I. ÚVOD
V průmyslové automatizaci a návrhu řídicích systémů jsou dvě běžně používané řídicí strategie PID regulátor (proporcionální -integrální-diferenciální regulátor) a PWM regulátor (regulátor s pulzní šířkovou modulací). Přestože oba mohou realizovat přesné řízení systému, existují značné rozdíly v principu, použití a regulačních charakteristikách. V tomto článku budou podrobně porovnány a analyzovány PID regulátor a PWM regulátor, aby se odhalily rozdíly mezi nimi.
II. Přehled PID regulátoru
Regulátor PID je regulační algoritmus{0}}založený na zpětné vazbě, který se skládá ze tří regulačních členů proporcionálních (P), integrálních (I) a diferenciálních (D). Měří rozdíl mezi výstupní hodnotou řízeného objektu a požadovanou hodnotou (tj. chybou) a následně chybu zpracovává podle tří regulačních členů P, I a D pro získání výstupu regulátoru. Princip PID regulátoru je založen na zpětnovazební regulaci chyby a má schopnost adaptace, takže dokáže dynamicky upravovat regulační parametry podle aktuální situace.
Princip
Princip PID regulátoru je založen na zpětnovazební regulaci chyby. Nejprve změří výstupní hodnotu řízeného objektu a poté ji porovná s požadovanou hodnotou pro získání chyby. Potom se chyba zpracuje podle proporcionálních, integrálních a diferenciálních regulačních členů, aby se získal výstup regulátoru. Mezi nimi je proporcionální řídicí člen úměrný chybě a používá se k rychlému snížení chyby; integrální řídicí člen se používá hlavně k odstranění kumulativní chyby a ke zvýšení stability systému; diferenciální regulační člen upravuje výstup regulátoru podle rychlosti změny chyby, což zrychluje odezvu systému a snižuje překmit.
Aplikace
PID regulátory jsou široce používány v průmyslových automatizačních řídicích systémech, řízení elektronických zařízení, robotice a dalších oborech. V systémech regulace teploty upravují PID regulátory výkon topných nebo chladicích zařízení tak, aby stabilizovaly řízenou teplotu blízko požadované hodnoty přesným měřením rozdílu mezi řízenou teplotou a požadovanou teplotou. V robotice se PID regulátory běžně používají pro řízení polohy, kdy se měří rozdíl mezi skutečnou a požadovanou polohou robota a nastavuje se výstup akčního členu robota tak, aby bylo dosaženo přesné regulace polohy. Kromě toho jsou PID regulátory široce používány v řízení motorů, řízení průtoku a dalších oblastech.
Řídicí charakteristiky
PID regulátor má schopnost samo{0}}adaptace a může dynamicky upravovat regulační parametry podle aktuální situace. V ustáleném stavu může rychle reagovat a odolat vnějším poruchám a změnám systému. Kromě toho má PID regulátor také vlastnosti přesného řízení a vysoké stability, které mohou realizovat přesné řízení systému.
III. Přehled PWM regulátoru
PWM regulátor je řídicí strategie, která řídí průměrnou úroveň výstupního signálu úpravou pracovního cyklu impulsů. Řídí požadovaný výstup periodickým zapínáním a vypínáním napájení, řízením poměru doby sepnutí k době vypnutí. Regulátory PWM jsou široce používány v aplikačních scénářích, kde je třeba simulovat spojité signály, jako je regulace rychlosti stejnosměrného motoru, nastavení jasu LED, zesilovače zvuku a tak dále.
Princip
Principem PWM regulátoru je řídit napětí a proud v obvodu změnou šířky impulsů. V PWM signálu trvá vysoká úroveň déle a nízká úroveň trvá kratší dobu, čímž se mění výstupní výkon v obvodu. Konkrétně, když je signál PWM vysoký, spínač v obvodu se otevře a proud protéká zátěží; když je signál PWM nízký, spínač se sepne a proud přestane téct. Změnou poměru doby vysoké a nízké úrovně signálu PWM lze tedy realizovat řízení napětí a proudu v obvodu.
Aplikace
Regulátory PWM se běžně používají v aplikačních scénářích, kde je třeba simulovat spojité signály, jako je řízení rychlosti stejnosměrného motoru, nastavení jasu LED a zesilovače zvuku. V těchto aplikacích mohou PWM regulátory přesně řídit průměrnou úroveň výstupního signálu úpravou pracovního cyklu pulzů, čímž realizují přesné ovládání zařízení.
Řídicí charakteristiky
PWM regulátor je velmi citlivý na frekvenci spínání signálu a pracovní cyklus a dokáže přesně řídit průměrnou úroveň výstupu. Dokáže rychle reagovat a upravit výstup, ale nemá schopnost sebe-adaptace. výhody PWM regulátoru jsou jednoduché a intuitivní, snadná implementace a nízké náklady, vhodné pro některé aplikační scénáře, které nevyžadují vysokou přesnost regulace.
IV. Porovnání PID regulátoru a PWM regulátoru
Principiální srovnání
PID regulátor je založen na principu zpětnovazební regulace chyby, měřením rozdílu mezi výstupní hodnotou řízeného objektu a požadovanou hodnotou (tj. chybou), a následně podle proporcionálních, integrálních a diferenciálních regulačních členů na zpracování chyby výstup regulátoru. Regulátor PWM na druhé straně řídí napětí a proud v obvodu změnou šířky impulsů, aby se realizovala kontrola průměrné úrovně výstupního signálu.
Srovnání aplikací
Regulátory PID jsou vhodné pro aplikační scénáře, které vyžadují přesné řízení a stabilitu, jako je regulace teploty, regulace polohy, regulace rychlosti a tak dále. Regulátory PWM se běžně používají v aplikacích, které vyžadují analogové spojité signály, jako je ovládání rychlosti stejnosměrného motoru, nastavení jasu LED, zesilovače zvuku a tak dále. Protože regulátory PWM nemají adaptivní schopnost, nemusí být vhodné v některých aplikacích, které vyžadují vysokou přesnost řízení.
Porovnání regulačních charakteristik
PID regulátor má schopnost samo{0}}adaptace a může dynamicky upravovat regulační parametry podle aktuální situace. Dokáže rychle reagovat v ustáleném stavu a je odolný vůči vnějším poruchám a změnám systému. PID regulátor se navíc vyznačuje přesným řízením a vysokou stabilitou. Na druhé straně PWM regulátor je velmi citlivý na frekvenci spínání signálu a pracovní cyklus a dokáže přesně řídit průměrnou úroveň výstupu. Nemá však schopnost samo-adaptace a nemůže dynamicky upravovat ovládací parametry podle aktuální situace systému. Proto může mít určitá omezení v některých aplikacích, které vyžadují vysokou přesnost řízení.
V. Závěr.
Abychom to shrnuli, existují značné rozdíly mezi PID regulátorem a PWM regulátorem z hlediska principu, aplikace, regulačních charakteristik atd. PID regulátor je založen na principu zpětnovazební regulace chyby, který se vyznačuje samo-adaptivní schopností, přesným řízením a vysokou stabilitou a je vhodný pro aplikační scénáře vyžadující přesné řízení a stabilitu. Regulátor PWM na druhé straně řídí průměrnou úroveň výstupního signálu změnou šířky impulsu, což má výhody v jednoduchosti, intuitivnosti, snadné implementaci a nízké ceně a je vhodné pro některé aplikační scénáře, které nevyžadují vysokou přesnost řízení. Při výběru, který regulátor použít, je nutné provést komplexní zvážení podle konkrétních požadavků aplikace a cílů řízení.