Обзор литературы

В работе [Mauris] рассмотрено соотношение между доверительным интервалом и доверительной вероятностью для случая очень ограниченной исходной информации, при малом числе измерений и унимодальной плотности распределения; в [Angrisani] найдена оценка математического ожидания и дисперсии погрешности при косвенных измерениях со случайной коррелированной погрешностью, в том числе для нелинейных моделей измерения. Путем моделирования методом Монте-Карло показано, что погрешность предложенного аналитического метода оценки погрешности составляет около 0,5%. В работе [Kondakci] предложен алгоритм усреднения результатов многократных измерений для восстановления сигнала, подаваемого для измерения сопротивления кожи человека. В [Layer] разработан метод оценки класса точности средств измерений по динамической погрешности независимо от формы измеряемого сигнала. В статьях [Shestakov, Schoen, Nabielec] исследованы методы коррекции динамической погрешности, позволяющие снизить динамическую погрешность измерительных преобразователей и датчиков. В [Ghiani] предлагается вместо аналитического метода расчета случайной составляющей погрешности в автоматизированных системах измерений использовать метод Монте-Карло. В серии метрологических инструкций [МИ - МИ] приводятся полезные для практики сведения, касающиеся измерительных систем средств автоматизации.

5. ПИД-регуляторы

ПИД-регулятор был изобретен еще в 1910 году [Bertocco]; позже, в 1942 г., Зиглер и Никольс разработали методику его настройки [Ziegler], а после появления микропроцессоров в 80-х годах развитие ПИД-регуляторов происходит нарастающими темпами. Общее количество публикаций по ПИД-регуляторам за 9 лет с 1973 по 1982 г. составило 14 шт., с 1983 по 1992 г. - 111 шт., а за период с 1998 по 2002 год (за 4 года) - 225 шт. [O'Dwyer]. На одном только семинаре IFAC (International Federation of Automatic Control) в 2000 г. было представлено около 90 докладов, посвященных ПИД-регуляторам [Quevedo]. Количество патентов по этой теме, содержащихся в патентной базе данных [The] в январе 2011 г. составило 284 шт.

ПИД-регулятор относится к наиболее распространенному типу регуляторов. Около 90...95% [Bertocco, Astrom] регуляторов , находящихся в настоящее время в эксплуатации , используют ПИД алгоритм. Причиной столь высокой популярности является простота построения и промышленного использования, ясность функционирования, пригодность для решения большинства практических задач и низкая стоимость. Среди ПИД-регуляторов 64% занимают одноконтурные регуляторы и 36% - многоконтурные [Li]. Контроллеры с обратной связью охватывают 85% всех приложений, контроллеры с прямой связью - 6%, контроллеры, соединенные каскадно - 9% [Li].

ПИД-регулятор использует пропорционально-интегрально-дифференциальный закон регулирования. ПИД-регулятор, воплощенный в виде технического устройства, называют ПИД-контроллером. ПИД-контроллер обычно имеет дополнительные сервисные свойства автоматической настройки, сигнализации, самодиагностики, программирования, безударного переключения режимов, дистанционного управления, возможностью работы в промышленной сети и т д.

После появления дешевых микропроцессоров и аналого-цифровых преобразователей в ПИД-регуляторах используется автоматическая настройка параметров, адаптивные алгоритмы, методы нечеткой логики, генетические алгоритмы. Усложнились структуры регуляторов: появились регуляторы с двумя степенями свободы, с применением принципов разомкнутого управления в сочетании с обратной связью, со встроенной моделью процесса.

Несмотря на долгую историю развития и большое количество публикаций, остается много проблем в вопросах устранения интегрального насыщения, при регулировании в контурах с гистерезисом, нелинейными объектами и транспортной задержкой; практические реализации ПИД-контроллеров не всегда содержат антиалиасные фильтры, граничная частота фильтра часто выбрана неправильно, чрезмерный шум и внешние возмущения затрудняют настройку параметров. Проблемы усложняются тем, что в современных системах управления динамика часто неизвестна, регулируемые процессы нельзя считать независимыми, измерения сильно зашумлены, нагрузка непостоянна, технологические процессы непрерывны.

Часть проблем возникает по причине сложности эксплуатации. Во многих ПИД-контроллерах дифференциальная компонента выключена только потому, что ее трудно правильно настроить. Пользователи пренебрегают процедурой калибровки, недостаточно глубокие знания динамики регулируемого процесса не позволяют правильно выбрать параметры регулятора. В результате 30% регуляторов, используемых в промышленности, настроены неправильно [Leva]. Поэтому основные усилия исследователей в настоящее время сосредоточены на поиске надежных методов автоматической настройки регуляторов, как встроенных в ПИД контроллер, так и функционирующих на отдельном компьютере [Денисенко - Денисенко].

На российском рынке ПИД контроллеры наиболее хорошо представлены продукцией фирм ABB, Foxboro, Honeywell, Yokogawa, Toshiba, Siemens, Omron, Контравт, Овен, RealLab!.

Ниже рассмотрены регуляторы для медленных, одномерных и устойчивых (преимущественно тепловых) процессов, которые наиболее распространены в системах промышленной автоматизации.