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PID Controller

  • Detto anche: Proportional-Integral-Derivative Controller
  • Categoria: Control › Feedback control
  • Tag: control-theory, feedback

Meccanismo di controllo che minimizza l'errore tramite retroazione proporzionale, integrale e derivativa.

Definizione

Un regolatore PID calcola continuamente l'errore e applica azioni correttive tramite tre componenti: proporzionale (errore attuale), integrale (errori accumulati) e derivativa (velocità di variazione dell'errore). È onnipresente nel controllo dei motori e nell'inseguimento delle traiettorie.

Perché è importante

Il regolatore PID è il cavallo di battaglia del controllo in retroazione e di gran lunga l'algoritmo di controllo più diffuso in assoluto. Prende l'errore tra ciò che si vuole e ciò che si ha e produce una correzione da tre termini: proporzionale all'errore attuale, integrale dell'errore accumulato e derivativo della velocità con cui l'errore cambia. Quasi ogni anello di velocità di un motore, regolatore di temperatura e anello di posizione dei giunti in robotica è un PID o una sua stretta variante, il che rende il saperne riconoscere il comportamento e i modi di guasto una competenza davvero generale.

Applicazioni principali

  • Controllo di velocità e posizione del motore all'interno dei servoazionamenti
  • Anelli di posizione dei giunti nei bracci robotici
  • Controllori di equilibrio per pendoli inversi e robot con zampe
  • Mantenimento di assetto e quota nei droni
  • Controllo della temperatura di hotend e piani riscaldati delle stampanti 3D
  • Inseguimento di linea e mantenimento della direzione nei robot mobili

In pratica

La taratura è il punto in cui il concetto incontra la realtà. Aumentando il guadagno proporzionale la risposta diventa più rapida, finché il sistema non comincia a oscillare; si aggiunge l'integrale per eliminare lo scostamento a regime che lascia un giunto ceduto sotto la gravità, al prezzo di una sovraelongazione; si aggiunge il derivativo per smorzare il risultato, al prezzo di amplificare il rumore dei sensori. Il guasto tipico del mondo reale è il windup dell'integrale: se un giunto è bloccato, il termine integrale si accumula finché l'errore persiste, e quando l'ostacolo viene rimosso il giunto scatta in avanti. Le implementazioni pratiche lo limitano proprio per questo motivo.

Idee sbagliate comuni

  • Servono sempre tutti e tre i termini: molti anelli funzionano meglio come P o PI, e il derivativo viene spesso omesso a causa del rumore
  • Guadagni più alti significano prestazioni migliori: oltre un certo punto causano oscillazioni e instabilità
  • Un solo set di guadagni va bene per tutte le condizioni: carico utile, temperatura e usura meccanica spostano tutti la taratura
  • Il PID comprende il sistema: reagisce solo all'errore e non ha un modello, ed è per questo che fatica con ritardi elevati

Chi dovrebbe saperlo

  • Chiunque tari un anello di motore, di giunto o di temperatura
  • Sviluppatori che scrivono controllori di equilibrio o di direzione
  • Ingegneri che indagano su oscillazioni, sovraelongazioni o scostamenti a regime
  • Studenti al primo corso di controlli automatici
  • Chiunque abbia un robot che scatta in avanti dopo essere stato bloccato fisicamente

Tecnologie correlate

  • Metodo di taratura di Ziegler-Nichols
  • Architettura di controllo in cascata
  • Meccanismi anti-windup
  • Gain scheduling per sistemi non lineari
  • Controllo predittivo basato su modello (MPC)
  • Controllo nello spazio degli stati (LQR, LQG)
  • Analisi nel dominio della frequenza (diagrammi di Bode)
  • Algoritmi di autotaratura

Termini correlati

  • Motion Planning

Video

  • What Is PID Control? | Understanding PID Control: MATLAB

Wikipedia

  • Controllo PID

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