A Guide to reduction Overshoot on PID Controls (en inglés)

I. introducción al Overshoot y Control PID

Los modernos procesos industriales, aplicaciones tecnológicas y sistemas de automatización se basan en sistemas de control y automatización. Estos sistemas permiten la gestión y regulación con precisión de sistemas dinámicos. Los sistemas pueden ir desde la microelectrónica dentro de los productos de consumo a las operaciones masivas en las plantas de fabricación o infraestructura crítica. En el corazón de muchas estrategias de control exitosas se encuentra el controlador proporcional integral derivado, comúnmente conocido como PID. The PID controller& (en inglés)#El propósito principal de 39;s es medir la variable de proceso, o PV (la medición actual), y compararla con un valor de setpoint (SP), el objetivo deseado. Luego ajusta la entrada del sistema para reducir la diferencia (conocido como error). aunqueControladores PIDPueden ser altamente eficientes en alcanzar este objetivo, no siempre son óptimas. El exceso es un problema común. Cuando la variable de proceso excede su punto de ajuste deseado por un corto tiempo antes de establecerse, se le llama overshoot. El exceso puede ser indeseable, aunque a veces sea inevitable. Esto puede causar inestabilidad y daños mecánicos. También ralentiza el proceso. Entender las causas del rebrote y las técnicas que pueden usarse para minimizarlo son cruciales para lograr un rendimiento óptimo para las aplicaciones PID. Esta guía explorará las causas del exceso de EIP y proporcionará una variedad de estrategias y métodos para reducir este fenómeno indeseable.

II. ¿Por qué ocurre el overshoot en control PID?

La interacción de las ganancias Kp, Ki y Kd (controller's ganancias) determina el comportamiento del sistema controlado por PID. El algoritmo PID está compuesto de muchos términos, cada uno con su propia contribución. Un ajuste inadecuado puede conducir a un exceso y la inestabilidad.

Las respuestas PID se construyen sobre el término proporcional (P). La salida es proporcional al error actual. Si el error es alto, tiene sentido que los términos proporcionales empujarán al sistema a hacer correcciones más rápidas. Las ganancias proporcionales más altas (Kp), que resultan en respuestas más fuertes, pueden ayudar a reducir el error rápidamente. Sin embargo, esta rápida corrección puede ser problemática. Un Kp alto puede causar que la variable de proceso exceda el punto de ajuste si el sistema tiene una inercia inherente o amortigusignificativa. El rebrote es causado por esta característica inherente.

Este término (D) añade una capa adicional de información anticipada. El término derivado (D) calcula la tasa a la cual el error cambia y produce una salida en oposición a esta tasa. Imagine que es una fuerza aplicada para tratar de evitar que la variable en el proceso de direcciones que cambian rápidamente. La fuerza opuesta es como un amortigu. Al evitar que el sistema sobrepase el punto de ajuste, un término D apropiadamente ajustado reducirá significativamente el sobreajuste. El término D suaviza la respuesta y ayuda al sistema a tranquilizarse más suavemente. El término d es muy sensible al ruido. El término d puede aumentar el ruido si las señales del sensor contienen fluctuaciones rápidas. Esto podría conducir a correcciones poco fiables, como la inestabilidad o el exceso. La sensibilidad del sistema de control es crucial y debe ser afinada cuidadosamente.

Integral (I), por otro lado, aborda otro aspecto del error. El término integral calcula el error acumulado. El término integral aumentará la salida del controlador si el error continúa, no importa cuán pequeño. Esto empuja al sistema a trabajar más duro, hasta que se corrige. It is the primary objective of the I-term to remove steady state error and ensure that the process variable reaches its setpoint. The I term, while highly advantageous, can indirectly contribute to overshoot. The integral term, by adding significant driving forces, can overshoot setpoints, particularly if system dynamics prevent the P or D terms from counteracting the integral actions quickly enough. It is more about the accumulation of driving forces over time. However, it can also interact with D and P terms and cause oscillations or overshoot, if Ki becomes too high, or if system dynamics is not understood.

Las características inherentes del proceso de control influyen en gran medida en el comportamiento del PID. Esto incluye overshoot. El orden del sistema (es decir, de primer o segundo orden), su frecuencia natural y la relación de amortiguson factores importantes. El Overshoot es más probable que ocurra en un sistema que tiene baja amortiguy una alta frecuencia natural. Es importante entender estas dinámicas para una sintonía efectiva. Reducir el rebasequilibrcuidadosamente las ganancias de PID si el proceso tiene baja amortiguo es oscilatorio.

III. Centrarse en los métodos de ajuste primario para reducir el overshoot

El Overshoot puede ser dirigido directamente ajustando las ganancias PID, es decir proporcional (Kp), Integral(Ki) y derivada (Kd). Estos parámetros se ajustan para lograr un equilibrio entre respuesta, estabilidad y amortigu. Con el fin de reducir el rebrote, Kp y Ki generalmente se ajustan primero. Ki is then tuned primarily in order to eliminate the steady state error after the system has become reasonably stable.

A menudo, lo primero que hay que hacer es ajustar la ganancia proporcional. Kp reducido reducirá la respuesta del sistema. El sistema puede asentarse más lentamente ralentizándolo. Esto reduce la energía que podría conducir a un exceso. Esto tiene un precio. Un tiempo de respuesta más lento significa que el sistema tardará más en alcanzar su punto de ajuste. Además, reducir Kp podría no eliminar completamente el error de estado estacionario. La ganancia Integral (Ki), que es la diferencia entre la variable de proceso y el valor de setpoint, entra en juego con este error. Kp disminuido reduce P's influencia y a menudo requiere una cuidadosa afinki. La reducción de Kp puede ayudar a amortigula respuesta y reducir el rebrote. Sin embargo, esto no es suficiente para detener el error. Es importante gestionar la compensación.

El derivado (Kd), que es un componente clave en la reducción de overshoot, juega un papel importante. El efecto de amortigudel aumento de Kd se incrementa. D anticiplos errores en el futuro basándose en qué tan rápido cambia el error. El término d genera un cambio que se opone al rápido aumento del error (que a menudo puede ir acompañado de un exceso). Imagínenlo como una fuerza aplicada al sistema que evita su tendencia a rebasarse. La fuerza de oposición amortigua las oscil, suavila la respuesta. Los D-terms reducen el rebasreduciendo principalmente las oscil. Sin embargo, afinkd requiere una cuidadosa consideración. El aumento de Kd mejora la estabilidad del vehículo y disminuye el overshoot. Sin embargo, demasiada acción puede causar otros problemas. Los valores de Kd que son demasiado altos pueden causar que el ruido del sensor se amplifique, resultando en un comportamiento errático. El filtrado de la señal del sensor puede ser necesario porque D es sensible al ruido a altas frecuencias. D reacciona rápidamente a los errores. La sensibilidad de este término es una combinación de una fuerza y una debilidad. El D-term calcula la tasa a la que cambia el error. El D-term producirá una señal de salida grande si el error cambia rápidamente. La señal de salida ayuda a minimizar el overshoot oponiéndose al cambio de error. Sin embargo, si la dirección de error cambia con frecuencia, el término d producirá grandes salidas en sentido contrario, lo que podría conducir a oscile inestabilidad. Es un inconveniente importante. Para evitar esto, ajustar Kd es un proceso delicado. D es muy sensible al ruido a altas frecuencias. El término D amplificará el ruido si las señales del sensor contienen fluctuaciones rápidas. Esto puede conducir a un control poco fiable. El D-term calcula qué tan rápido cambia el error. El término D genera una gran señal de salida si el error aumenta rápidamente. La señal de salida ayuda a minimizar el overshoot oponiéndose al cambio de error. Sin embargo, si la dirección de error cambia con frecuencia, el término d producirá grandes salidas en sentido contrario, lo que podría conducir a oscile inestabilidad. Es un inconveniente importante. Afinkd requiere un ajuste cuidadoso. D es muy sensible al ruido a altas frecuencias. El término D amplificará el ruido si las señales del sensor contienen fluctuaciones rápidas. Esto puede conducir a un control poco fiable. A veces es necesario filtrar la señal del sensor. D-term calcula la tasa de cambio de error. El término D genera una gran señal de salida si el error aumenta rápidamente. La señal de salida ayuda a minimizar el overshoot oponiéndose al cambio de error. Sin embargo, si la dirección de error cambia con frecuencia, el término d producirá grandes salidas en sentido contrario, lo que podría conducir a oscile inestabilidad. Es un inconveniente importante. Afinkd requiere un ajuste cuidadoso. D es muy sensible al ruido a altas frecuencias. El término D amplificará el ruido si las señales del sensor contienen fluctuaciones rápidas. Esto puede conducir a un control poco fiable. A menudo, el filtrado de la señal del sensor se hace necesario. D-term calcula la tasa de cambio de error. El término D genera una gran señal de salida si el error aumenta rápidamente. La señal de salida ayuda a minimizar el overshoot oponiéndose al cambio de error. Sin embargo, si la dirección de error cambia con frecuencia, el término d producirá grandes salidas en sentido contrario, lo que podría conducir a oscile inestabilidad. Es un inconveniente importante. Afinkd requiere un ajuste cuidadoso. D es muy sensible al ruido a altas frecuencias. El término D amplificará el ruido si las señales del sensor contienen fluctuaciones rápidas. Esto puede conducir a un control poco fiable. Puede ser necesario filtrar la señal del sensor. D-term calcula la tasa de cambio de error. El término D genera una gran señal de salida si el error aumenta rápidamente. La señal de salida ayuda a minimizar el overshoot oponiéndose al cambio de error.