В рамках отладки системы управления двигателем требовалось обеспечить стабильное поддержание заданных оборотов с использованием ПИД-регулятора и ШИМ-управления исполнительным механизмом.

При тестировании системы наблюдалась некорректная работа контура регулирования. Для выявления причин была выполнена проверка схемы, параметров ПИД-регулятора и алгоритма формирования управляющего сигнала.

Анализ схемы

Проверка показала, что причина нестабильной работы связана не с алгоритмом ПИД-регулирования как таковым, а с настройкой системы и согласованием сигналов между функциональными блоками.

В ходе анализа были выявлены следующие особенности.

Масштабирование выходного сигнала ПИД

Выход ПИД-регулятора формировался в нормированном диапазоне 0…1.

При этом сигнал напрямую передавался на блок формирования ШИМ, работающий в диапазоне 0…100%.

В результате максимальное значение выхода ПИД воспринималось системой как минимальное управляющее воздействие, что не позволяло исполнительному механизму развивать требуемый уровень управления.

Для устранения проблемы было выполнено масштабирование выходного сигнала ПИД-регулятора перед подачей на блок ШИМ.

Настройка параметра LL

В используемой реализации ПИД-регулятора параметр LL применялся для масштабирования уставки и сигнала обратной связи.

В исходной конфигурации значение параметра не соответствовало фактическому диапазону регулируемой величины, что приводило к некорректному вычислению ошибки регулирования.

Для корректной работы системы параметр был приведён в соответствие с реальным диапазоном оборотов двигателя.

Период выполнения ПИД-регулятора

Отдельное внимание было уделено периоду выполнения алгоритма регулирования.

ПИД-регулятор должен работать синхронно с циклом выполнения программы управления. Некорректно выбранный период приводит к ухудшению динамических характеристик системы и снижению качества регулирования.

Коэффиценты ПИД

В ходе анализа было установлено, что исходные коэффициенты регулятора приводили систему к колебательному режиму.

Для получения устойчивой апериодической характеристики были подобраны новые значения коэффициентов.

Полученные параметры:

• Kp = 2.5
• Ki = 0.3
• Kd = 0.0

Моделирование

Перед внедрением решения была выполнена проверка на программной модели двигателя.

Параметры модели:

• мощность двигателя — 1 кВт;
• максимальная скорость — 1000 об/мин;
• постоянная времени объекта — 0,3 с;
• период дискретизации — 0,1 с;
• нормированный управляющий сигнал — 0…1.

Модель представляла собой апериодическое звено первого порядка и использовалась для проверки устойчивости алгоритма регулирования.

После внесения изменений была проведена серия испытаний.

В ходе моделирования получены следующие результаты:

• обеспечено устойчивое поддержание заданной скорости;
• отсутствует перерегулирование;
• отсутствуют автоколебания;
• обеспечена плавная реакция на изменение задания;
• система сохраняет устойчивость во всём диапазоне испытаний.

Для тестового режима с заданием 500 об/мин:

• установившаяся скорость составила 499–500 об/мин;
• статическая ошибка практически отсутствует;
• время выхода на установившийся режим составило около 6 секунд.

Полученные переходные процессы подтвердили апериодический характер регулирования и корректную работу ПИД-регулятора.

Практические рекомендации

По результатам испытаний для аналогичных задач рекомендуется:

• начинать настройку с отключённой интегральной и дифференциальной составляющей;
• подбирать коэффициент Kp до появления признаков колебаний;
• после этого постепенно вводить коэффициент Ki для устранения статической ошибки;
• использовать Kd только при наличии подтверждённой необходимости и после анализа качества сигнала обратной связи;
• выполнять согласование диапазонов между всеми функциональными блоками системы управления.

Результат проекта

Выполненная настройка позволила восстановить корректную работу системы регулирования оборотов двигателя.

Испытания на программной модели подтвердили возможность точного поддержания заданной скорости без колебаний и перерегулирования, а также показали устойчивую работу алгоритма при различных режимах моделирования.

Полученные результаты могут использоваться в качестве основы для дальнейшей настройки системы на реальном объекте.