do erro para chegar à saída derivada.

1. Combinando termos: Ao criar a saída de controle final, combine as saídas proporcionais, integrais e derivadas em um resultado total.

Aqui está um exemplo de trecho de código C:

O controlador PID em C 1.0 Kp, Kd = 0.01 e Ki = 0.1 com Setpoint = 100.0 é configurado de modo a dar Kp = 1, Ki 0.1 e Kd 0.01. Erro anterior = 0,00 e Integral é 0.

5. Teste e depuração

Duplo computePID (entradas duplas), dois termos de erro são definidos: erro = setpoint-input e integral + erro são os mesmos, enquanto sua derivada é igual a erro-previous_error

"Saída dupla = Kp * erro + Ki * integral + Kd * derivadas com uma taxa de erro inicial conforme definido acima e previous_error como taxa de erro anterior e saída de retorno (); " (KD, KN ou KB, conforme apropriado.)..

Ajustando um controlador PID O ajuste do controlador PID envolve o ajuste de K_p, K_i e ganhos K_d para obter a resposta desejada do sistema. Uma abordagem de ajuste comum é usar o método de Ziegler-Nichols, que define os ganhos com base na resposta do sistema à entrada do passo; Dicas práticas podem envolver iniciar pequenos ganhos enquanto os aumenta gradualmente enquanto monitora o comportamento do sistema.

6. Teste e depuração

Testar o controlador PID envolve simulá-lo em um ambiente isolado antes de testar com hardware real para detectar problemas comuns como oscilações, overshooting e tempos de resposta lentos. Depois que esse estágio passa, a depuração envolve o ajuste fino dos ganhos de PID durante a verificação de erros de implementação.

7. Conclusão

Codificar um controlador PID envolve entender seus princípios, configurar seu ambiente, implementar o algoritmo PID, ajustar o controlador e testá-lo antes de prosseguir com o desenvolvimento desse tipo de programa. Seguindo estas etapas, você pode construir com sucesso controladores PID robustos adequados para várias aplicações.

Leitura adicional e recursos

* Noções básicas do controlador PID e tutorial de implementação do Arduino PID

* Implementação do controlador PID usando Arduino: http://backlinko.com/google-e-e-a-t

* Controlador PID em C: Como Implementhttp://boostability.com/resources/google-e-e-a-t-guide/