PID-Regler und PID-Steuerung in Steuerungssystemen
PID-Regelung steht für proportionale-integrale-differenzielle Regelung. PID-Regelung ist ein Rückkopplungsmechanismus, der in einem Regelkreis verwendet wird. Diese Art der Regelung wird auch als Dreigliedrige Regelung bezeichnet und wird durch einen PID-Regler umgesetzt. Durch Berechnung und Steuerung von drei Parametern – dem Proportional-, Integral- und Differenzialanteil, wie sehr sich eine Prozessgröße vom gewünschten Sollwert unterscheidet – können verschiedene Regelaktionen für spezifische Aufgaben erreicht werden.
PID-Regler gelten als die besten Regler in der Familie der Regelkreise. Nicholas Minorsky veröffentlichte das theoretische Analysepaper über den PID-Regler. Für die PID-Regelung besteht das Aktuatorssignal aus dem proportionalen Fehlersignal, das mit dem Differential- und Integral des Fehlersignals addiert wird. Daher lautet das Aktuatorssignal für die PID-Regelung:
Die Laplace-Transformation des Aktuatorssignals, das die PID-Regelung integriert, lautet
Es gibt einige Regelaktionen, die durch die Verwendung von zwei Parametern des PID-Reglers erreicht werden können. Zwei Parameter können funktionieren, während der dritte auf Null gesetzt wird. So wird der PID-Regler manchmal zu PI (proportional-integral), PD (proportional-differential) oder sogar nur P oder I. Der Differenzialterm D ist für Rauschmessungen verantwortlich, während der Integralterm dafür sorgt, den Zielwert des Systems zu erreichen. In früheren Zeiten wurde der PID-Regler als mechanisches Gerät verwendet. Es handelte sich dabei um pneumatische Regler, die mit Luft komprimiert wurden. Mechanische Regler enthalten Federn, Hebel oder Massen. Viele komplexe elektronische Systeme sind mit einem PID-Regelkreis ausgestattet. In modernen Zeiten werden PID-Regler in der Industrie in PLCs (Programmierbare Logiksteuerungen) eingesetzt. Die proportionale, differenzielle und integrale Parameter können als Kp, Kd und Ki ausgedrückt werden. Alle diese drei Parameter haben einen Einfluss auf den geschlossenen Regelkreis. Sie beeinflussen die Anstiegszeit, die Einstellzeit, den Überschwang und auch den Fehler im stationären Zustand
| Regelantwort | Anstiegszeit | Einstellzeit | Überschwang | Fehler im stationären Zustand |
| Kp | abnehmen | geringe Änderung | zunehmen | abnehmen |
| Kd | geringe Änderung | abnehmen | abnehmen | keine Änderung |
| Ki | abnehmen | zunehmen | zunehmen | eliminieren |
PID-Regelung kombiniert die Vorteile der proportionalen, differenzialen und integralen Regelaktionen. Lassen Sie uns diese Regelaktionen kurz besprechen.
Proportionale Regelung: Hier ist das Aktuatorssignal für die Regelaktion in einem Regelkreis proportional zum Fehlersignal. Das Fehlersignal ist der Unterschied zwischen dem Referenzeingangssignal und dem Rückführsignals, das vom Eingang erhalten wird.
Differenziale Regelung: Das Aktuatorssignal besteht aus dem proportionalen Fehlersignal, das mit der Ableitung des Fehlersignals addiert wird. Daher lautet das Aktuatorssignal für die differenzielle Regelaktion
Integrale Regelung: Für die integrale Regelaktion besteht das Aktuatorssignal aus dem proportionalen Fehlersignal, das mit dem Integral des Fehlersignals addiert wird. Daher lautet das Aktuatorssignal für die integrale Regelaktion
Ein PID-Regler hat auch einige Einschränkungen, trotzdem er einer der besten Regler in Regelkreisen ist. Die PID-Regelung ist auf viele Regelaktionen anwendbar, aber sie funktioniert nicht gut bei optimaler Regelung. Der Hauptnachteil ist der Rückkopplungspfad. Dem PID-Regler ist kein Modell des Prozesses vorgegeben. Weitere Nachteile sind, dass die PID-Regelung ein lineares System ist und der Differenzialteil empfindlich gegenüber Rauschen ist. Eine geringe Menge an Rauschen kann große Änderungen im Ausgang verursachen.
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