Kontroler, lub jak ktoś woli regulator PID , w dosłownym tłumaczeniu z języka angielskiego, to kontroler proporcjonalno – całkująco – różniczkujący („Proportional, Integral, Derivative controller”). Ciekawa nazwa prawda? Mnie również na samym początku przygody z automatyką ta nazwa niewiele mówiła. Oczywiście słyszałem i spotkałem się z samą nazwą regulatora PID, lecz obcowanie z tym zagadnieniem zaczynało i jednocześnie kończyło się tylko na nazwie. Intuicyjnie rozumiałem jego rolę oraz skutek działania, lecz nie rozumiałem w pełni jego budowy oraz zasady działania. Mogłem jedynie na bazie doświadczeń oraz licznych prób, próbować przewidzieć skutek jego działania.
Podejrzewam, że większość początkujących, ale również wielu dojrzałych już automatyków nie wykorzystuje 100% możliwości regulatora PID. Nawet śmiem twierdzić, że duża część z nich nie rozumie jego działania – potrafią za to, podobnie jak ja kiedyś, przewidzieć jedynie skutek jego działania. W poniższym artykule postaram się przedstawić regulator PID oraz omówić zasadę jego działania bazując na wieloletnim doświadczeniu związanym z aplikowaniem, oraz wdrażaniem systemów regulacji we wszelkiej maści aplikacji napędowych: od sterowania temperaturą, przez stałe utrzymywanie ciśnienia wody, po kontrolę wilgotności czy naprężenia materiału.
Zarys historyczny regulatora PID
Mało kto wie, że pierwsze regulatory skojarzone były z pneumatyką, a do ich szybkiego rozwoju przyczyniła się II Wojna Światowa. Warto sięgnąć do korzeni. Za pierwszy regulator uważa się odśrodkowy regulator kulowy Jamesa Watta (tak, tego od maszyny parowej – rok 1788).
Było to pierwsze urządzenie mechaniczne oparte na sygnale zwrotnym z możliwością regulacji proporcjonalnej (wzmocnienia). Następnym kamieniem milowym było wprowadzenie przez firmę Taylor Instrument Company pierwszego regulatora pneumatycznego, umożliwiającego dostrajanie proporcjonalne (rok 1933, model Fulscope 56R).
Pierwszy regulator proporcjonalno – całkujący wprowadza w roku 1935 firma Foxboro. Był to regulator pneumatyczny (Model 40). Kompletny regulator PID wprowadza w 1940 roku firma Taylor – Fulscope 100, pierwszy pneumatyczny pełny regulator PID zrealizowany w pojedynczym urządzeniu. W 1942 roku John G. Ziegler oraz Nathaniel B. Nichols – oboje z firmy Taylor, publikują swoje słynne metody doboru nastaw Zieglera – Nicholsa. Podyktowane to było potrzebą dokonywania optymalnych nastaw regulatorów pneumatycznych, które stabilizowały ruchy serwomechanizmów broni artyleryjskiej.
Te same regulatory odpowiedzialne również były za produkcję gumy syntetycznej, paliwa lotniczego, czy uranu, który następnie posłużył do budowy bomby atomowej. Wszyscy dziś kojarzymy ów słynne metody nastaw – warto pamiętać, że pryncypialnym powodem ich powstania były liczne potrzeby wojenne. Niestety po raz kolejny potwierdza się, iż nawet najgorszy konflikt zbrojny przyczynia się do rozwoju techniki.
Kolejny przełom nastąpił już w latach pięćdziesiątych XX wieku – pojawiły się pierwsze regulatory elektroniczne, oparte na technice lampowej (seria Autronic). Kilka lat później powstaje pierwszy regulator, oparty na konstrukcji półprzewodnikowej (1959). Niespełna dwadzieścia lat później (1975) powstaje kontroler T200 – pierwszy regulator PID oparty na mikroprocesorze. Rok później na rynku pojawia się pierwsza cyfrowa implementacja regulatora PI oraz PID.
Pneumatyczny regulator PID
Regulacja PID. Czy to taka innowacja?
Gdy słyszę lub czytam liczne teksty dostępne w jakże licznych masowych dzisiaj środkach przekazu, często spotykam się ze stwierdzeniami: ” Regulacja PID – innowacyjność”, lub „Nowoczesne metody regulacji procesami – PID”, powiem szczerze, dosyć mocno się uśmiecham, gdyż jak sami już się dowiedzieliście, regulatory PID mają ponad stuletnią historię (w roli ścisłości, gdybyśmy mieli odnieść się do implementacji cyfrowych – 50-letnia historia). Jak można nazwać innowacyjnym coś , co zostało wynalezione kilkadziesiąt lat temu?
Podobnie sytuacja się ma z fotowoltaiką – Albert Einstein wyjaśnił zjawisko fotoelektryczne już w 1905 roku, wprowadzając pojęcie kwantów światła (nie dało się tego zjawiska wyjaśnić na poziomie fizyki klasycznej). Doświadczalnie, tezę Einsteina udowodnił dopiero dziesięć lat później Millikan. Sam Einstein zaś otrzymał za to odkrycie nagrodę Nobla w 1921 roku. Dziś mówimy, że produkcja prądu za pomocą słońca to jedna z najbardziej innowacyjnych metod. Prawie 120 lat później ludzkość zaczyna czerpać garściami korzyści z odkrycia Einsteina, lecz nie nazwałbym tej metody innowacyjną – raczej udoskonaloną i coraz bardziej powszechnie dostępną. Oczywiście sam Einstein również bazował na odkryciach innych (o czym mało kto pamięta):
- Heinrich Hertz (1887 rok),
- Aleksandr Stoletow (1888 rok),
- J.J. Thomson (1899 rok),
- Philipp Lenard (1902 rok).
Osobiście za odkrywcę tego zjawiska uważam Hertza, który niestety opublikował swoje wyniki, które potwierdzały istnienie zjawiska, lecz nie analizował tego zagadnienia – ograniczył się jedynie do publikacji swoich badań (z czego skorzystali inni, w tym Einstein). Jak widzicie, regulator PID czy fotowoltaika to zagadnienia znane nam od wielu, wielu lat. W moim odczuciu sięganie do historii, samych korzeni mocno pomaga w zrozumieniu całości zagadnienia. Bo przecież wstyd się przyznać, będąc automatykiem, że nie zna się metody doboru nastaw Zieglera – Nicholsa, znali je przecież operatorzy broni artyleryjskiej podczas II Wojny Światowej.
Kontynuacja artykułu znajduje się na stronie Dawida Wróblewskiego dwimotion.pl
Prostym językiem zostało wytłumaczone jak działa regulacja PID.
