25.5 : Проектирование ПИ-контроллера

Пропорционально-интегральные (ПИ) контроллеры являются основополагающим компонентом современных систем управления, широко используемым для повышения производительности и уменьшения ошибок установившегося состояния. Они особенно эффективны в таких приложениях, как автоматическая регулировка яркости на смартфонах, где они отлично снижают ошибки установившегося состояния для входных сигналов ступенчатой ​​функции. В отличие от ПД-контроллеров, которым для оптимальной работы требуются ошибки, изменяющиеся во времени, ПИ-контроллеры используют свой интегральный компонент для устранения остаточных ошибок установившегося состояния, не исправленных пропорциональной частью.

В ПИ-контроллере на основе операционного усилителя (ОУ) резисторы и конденсатор обрабатывают сигнал ошибки, генерируя управляющий сигнал. Пропорциональная обратная связь выводится из резистора, в то время как интегральный отклик поступает из конденсатора. Конструкции схем с двумя и тремя ОУ демонстрируют уникальные передаточные функции, причем параметры ПИ-контроллера неразрывно связаны с характеристиками их схемы. Конфигурация с тремя ОУ позволяет независимо регулировать пропорциональный и интегральный коэффициенты усиления с помощью определенных параметров схемы. Примечательно, что в обеих схемах интегральный коэффициент усиления обратно пропорционален значению конденсатора, что может потребовать больших конденсаторов для эффективных конструкций ПИ-контроллера.

ПИ-контроллер повышает производительность системы, изменяя передаточную функцию прямого пути путем добавления нуля и полюса. Эта корректировка повышает производительность системы и снижает установившуюся ошибку на порядок. В сценариях, где установившаяся ошибка для заданного входа постоянна, ПИ-контроллер может снизить эту ошибку до нуля, при условии, что система остается стабильной после компенсации.

Решая как пропорциональные, так и интегральные аспекты, ПИ-контроллеры обеспечивают надежное решение для коррекции ошибок стационарного состояния в различных приложениях. Их конструкция, включающая определенные конфигурации резисторов и конденсаторов в цепях операционных усилителей, обеспечивает точное управление и повышение производительности, что делает их незаменимыми в современных системах управления.