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Regolazione PID per principianti: tutto quello che c'è da sapere

La regolazione PID per principianti è pensata per chi desidera comprendere meglio la regolazione PID senza perdersi in concetti tecnici complessi.

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Regolazione PID per principianti: tutto quello che c'è da sapere

Che tu sia un tecnico o uno studente nel campo della strumentazione, questo articolo vuole essere una risorsa che ti guiderà alla scoperta del regolatore PID.
Scoprirai la genesi della regolazione, i meccanismi di funzionamento del PID, l'importanza della regolazione PID in diversi settori industriali e consigli per ottimizzare il tuo processo.

Punti chiave

  1. Il regolatore PID è parte integrante dei sistemi di regolazione della temperatura industriale in un gran numero di settori e applicazioni.
  2. L'obiettivo principale di un regolatore PID è il confronto tra un valore di riferimento e la misura del processo al fine di ridurre al minimo l'errore.
  3. Le impostazioni corrette dei regolatori di temperatura PID possono influire notevolmente sulle prestazioni del processo.
  4. Ottenere una spiegazione dei termini PID, tutto o niente, banda proporzionale, derivata, integrale, loop, setpoint e molti altri concetti correlati vi consentirà di sfruttare appieno la potenza del vostro sistema PID.
Stabilità e prestazioni del vostro sistema

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storia del regolatore PID

Storia del regolatore PID

È difficile parlare della regolazione PID senza accennare alla sua storia. All'inizio del XX secolo, Nicolas Minorsky osservò che le navi non riuscivano a mantenere una rotta costante nonostante i continui sforzi del personale di pilotaggio.

Minorsky mise quindi a punto una soluzione adeguata alle esigenze: l'uso di un controller automatico che, sfruttando le differenze tra la direzione desiderata e quella effettiva, era in grado di regolare il timone per garantire una navigazione più fluida.

Questo fu alla base della nascita della regolazione PID, che ebbe un effetto determinante sul controllo dei processi industriali.

nascita della regolazione PID fr
circuito di regolazione per forno per ceramica fr

Il principio di funzionamento

Per comprendere facilmente il funzionamento di un regolatore PID, consideriamo un esempio semplice e comune di circuito di regolazione della temperatura di un forno per ceramica con un regolatore di temperatura PID PXF.

La temperatura all'interno del forno deve essere mantenuta a un valore di riferimento costante , ad esempio 800 °C.

regolazione semplice di base fr

Invece di un semplice sistema di regolazione tutto o niente (il forno è acceso o spento), il regolatore di temperatura PID manterrà questa temperatura costante per evitare uno scostamento che potrebbe deteriorare la qualità del prodotto all'interno del forno.

sistema a circuito aperto

Ecco come funziona.

L'inizio del processo di regolazione implica una sonda di temperatura a termocoppia che monitora la temperatura all'interno del forno.

schema funzionale equivalente
risposta del sistema a circuito chiuso o aperto fr

Questa misura di temperatura viene confrontata con la temperatura impostata (800 °C in questo esempio).

sistema a circuito chiuso fr

La differenza tra questi due valori, chiamata errore, viene inviata al controller PID che formula un'azione correttiva sull'uscita per attenuare tale errore. L'uscita del regolatore di temperatura PID comanda quindi il regolatore di potenza SCR fornendo la potenza ottimale all'elemento riscaldante del forno per correggere la differenza.

qualità una buona regolazione fr

Questa correzione è il prodotto di tre funzioni o grandezze: i termini Proporzionale (P), Integrale (I) e Derivato (D) formano insieme l'acronimo PID (Proporzionale Integrale Derivato).

proporzionale integrale derivata fr
proporzionale p

Proporzionale (P)

L'azione proporzionale equivale a moltiplicare l'errore per un coefficiente proporzionale (Kp). Questa azione provoca la regolazione dell'uscita del regolatore in modo che sia proporzionale all'errore. Pertanto, se l'errore o il disturbo è grande, anche la correzione sarà importante e viceversa.

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Integrale (I)

L'azione integrale mira ad eliminare l'errore persistente accumulando gli errori passati e integrandoli nel tempo. Questa azione avvicina progressivamente il sistema al setpoint regolando l'uscita in base all'errore integrato. Il coefficiente integrale (Ki) determina l'influenza di questa componente.

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Derivato (D)

L'azione derivata riguarda il tasso di variazione dell'errore. Questa azione predittiva consente al sistema di reagire a eventi futuri sulla base delle tendenze osservate. Il coefficiente derivato (Kd) regola l'influenza di questa azione per un controllo migliore.

regolazione regolatore PID

Regolazione di un regolatore PID

La regolazione di un regolatore proporzionale integrale derivativo può sembrare complicata, ma è essenziale per garantire il corretto funzionamento del processo. Ciascuno dei parametri di regolazione, P, I e D, influisce sul modo in cui il regolatore reagisce alle variazioni di valore del processo.

Una corretta regolazione, secondo le raccomandazioni dellanorma ISO 60546-1, può migliorare sensibilmente la stabilità e le prestazioni del sistema.

Tuttavia, regolazioni errate possono invece causare oscillazioni, sovraeccitazioni e sottoregolazioni, compromettendo la qualità del controllo del processo.

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Scoprite i regolatori di temperatura PID PXF

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Metodo di Ziegler-Nichols

Il metodo Ziegler-Nichols è un approccio ben noto per la regolazione dei parametri di un regolatore PID.

Questo metodo consiste nel far oscillare il sistema o il processo regolando il guadagno proporzionale (Kp) fino a raggiungere il limite di stabilità.

Il periodo di oscillazione e il guadagno critico vengono quindi utilizzati per determinare i coefficienti proporzionale (Kp), integrale (Ki) e derivativo (Kd) ottimali.

Sebbene questo metodo sia pratico per una prima regolazione dei parametri PID, è importante notare che l'ottimizzazione del sistema di regolazione può richiedere ulteriori aggiustamenti. Tali aggiustamenti dipenderanno dalla risposta desiderata e dai vincoli specifici del processo.

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Limiti della regolazione PID

Se il vostro sistema presenta un'instabilità intrinseca o se prevalgono altri problemi quali ritardi, disturbi, pressioni esterne, ecc., allora un regolatore P, I, D può solo attenuarli e non eliminarli completamente. A volte è utile rivedere la progettazione del processo o optare per la tecnologia di regolazione della temperatura con logica fuzzy.

limiti della regolazione PID due versioni fr

Domande frequenti sulla regolazione PID

Che cos'è un circuito chiuso nella regolazione PID?

In un circuito chiuso, le informazioni sullo stato attuale del processo vengono costantemente rinviate al regolatore PID.

Utilizza queste informazioni per apportare una correzione al suo output e mantenere così il processo il più vicino possibile al valore di riferimento.

Questo meccanismo migliora notevolmente la precisione nella gestione delle variabili di processo, consentendo una regolazione più rigorosa e una maggiore stabilità.

Inoltre, i sistemi a circuito chiuso contribuiscono efficacemente a contrastare le perturbazioni esterne, riducendo al minimo le fluttuazioni indesiderate.

Cosa significa il termine "tutto o niente" nella regolazione?

Tutto o niente indica una modalità di controllo in cui il sistema è attivo al 100% o completamente spento. Non esistono livelli di funzionamento intermedi.

Quali sono gli svantaggi della regolazione tutto o niente rispetto alla regolazione PID?

  1. Mancanza di precisione: contrariamente alla regolazione PID che regola con precisione la potenza per raggiungere e mantenere la temperatura desiderata, la regolazione tutto o niente opera solo con stati estremi (acceso al 100% o spento). Questo metodo tende a generare un superamento dell'obiettivo di temperatura prima di stabilizzarsi, creando così fluttuazioni piuttosto che la stabilità ottenuta con un controllo PID.
  2. Oscillazioni di temperatura: la modalità di funzionamento tutto o niente comporta oscillazioni più marcate della temperatura intorno al setpoint. Questa fluttuazione può essere dannosa per i processi che richiedono una regolazione precisa e costante della temperatura.
  3. Usura delle apparecchiature: l'accensione e lo spegnimento frequenti delle apparecchiature nell'ambito di una regolazione tutto o niente sollecitano maggiormente i componenti meccanici ed elettrici, riducendone potenzialmente la durata rispetto a un funzionamento più delicato consentito dalla regolazione PID.
  4. Consumo energetico: sebbene la regolazione tutto o niente possa sembrare più efficiente dal punto di vista energetico a causa dei periodi di inattività, i frequenti cicli di accensione/spegnimento possono in realtà comportare un consumo energetico più elevato nel lungo periodo, in particolare nei casi in cui il sistema consuma molta energia all'avvio. La regolazione PID, grazie alla sua regolazione precisa, tende a ottimizzare il consumo energetico.
  5. Risposta alle perturbazioni: la regolazione tutto o niente può rivelarsi meno efficace in caso di perturbazioni improvvise del processo (ad esempio, l'apertura di una porta in una stanza climatizzata) poiché può rispondere solo accendendosi o spegnendosi, mentre la regolazione PID può regolare proporzionalmente l'energia applicata per compensare rapidamente la perturbazione.

 

In sintesi, la regolazione tutto o niente può essere adattata per applicazioni semplici e meno esigenti.

Tuttavia, per un controllo preciso ed efficace della temperatura, in particolare in ambienti industriali o per processi critici, i regolatori PID: la soluzione per migliorare i vostri processi industriali offrono vantaggi significativi in termini di stabilità, efficienza energetica e protezione delle apparecchiature.

Che cos'è la banda proporzionale nella regolazione PID?

La banda proporzionale è l'intervallo di valori all'interno del quale il regolatore passa dallo stato spento allo stato di piena potenza (e viceversa) in una regolazione proporzionale. È la parte della regolazione PID che reagisce in funzione dello scarto tra il valore che si desidera ottenere e il valore attuale. Maggiore è lo scarto, maggiore è la correzione apportata.

Che cos'è la banda integrale nella regolazione PID?

La banda integrale è la parte della regolazione PID che si accumula nel tempo. Se lo scostamento persiste, anche se minimo, questa correzione continuerà ad aumentare fino a quando lo scostamento non sarà corretto.

Che cos'è la derivata nella regolazione PID?

L'azione derivata nella regolazione PID è la parte che reagisce alla velocità di variazione dello scarto. Essa cerca di prevedere l'andamento futuro di tale scarto e di apportare una correzione preventiva per ridurre al minimo le variazioni troppo rapide.

Dove si possono utilizzare i regolatori PID?

I vantaggi dei regolatori PID nell'industria sono numerosi. Nell'industria farmaceutica, la regolazione della temperatura è fondamentale, così come nell'industria agroalimentare (ad esempio: garantire la qualità della produzione nei forni da panificio o regolare la temperatura dei forni per pizza), nell'industria automobilistica (ad esempio, ridurre il consumo energetico delle cabine di verniciatura), nei laboratori (ad esempio, garantire la qualità dei materiali durante i test sui materiali automobilistici), nelle macchine speciali come le macchine per l'imballaggio o migliorare la qualità nella lavorazione delle materie plastiche con regolatori di temperatura, in particolare per:

 

  • La regolazione della temperatura
  • Controllo della portata e della velocità dei fluidi
  • Il monitoraggio del livello
  • La regolazione della pressione

E molte altre applicazioni con sistemi di regolazione della temperatura.

impostazioni errate
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