Коэффициент усиления — это отношение выходного сигнала к входному, мера усиления входного сигнала. Распространенным примером является кнопка регулировки громкости на стереосистеме. Эта кнопка управляет отношением входного сигнала (принимаемого от радиостанции) к выходному сигналу (насколько громким является звук из ваших динамиков). При низкой громкости звук получается тихим. Это низкий коэффициент усиления. При высокой громкости звук получается громким. Это высокий коэффициент усиления.

Сервосистемы настраиваются с использованием коэффициентов усиления, которые помогают исправлять ошибки между заданным значением (положением, скоростью или крутящим моментом) и фактическим значением (полученным от датчика обратной связи). Три основных коэффициента усиления, используемых при настройке сервопривода, известны как пропорциональный коэффициент усиления, интегральный коэффициент усиления и дифференциальный коэффициент усиления, и когда они объединяются для минимизации ошибок в системе, алгоритм известен как ПИД-регулятор. Другой тип усиления, называемый “прямым действием”, может использоваться, когда поведение системы в зависимости от внешнего воздействия и ошибка предсказуемы или когда ПИД-регулирование недостаточно для исправления ошибки и начинает вызывать нестабильность или колебания в системе.

Пропорциональный, интегральный и дифференциальный коэффициенты усиления контролируют, насколько усердно сервопривод пытается исправить или уменьшить погрешность между заданными и фактическими значениями. Использование ПИД-контура является наиболее распространенным методом настройки сервопривода.

Пропорциональный коэффициент усиления (K_p), по сути, является мерой жесткости системы. Он определяет величину восстанавливающей силы, которая должна быть приложена для преодоления ошибки определения положения. Термин “пропорциональный” используется потому, что он прямо пропорционален величине ошибки. Другими словами, значение ошибки умножается на пропорциональный коэффициент усиления, чтобы определить выходной сигнал контроллера, который исправит ошибку.

Интегральный коэффициент усиления (K_i) связан со статической нагрузкой на систему. Значение K_i “подталкивает” систему к нулевой ошибке позиционирования в конце перемещения. Этот член называется “интегральным”, потому что он увеличивается со временем в конце хода. Интегральный коэффициент умножается на сумму ошибок с течением времени. Интегральное усиление требуется не всегда и в основном используется, когда система испытывает статические нагрузки.

Дифференциальный коэффициент усиления (K_d) представляет собой демпфирующее воздействие на систему, работающую с пропорциональным усилением для уменьшения перерегулирования и колебаний. Термин “дифференциальный” используется потому, что этот параметр пропорционален скорости изменения (производной) ошибки.

В то время, как регулирование ПИД является реактивным — основанным на уже произошедшей ошибке (обратной связи), — регулирование прямого действия является упреждающим. Коэффициенты усиления обратной связи, которые включают в себя скорость и ускорение, предсказывают команды, необходимые для достижения нулевой ошибки, и вводят их в контур управления.

Скорость прямого действия подачи (V_ff) работает против вязкого трения (трение, пропорциональное скорости) и сводит к минимуму погрешность на участке перемещения с постоянной скоростью.

Ускорение прямой подачи (А_ff) работает против инерции в системе, чтобы свести к минимуму ошибки на этапах ускорения и замедления движения.