Pokusím se trochu rozšířit své zkušenosti pro ty, které by to mohlo zajímat. Myslím, že problém je v tom, že máme spoustu teorie řízení, která je poněkud nepřístupná (a někdy nepoužitelná), a pak máme pravidla, která vytvářejí předpoklady o systémech, které jsou často nepřesné.
Stabilita
Především si řekněme, proč se regulační smyčky stávají nestabilními. Pro tuto diskusi budu předpokládat lineární systém. Neformálně to znamená, že pokud je řídicím signálem sinusovka o dané frekvenci, pak je váš pozorovaný výstup o stejné frekvenci a pokud změníte amplitudu řídicího systému, váš výstup reaguje ve stejném poměru. Tento předpoklad je dobrou aproximací pro mnoho reálných systémů a umožňuje nám podívat se na různé frekvence izolovaně.
Podíváte-li se na dráhu řízení, máte žádanou hodnotu, váš PID regulátor, váš systém (neboli „závod“) a pak váš senzor. Představte si pevnou žádanou hodnotu a sinusový průběh z vašeho snímače (ten se rovná rušení v reálném světě na snímači, které je přiváděno zpět). V nestabilním systému vaše zpětná vazba způsobuje, že regulační smyčka chybu spíše zesiluje, než aby ji snižovala, takže s rostoucím časem roste vaše amplituda. Důvodem, proč k tomu dochází, je zpoždění nebo pro tuto konkrétní frekvenci fázový posun mezi vstupem a výstupem. Pro danou frekvenci se můžeme podívat na tento posun v otevřené smyčce (tj. bez zpětné vazby) a amplitudu výstupu, a když je všechny nakreslíme do grafu, dostaneme něco jako Bodeho graf. Pokud máme v tomto grafu otevřené smyčky situaci, kdy se chyba stále zesiluje, pak máme nestabilní systém. Pokud je zpoždění menší než 1/2 vlnové délky nebo zesílení menší než x1, bude systém stabilní. V praxi chceme mít od tohoto bodu určitou rezervu (rezervu zesílení a fázovou rezervu), což je důvod, proč se s tímto „couváním“ setkáte u mnoha manuálních/heuristických metod.
Hlavním problémem těchto manuálních metod je, že letíte naslepo a prakticky zaručeně dostanete špatný řídicí systém.
Také mějte na paměti, že význam P, I a D souvisí s tím, co váš senzor měří a jaké řízení používáte. Častou chybou u podomácku sestavených regulátorů je, že si lidé myslí, že aplikují P, i když tomu tak ve skutečnosti není. Regulátory motoru mají často polohovou smyčku, která běží přes rychlostní smyčku běžící přes momentovou smyčku. (Kaskáda)
OK, ale jak nám to pomůže?
Prvním bodem, který bych rád uvedl, je, že pokud sestavujete vlastní PID regulátor, měli byste také vytvořit způsob měření odezvy otevřené smyčky. Proveďte frekvenční rozptyl na vstupu vašeho regulátoru a změřte výstup senzoru s odpojenou zpětnou vazbou. Pak můžete nakreslit Bodeho graf otevřené smyčky a zjistit, proč je váš systém stabilní, a budete moci vyměňovat různé regulace. Je také užitečné změřit odezvu uzavřené smyčky a můžete to udělat s jakýmkoli systémem tak, že provedete frekvenční rozmítání požadované hodnoty, když je smyčka uzavřená. Obojí není tak těžké a nevyžaduje mnoho teoretických znalostí.
Pokud pouze upravujete ovládací prvky, aniž byste rozuměli tomu, co se děje pod kapotou, nebudete schopni svůj systém optimalizovat. Vybudovat si určitou intuici o těchto systémech není tak těžké. Např. proporcionální zesílení nemá žádný vliv na fázi, ale jednoduše zvyšuje zesílení otevřené smyčky na všech frekvencích. Takže to, co děláte, když zvyšujete proporcionální zesílení ve všech těchto metodách ručního ladění, je hledání frekvence, kde fáze přechází na -180. Podívejte se na tento obrázek, abyste si udělali lepší představu o vlivu různých ovládacích prvků na frekvenční odezvu.
Dost často dosažení nejlepšího výkonu v uzavřené smyčce zahrnuje vyladění systému, a ne pouze zisků regulátorů. Jde vám o to, aby byl systém co nejvíce „tuhý“. To vám umožní zvýšit parametry regulace a získat nejlepší šířku pásma v otevřené i uzavřené smyčce. Podle mých zkušeností v aplikacích řízení motorů je proporcionální zesílení to, které by mělo odvádět většinu „práce“, a integrátor „zbytek“. Myslím, že člen D vůbec nepotřebujete. Mít dolní propust a zářezový filtr hodně pomáhá v situacích, kdy můžete mít nějakou mechanickou rezonanci, ale jejich nastavení bez Bodeho grafu je velmi obtížné (frekvence oscilací, kterou pozorujete v uzavřené smyčce, může být jiná než v otevřené smyčce).
Pokud jde o bezpečnost (velmi výkonné motory nebo systém, který by mohl být zničen tím, že se motor vymkne kontrole), musíte před zahájením ladění zavést nějaké limity (např. omezení proudu, maximální chyba polohy), abyste systém ochránili. Pak je třeba získat nějaký cit pro rozsah parametrů. Pokud má vaše zpětná vazba 40 počtů na otáčku nebo 4000 počtů na otáčku, budou vaše parametry pro daný systém činitelem 100. Můj přístup by byl nejprve najít rozsah, kde máte nějakou špatnou regulovatelnost, a pak od něj začít s P a pak I (i když opět letíte naslepo). Couvání vytváří tuto rezervu stability.
Za uzavřenou smyčkou
Zavřená smyčka se pokouší odstranit chybu ze systému. Vždy bude mít poněkud omezený výkon. To, co chcete udělat, je minimalizovat chybu, kterou váš regulátor v uzavřené smyčce vidí, a jedním ze způsobů, jak toho dosáhnout, je technika zvaná feed forward. Při feed-forwardu obcházíte regulátor a řídíte příkaz přímo do systému. Příkladem může být zrychlení feed-forward. Pokud znáte konstantu točivého momentu motoru a znáte zátěž, můžete v podstatě říci, jak velký proud musíte řídit, abyste dosáhli určitého zrychlení zátěže. Jednoduše vezmete vstupní příkaz zrychlení, vynásobíte jej konstantou a přičtete k příkazu pohonu regulátoru. V podstatě děláte to, co by bylo potřeba k pohonu systému, kdyby neexistoval žádný regulátor, a čím více se tomu přiblížíte, tím menší chybu musí vaše smyčka odstranit a tím lépe bude váš systém fungovat. V praxi je to obrovský rozdíl.