I. UVOD
V industrijski avtomatizaciji in načrtovanju krmilnih sistemov sta krmilnik PID (proporcionalni-integralni-diferencialni krmilnik) in krmilnik PWM (krmilnik s širinsko modulacijo impulza) dve pogosto uporabljeni strategiji krmiljenja. Čeprav lahko oba realizirata natančno krmiljenje sistema, obstajajo pomembne razlike v načelu, uporabi in značilnostih krmiljenja. V tem članku bosta krmilnik PID in krmilnik PWM primerjana in podrobno analizirana, da bi razkrila razlike med njima.
II. Pregled PID regulatorja
PID krmilnik je krmilni algoritem-na osnovi povratne informacije, sestavljen iz treh regulacijskih členov proporcionalnega (P), integralnega (I) in diferencialnega (D). Meri razliko med izhodno vrednostjo nadzorovanega objekta in želeno vrednostjo (tj. napako), nato pa obdela napako v skladu s tremi krmilnimi izrazi P, I in D, da dobi izhod krmilnika. Načelo PID krmilnika temelji na povratni regulaciji napake in ima sposobnost prilagajanja, tako da lahko dinamično prilagaja krmilne parametre glede na dejansko stanje.
Načelo
Načelo PID regulatorja temelji na povratni regulaciji napake. Najprej izmeri izhodno vrednost nadzorovanega predmeta in jo nato primerja z želeno vrednostjo, da dobi napako. Nato se napaka obdela glede na proporcionalne, integralne in diferencialne krmilne člene, da se pridobi izhod krmilnika. Med njimi je sorazmerni krmilni člen sorazmeren z napako in se uporablja za hitro zmanjšanje napake; integralni krmilni izraz se uporablja predvsem za odpravo kumulativne napake in za boljšo stabilnost sistema; člen diferencialne regulacije prilagodi izhod regulatorja glede na stopnjo spremembe napake, zaradi česar je odziv sistema hitrejši in zmanjša prekoračitev.
Aplikacije
PID krmilniki se pogosto uporabljajo v krmilnih sistemih industrijske avtomatizacije, krmiljenju elektronske opreme, robotiki in drugih področjih. V sistemih za nadzor temperature krmilniki PID prilagajajo izhod opreme za ogrevanje ali hlajenje, da stabilizirajo nadzorovano temperaturo blizu želene vrednosti z natančnim merjenjem razlike med nadzorovano in želeno temperaturo. V robotiki se krmilniki PID običajno uporabljajo za nadzor položaja, kjer se meri razlika med dejanskim in želenim položajem robota in prilagodi izhod robotovega aktuatorja, da se doseže natančen nadzor položaja. Poleg tega se PID krmilniki pogosto uporabljajo pri krmiljenju motorjev, krmiljenju pretoka in na drugih področjih.
Krmilne značilnosti
PID regulator ima možnost samo-prilagoditve in lahko dinamično prilagodi regulacijske parametre glede na dejansko stanje. Lahko se hitro odzove v stabilnem stanju in se lahko upre zunanjim motnjam in sistemskim spremembam. Poleg tega ima PID regulator tudi značilnosti natančnega nadzora in visoke stabilnosti, ki lahko uresničijo natančen nadzor sistema.
III. Pregled krmilnika PWM
Krmilnik PWM je krmilna strategija, ki nadzoruje povprečno raven izhodnega signala s prilagajanjem delovnega cikla impulzov. Nadzoruje želeni izhod z občasnim vklapljanjem in izklapljanjem napajanja, pri čemer nadzoruje razmerje med časom preklopa in časom izklopa. Krmilniki PWM se pogosto uporabljajo v aplikacijskih scenarijih, kjer je treba simulirati neprekinjene signale, kot je krmiljenje hitrosti enosmernega motorja, prilagajanje svetlosti LED, zvočni ojačevalniki itd.
Načelo
Načelo krmilnika PWM je krmiljenje napetosti in toka v vezju s spreminjanjem širine impulzov. Pri signalu PWM traja visoka raven dlje, nizka pa krajše, s čimer se spremeni izhodna moč v vezju. Natančneje, ko je signal PWM visok, se stikalo v vezju odpre in tok teče skozi breme; ko je signal PWM nizek, se stikalo zapre in tok preneha teči. Zato je mogoče s spreminjanjem razmerja med časom visoke in nizke ravni signala PWM uresničiti nadzor napetosti in toka v vezju.
Aplikacije
Krmilniki PWM se običajno uporabljajo v aplikacijskih scenarijih, kjer je treba simulirati neprekinjene signale, kot so krmiljenje hitrosti enosmernega motorja, prilagoditev svetlosti LED in zvočni ojačevalniki. V teh aplikacijah lahko krmilniki PWM natančno nadzirajo povprečno raven izhodnega signala s prilagoditvijo delovnega cikla impulzov in tako realizirajo natančen nadzor naprave.
Krmilne značilnosti
Krmilnik PWM je zelo občutljiv na frekvenco preklopa signala in delovni cikel ter lahko natančno nadzoruje povprečno raven izhoda. Lahko se hitro odzove in prilagodi izhod, vendar nima zmožnosti samo-prilagajanja. Prednosti krmilnika PWM so preprosti in intuitivni, enostavni za implementacijo in nizki stroški, primerni za nekatere scenarije uporabe, ki ne zahtevajo visoke natančnosti krmiljenja.
IV. Primerjava PID krmilnika in PWM krmilnika
Načelna primerjava
PID regulator temelji na principu povratne regulacije napake, z merjenjem razlike med izhodno vrednostjo krmiljenega objekta in želeno vrednostjo (tj. napako), nato pa glede na proporcionalne, integralne in diferencialne krmilne izraze na obdelavo napak, izhod regulatorja. Po drugi strani krmilnik PWM krmili napetost in tok v vezju s spreminjanjem širine impulzov, da se realizira nadzor povprečne ravni izhodnega signala.
Primerjava aplikacij
PID krmilniki so primerni za scenarije uporabe, ki zahtevajo natančen nadzor in stabilnost, kot so nadzor temperature, nadzor položaja, nadzor hitrosti itd. Krmilniki PWM se običajno uporabljajo v aplikacijah, ki zahtevajo analogne neprekinjene signale, kot je nadzor hitrosti enosmernega motorja, prilagoditev svetlosti LED, zvočni ojačevalniki itd. Ker krmilniki PWM nimajo prilagodljive zmogljivosti, morda niso primerni v nekaterih aplikacijah, ki zahtevajo visoko natančnost krmiljenja.
Primerjava krmilnih karakteristik
PID regulator ima možnost samo-prilagoditve in lahko dinamično prilagodi regulacijske parametre glede na dejansko stanje. Lahko se hitro odzove v stabilnem stanju in je odporen na zunanje motnje in sistemske spremembe. Poleg tega PID krmilnik odlikuje natančna regulacija in visoka stabilnost. Po drugi strani pa je krmilnik PWM zelo občutljiv na frekvenco preklopa signala in delovni cikel ter lahko natančno nadzoruje povprečno raven izhoda. Vendar pa nima zmožnosti samo-prilagoditve in ne more dinamično prilagajati kontrolnih parametrov glede na dejansko stanje sistema. Zato ima lahko nekatere omejitve v nekaterih aplikacijah, ki zahtevajo visoko natančnost nadzora.
V. Zaključek.
Če povzamemo, obstajajo pomembne razlike med krmilnikom PID in krmilnikom PWM v smislu principa, uporabe, značilnosti krmiljenja itd. Krmilnik PID temelji na principu povratne regulacije napake, za katero so značilni samo-prilagodljiva sposobnost, natančen nadzor in visoka stabilnost ter je primeren za scenarije uporabe, ki zahtevajo natančno krmiljenje in stabilnost. Po drugi strani krmilnik PWM nadzoruje povprečno raven izhodnega signala s spreminjanjem širine impulza, kar ima prednosti, da je preprosto, intuitivno, enostavno za implementacijo in nizko ceno ter je primerno za nekatere scenarije uporabe, ki ne zahtevajo visoke natančnosti krmiljenja. Pri izbiri krmilnika, ki ga bomo uporabili, je treba temeljito pretehtati glede na posebne zahteve aplikacije in cilje nadzora.