ZÁKLADNÍ ZNALOSTI – PID REGULÁTORU
Co je PID regulátor používá a jak to funguje? Po celá desetiletí, PID byla založena jako nejoblíbenější forma řízení procesů – ale proč je to? Odpověď, jak je vysvětleno v tomto článku, spočívá v tom, že překonává nedostatky jiných typů kontroly. Vysvětlení zahrnuje diskusi o tom, jak se regulátory PID vztahují k jiným kontrolním metodám, co znamenají pojmy PID a jak regulátory fungují.,
kontrolní systém hierarchie
Ovládací systémy jsou všudypřítomné v průmyslové, lékařské, vojenské, automobilový průmysl, utility a mnoho dalších aplikací – a někdy se objeví v našem každodenním životě., Přicházejí však v mnoha typech, z nichž kontrola PID je jen jedna, i když nejsofistikovanější. V souladu s tím začneme vysvětlením hierarchie řídicího systému, která dnes existuje, a ukazováním, jak do toho zapadá kontrola PID. Pak se zaměřujeme na regulátory PID a na to, jak fungují.
Open loop control – nejzákladnější typ. Jedním příkladem je zahradní hadice, připojená k kohoutku. Přestože kohout může být provozován uživatelem pro regulaci průtoku vody, hadice nemá žádný mechanismus zpětné vazby pro „uzavření smyčky“ pro automatickou regulaci.,
zapnutí / vypnutí nebo ovládání „Bang-Bang“ – jedná se o nejjednodušší formu řízení uzavřené smyčky a je ilustrována systémem vytápění domácností s pokojovým termostatem. Termostat porovnává naměřenou hodnotu pokojové teploty (MV) s nastaveným bodem (SP) podle nastavení uživatele. Systém používá zpětnou vazbu MV k uzavření smyčky. Pokud je teplota příliš nízká, zapne ústřední topení, aby zahřál místnost, dokud nedosáhne teploty SP. Pokud teplota překročí SP, topení se vypne a případně se spustí klimatizace pro aktivní chlazení.,
praktické termostaty mají hysterezi nebo mrtvé pásmo. To může být obvykle 4°C, takže pro nastavenou hodnotu 20°C se termostat zapne při teplotě 18 ° C a nižší a vypne se při teplotě 22 ° C a vyšší. To odhaluje omezení regulace on/off; bez hystereze, termostat přepne nepřetržitě, což může způsobit nadměrné opotřebení, a případně rušivé slyšitelný hluk. Naopak, pokud je mezera Hystereze příliš široká, pokojová teplota bude po většinu času suboptimální.,
navíc v některých průmyslových systémech může náhlé a plné zapnutí zátěže vést k problémům s inrush proudy.
Proporcionální řízení je kontinuální způsob ovládání, který nabízí jemnější, pevnější a kvalitnější výkon než relativně primitivní zapnutí/vypnutí přístupu. Navrhování a optimalizace řídicí smyčky pro konkrétní aplikaci však není bez problémů., Obvykle je žádoucí, pokud není nezbytné dosáhnout co nejrychlejší doby odezvy a největší přesnosti v ustáleném stavu, aniž by došlo k riziku nestability. Po nastavení musí smyčka udržovat optimální výkon i během nepředvídatelných a měnících se podmínek procesu.
níže se podíváme na to, jak fungují proporcionální řídicí systémy a jak lze hodnotit jejich výkon. Poté představíme koncepty integrálních (I) a derivačních (D) funkcí a vysvětlíme jejich zásadní roli při optimalizaci výkonu řízení uzavřené smyčky pro regulátory PID., Vidíme, jak lze funkce vyladit tak, aby co nejlépe vyvážily dobu odezvy a přesnost proti stabilitě za všech podmínek.
většina proporcionálních a PID regulátorů je dnes implementována buď pomocí vestavěných mikroprocesorů nebo mikrokontrolérů, nebo jako software běžící na PLC nebo větším systému kontroly a získávání dat (SCADA). Existují však výjimky. Analogové regulátory PID se stále používají pro aplikace s vysokou šířkou pásma a nízkou hlučností a pneumatické systémy jsou stále k dispozici .,
Všimněte si, že bez ohledu na technologii regulátoru PID jsou vstupní a výstupní proměnné obvykle analogové.
v této konfiguraci je procesní proměnná systémovým parametrem, který je třeba ovládat, jako je teplota, tlak nebo průtok. Senzor měří tuto proměnnou a přivádí zpět odpovídající signál, který je obvykle elektrický v moderním systému řízení procesů; obvykle 4 – 20mA. To se porovnává s hodnotou nastaveného bodu, kterou může uživatel nastavit jako v příkladu termostatu., V průmyslovém systému však může být nastaven jiným procesem nebo programovatelným řídicím programem logického regulátoru (PLC).
výstup z tohoto srovnání je Chybový signál, který je použit řadič pro výpočet jeho výstup procesu. Poměrný zisk regulátoru (KP) určuje poměr výstupní odezvy k chybovému signálu.
v každém případě se výstup regulátoru používá k pohonu pohonu pohonu – což může být například ohřívač v průmyslovém procesu., V souladu s tím, jak se proces ohřívá směrem k nastavenému bodu, je chybový signál snížen, když se jeho teplota blíží požadované úrovni. Samotné proporcionální řízení však nemůže poskytnout dokonale přesné ovládání; samo o sobě nemůže zcela eliminovat chybový signál, protože výstup se stává zanedbatelným, protože chybový signál se blíží nule. Výstup pohonu navíc často není jediným vlivem na systém.
například v teplotní komoře může být zdroj chladného vzduchu, který někdy fouká do komory a mění teplotu., Tomu se říká rušení. Reakce systému na Řídicí výstup se navíc může měnit v průběhu času nebo v reakci na nějakou proměnnou. Například komora částečně naplněná tekutinou bude vykazovat mnohem rychlejší odezvu na výkon ohřívače, když je téměř prázdná, než když bude téměř plná tekutiny. Tím se vytvoří nelineární systém, ve kterém řídicí parametry, které vytvářejí požadovanou odezvu v jednom provozním bodě, nemusí v jiném provozním bodě produkovat uspokojivou odezvu.,
Deadtime, způsobené faktory, jako jsou zpoždění vyplývající z tekutiny protékající potrubím, může být dalším problémem. Řídicí systémy by proto měly být navrženy tak, aby minimalizovaly účinky poruch na procesní proměnnou, nelineární procesy a mrtvý čas.
proces návrhu řízení
proces návrhu řízení začíná definováním požadavků na výkon. Výkon řídicího systému se často měří použitím funkce kroku na vstup nastaveného bodu a následným měřením odezvy procesní proměnné., To se běžně kvantifikuje měřením definovaných charakteristik průběhu.
doba vzestupu je doba, po kterou se systém pohybuje od 10% do 90% ustálené nebo konečné hodnoty. Procentuální překročení je částka, kterou procesní proměnná překračuje konečnou hodnotu vyjádřenou jako procento konečné hodnoty. Doba vypořádání je doba potřebná k tomu, aby se procesní proměnná usadila v určitém procentu (obvykle 5 %) konečné hodnoty. Chyba ustáleného stavu je konečný rozdíl mezi procesní proměnnou a nastaveným bodem., Všimněte si, že přesná definice těchto množství se bude lišit v průmyslu a akademické obci.
co je PID řadič?
nyní se podíváme na účinky změny proporcionální složky výstupu regulátoru a zavedení integrálních (I) a derivačních (v) termínů.
Pokud máme pouze proporcionální (P) regulátor, můžeme začít nastavením zisku Kp na skromnou hodnotu, například 10 (K je bezrozměrný). Po použití vstupního kroku bude výstup stabilní, ale pomalu se přiblíží k požadované hodnotě., Pokud se Kp zvýší na řekněme 100, sníží se jak chyba v ustáleném stavu, tak doba vzestupu – zatím tak dobrá. Pokud však zvýšíme Kp na 200, i když se doba vzestupu a chyba v ustáleném stavu dále sníží, začne se objevovat překročení.
od této chvíle další zvyšování Kp pouze zvyšuje překročení, bez dalšího zkrácení doby vzestupu nebo chyby v ustáleném stavu. A překročení může nakonec stát underdamped oscilace, což znamená, že systém bude nestabilní.,
řešením tohoto odvětví bylo přidání integrálních (I) a derivátových (v) komponent do proporcionálního (P) výstupu regulátoru, vytvoření regulátoru PID.
integrální složka shrnuje termín chyby v průběhu času. Výsledkem je, že i malý chybový termín způsobí, že se integrální součást pomalu zvyšuje. Integrální odezva se bude neustále zvyšovat v průběhu času, Pokud chyba není nulová, takže efekt je řídit chybu v ustáleném stavu na nulu., Jev zvaný integral windup má za následek, když integrální akce nasycuje regulátor bez regulátoru, který řídí chybový signál směrem k nule.
přestože integrální akce může eliminovat chybu v ustáleném stavu, může silně přispět k překročení výstupu regulátoru a možné nestabilitě. Řízení PI však může být vhodné pro některé procesy, kde rychlost systému není důležitá. Pokud je však nestabilita potenciálním problémem, řešením je implementovat regulátor PID přidáním derivátové komponenty.,
derivační komponenty působí na rychlost změny chybového signálu. Čím více se změní chyba nebo čím delší je derivační čas,tím větší je derivační faktor. Účinek tohoto je působit proti překročení způsobené P A i. když je chyba velká, P a i budou tlačit výstup regulátoru. Tato odezva řadiče rychle mění chybu, což zase způsobuje, že derivát působí proti p a i agresivněji. Správně použitý derivát umožňuje agresivnější proporcionální a integrální faktory., Větší derivační čas způsobuje, že derivát agresivněji tlumí P a i.
podívejte se také na toto video, abyste vysvětlili regulátor PID!
Ladění PID regulátoru
Stanovení optimální kombinace P,i a D parametry pro konkrétní řídicí smyčky se provádí ladění – a tři přístupy k ladění jsou možné: manuální, heuristické (‚Pravidlo‘), a automatické.
Ruční ladění PID se provádí nastavením resetovacího (integrálního) času na jeho maximální hodnotu a rychlost (derivace) na nulu a zvýšením zisku, dokud smyčka osciluje při konstantní amplitudě., (Pokud dojde k rychlé reakci na opravu chyb, lze použít větší zisk. Pokud je odezva pomalá, je žádoucí relativně malý zisk). Poté nastavte zisk regulátoru PID na polovinu této hodnoty a upravte dobu resetování tak, aby opravil jakýkoli posun v přijatelném období. Nakonec, zvýšit rychlost PID smyčky, dokud překročení je minimalizováno.
Zeigler a Nicholse dva heuristické metody ladění PID regulátoru byla poprvé zveřejněna v roce 1942., Ty fungují tak, že na systém aplikují změnu kroku a dodržují výslednou odezvu. První metoda zahrnuje měření zpoždění nebo zpoždění v odezvě a poté čas potřebný k dosažení nové výstupní hodnoty. Druhá závisí na stanovení doby kmitání v ustáleném stavu. V obou metodách se pak tyto hodnoty zadávají do tabulky, aby se odvodily hodnoty pro zisk, resetovací čas a rychlost pro řadič PID.
většina PID řadičů, které se dnes prodávají, obsahuje funkce automatického ladění. Provozní údaje se mezi výrobci liší, ale všechny se řídí pravidly podobnými pravidlům popsaným výše., V podstatě se regulátor PID „učí“, jak proces reaguje na poruchu nebo změnu nastaveného bodu, a vypočítá příslušná nastavení PID.
Platinová řada regulátorů teploty OMEGA jsou příklady zařízení s možností automatického ladění.
jaké jsou parametry ladění PID? Najít odpovědi v tomto videu!
Navrhování PID na řídicí systémy – z vašeho počítače
NI LabVIEW toolset nabízí širokou škálu Virtual Instruments (VIs), které výrazně pomohou při návrhu PID na řídicí systém ., PID Vis umožňují vývoj proporcionálních (P); proporcionálně-integrální (PI); proporcionálně-derivační (PD); a proporcionálně-integrální-derivační (PID) algoritmy.
Závěr
V tomto článku jsme viděli, jak PID regulátory mohou být použity k optimalizaci řídicích smyček pro dobu odezvy, přesnost a stabilitu za všech podmínek výrobního procesu – a jak i a D podmínky poskytují úroveň ovladatelnosti není možné s Proporcionální termín sám.