Pengenalan kepada Penalaan PID - Apakah itu PID?

Ini adalah dokumen pengenalan mengenai penggunaan sistem kawalan PID dalam ECU MoTeC. Walaupun ia berdasarkan ECU siri Hundred, prinsip asas juga terpakai kepada siri ECU M1, dengan M1 mempunyai fleksibiliti tambahan dalam operasi.

Apakah itu PID?
PID bermaksud Proportional, Integral, dan Derivative dan merupakan satu jenis sistem kawalan maklum balas. Ia membandingkan nilai yang diukur (daripada sensor, contohnya) dengan nilai yang dikehendaki (setpoint atau sasaran) dan menyesuaikan output untuk mengurangkan perbezaan (ralat) antara kedua-duanya.

Pengawal (atau ECU dalam kes kami) menggunakan pengiraan yang sentiasa dikemas kini untuk mengawal sistem fizikal. Ia melihat nilai ralat semasa, integral ralat sepanjang interval masa terkini, dan derivatif semasa isyarat ralat untuk menentukan bukan sahaja berapa banyak pembetulan yang perlu diterapkan, tetapi juga untuk berapa lama.

Dalam kes sistem Drive by Wire, kedudukan pedal pemandu memberikan nilai Sasaran manakala sudut sensor Kedudukan Throttle badan throttle adalah saluran maklum balas. Apabila terdapat perbezaan antara kedua-dua isyarat, kitaran tugas output ECU diubah supaya maklum balas mengikuti nilai sasaran.

Masa tindak balas mana-mana sistem sangat bergantung pada komponen fizikal (masa kelewatan). Contohnya: perubahan kedudukan cam berlaku dengan cepat, manakala tekanan gas dalam sel bahan api berubah dengan lebih perlahan. Sistem Drive by Wire menggunakan motor servo untuk menggerakkan bilah throttle ke kedudukan Sasaran di mana masa tindak balas sistem akan berbeza sekali lagi.

Kita juga boleh mempertimbangkan kadar berubah-ubah di mana pemandu meminta kedudukan berbeza. Dalam amalan, ini boleh diambil kira semasa menala parameter PID dengan menguji tindak balas sistem terhadap perubahan mendadak (atau langkah) dalam nilai sasaran.

Perlu diingat bahawa dalam dunia sebenar, sistem PID tidak akan pernah mengikuti setpoint dengan tepat*. Sebaliknya, parameter penalaan termasuk ‘dead band’ – kawasan sekitar setpoint di mana pengawal tidak cuba menggerakkan sistem lebih dekat ke setpoint.

Isyarat output adalah jumlah komponen Proportional, Integral dan Derivative. Kita akan melihat setiap satu secara bergilir.

Komponen Proportional
Komponen Proportional adalah sama dengan Keuntungan Proportional (‘P’) didarab dengan Ralat. Parameter proportional mempunyai tindak balas segera apabila terdapat Ralat dan ia mengawal sebahagian besar tindak balas dalam sistem. Komponen proportional sahaja tidak akan mengurangkan ralat kepada sifar, kerana apabila ralat berkurang, tindak balas proportional juga berkurang.

Jika Keuntungan Proportional terlalu kecil, ralat hanya akan dikurangkan sedikit dan tindak balas akan kelihatan perlahan. Keuntungan proportional yang terlalu banyak akan menyebabkan sistem tidak stabil dan berlaku 'hunting'. Hunting adalah keadaan sistem yang terlalu pantas melebihi dan kurang daripada setpoint secara berulang.

Komponen Integral
Integral adalah faktor yang berubah lebih perlahan dan bertujuan mengurangkan ralat dalam jangka masa panjang. Saiz komponen Integral akan terus meningkat selagi Ralat tidak sifar. Contohnya: injap kawalan boost dan idle memerlukan sedikit kitaran tugas untuk mengekalkan kedudukan, dengan nilai ralat hampir sifar, komponen P & D mempunyai kesan kecil, tetapi komponen I akan mengekalkan kedudukan injap. Jika kawalan melebihi setpoint, nilai ralat berubah polariti dan istilah ‘negatif’ ditambah kepada komponen Integral, mengurangkannya.

Jumlah Keuntungan Integral yang besar kadangkala boleh menyebabkan masalah juga. “Integral Windup” adalah situasi yang berlaku apabila ralat adalah tetap, menyebabkan komponen Integral terus meningkatkan output untuk cuba mengurangkannya. Jika keadaan yang mengekalkan ralat itu dihapuskan, sistem boleh melebihi nilai sasaran dan kawalan perlu berbalik. Gunakan Keuntungan Integral terendah yang memastikan ralat jangka panjang berada dalam dead band.

Beberapa fungsi PID MoTeC termasuk parameter ‘Integral Clamp’ yang menetapkan nilai maksimum yang dibenarkan bagi komponen Integral supaya anda tidak mendapat Integral Windup.

Komponen Derivative
Keuntungan Derivative mempunyai kesan redaman terhadap kawalan sistem. Ia bertujuan memperbaiki masa tindak balas sistem. Ia berdasarkan kadar perubahan nilai Ralat, jadi komponen derivative akan lebih besar untuk perubahan ralat yang mendadak berbanding perubahan yang beransur-ansur.

Sekali lagi, masa tindak balas mana-mana sistem sangat bergantung pada komponen fizikal (iaitu: masa kelewatan), jadi Keuntungan Derivative mesti ditetapkan dengan sewajarnya. Contohnya, jika Keuntungan Derivative terlalu besar, ini akan menyebabkan ‘overshoot’ apabila tindak balas melepasi nilai sasaran, dan sistem perlu berbalik.

Jika terdapat bunyi frekuensi tinggi pada kedudukan yang diukur, keuntungan Derivative yang besar akan menyebabkan turun naik yang liar. Oleh itu, saiz keuntungan Derivative bergantung pada bunyi sistem fizikal. Untuk menggunakan penapis pada saluran maklum balas, masa tindak balas sistem mesti mempunyai frekuensi lebih rendah daripada bunyi.

Terma derivative cenderung berfungsi semasa perubahan sementara awal dalam sistem. Ia sepatutnya mempunyai kesan ‘meratakan’ lengkung tindak balas, mengurangkan overshoot daripada tindak balas proportional.

Feed Forward
Juga dikenali sebagai “Linearization”. Sesetengah sistem akan sentiasa memerlukan kitaran tugas output tertentu untuk beroperasi, contohnya: di mana terdapat rintangan yang diketahui dalam sistem seperti dari spring dalam badan throttle DBW. Feed-Forward adalah nilai output yang diramalkan berdasarkan pengetahuan berapa banyak output diperlukan untuk mengawal sistem ke Sasaran tertentu. Nilai ini boleh digunakan sebagai titik permulaan untuk kawalan sistem.

Contohnya: feed forward digunakan sebagai Kedudukan Purata untuk fungsi Kawalan Boost PD dan PID. Kedudukan Purata menetapkan nilai kitaran tugas permulaan yang digunakan oleh injap. Jika anda memerlukan kitaran tugas yang diketahui secara kasar untuk mencapai boost sasaran, anda akan menetapkannya sebagai Kedudukan Purata supaya gelung kawalan mempunyai titik permulaan yang hampir.

Analogi Dunia Sebenar
Fikirkan seorang pemandu tanpa brek yang ingin memberhentikan kereta di lampu isyarat. Pemandu menggunakan pedal pendikit untuk memberikan pergerakan ke hadapan kepada kereta untuk sampai ke lampu. Semakin hampir kereta, semakin kurang pemandu menekan pedal pendikit. Jumlah throttle adalah Keuntungan Proportional. Pemandu bergantung pada kereta untuk melambatkan kerana geseran bergolek antara tayar dan jalan. Jika pemandu cuba sampai ke lampu dengan cepat, lebih banyak throttle akan digunakan.

Masalahnya ialah jika pemandu hanya bergantung pada geseran bergolek untuk memberhentikan kereta, mereka mungkin meluncur melepasi lampu dan perlu memasukkan gear undur dan kembali. Ini boleh berlaku beberapa kali sebelum kereta berhenti di lampu dan semakin cepat pemandu cuba sampai (tindak balas sistem lebih baik), semakin teruk masalah over/undershoot.

Sekarang pertimbangkan jika pemandu juga mempunyai sistem brek. Apabila menghampiri lampu, mereka boleh mengurangkan jumlah throttle untuk melambatkan kereta dan juga menggunakan brek untuk mengurangkan kelajuan. Brek bertindak sebagai komponen Derivative sistem. Logiknya, dengan throttle dan brek, pemandu kini boleh sampai dan berhenti di lampu dengan lebih mudah dan biasanya lebih cepat, dengan kurang over/undershoot.

Sekarang pertimbangkan pemandu perlu melakukan ini apabila lampu berada di bukit yang sedikit menaik. Pemandu boleh melakukan latihan berhenti menggunakan throttle dan brek tetapi kereta akan mula meluncur ke belakang apabila berhenti. Pemandu kini perlu menggunakan sedikit throttle (anggap brek HANYA untuk mengurangkan kelajuan dan bukan untuk menghentikan pergerakan) untuk menahan kereta di titik berhenti supaya tidak meluncur ke belakang, ini adalah komponen Integral sistem.

Nampak bahawa jika pemandu yang sama mempunyai kereta yang sangat berkuasa, jumlah throttle dan brek yang diperlukan untuk sampai ke lampu berbeza dengan jumlah throttle dan brek yang diperlukan untuk kereta kurang berkuasa. Sudah tentu kereta berkuasa tinggi akan menyelesaikan tugas lebih cepat tetapi dengan tenaga lebih diperlukan dan oleh itu lebih tekanan pada peralatan.