GRUNDLÆGGENDE VIDEN – PID CONTROLLER
Hvad er en PID-controller bruges til, og hvordan virker det? I årtier er PID blevet etableret som den mest populære form for processtyring-men hvorfor er det? Svaret, som forklaret i denne artikel, er, at det overvinder manglerne ved andre kontroltyper. Forklaringen inkluderer en diskussion af, hvordan PID-controllere forholder sig til andre kontrolmetoder, hvad PID-udtrykkene betyder, og hvordan controllerne fungerer.,
et kontrolsystemhierarki
kontrolsystemer er allestedsnærværende i industrielle, medicinske, militære, bilindustrien, forsyningsselskaber og mange andre applikationer – og vises nogle gange i vores daglige liv., De findes dog i mange typer, hvoraf PID-kontrol kun er en, omend den mest sofistikerede. Derfor starter vi med at forklare det kontrolsystemhierarki, der findes i dag, og vise, hvordan PID-kontrol passer ind i dette. Derefter fokuserer vi på PID-controllere og hvordan de fungerer.
åben loop kontrol – den mest grundlæggende type. Et eksempel er en haveslange, der er forbundet med et tryk. Selvom hanen kan betjenes af en bruger til at regulere vandstrømmen, har slangen ingen feedbackmekanisme til at ‘lukke sløjfen’ til automatisk regulering.,
On/off eller ‘Bang-Bang’ kontrol – Dette er den enkleste form for lukket sløjfekontrol og eksemplificeres af et husholdningsvarmesystem med en rumtermostat. Termostaten sammenligner rumtemperaturen målt værdi (MV) med dens setpunkt (SP) som justeret af brugeren. Systemet bruger MV-feedback til at lukke sløjfen. Hvis temperaturen er for lav, tænder den centralvarme for at opvarme rummet, indtil det når SP-temperaturen. Hvis temperaturen overstiger SP, slukkes opvarmningen, og muligvis startes Aircondition til aktiv afkøling.,
praktiske termostater har en hysterese eller dødbånd. Dette kan typisk være 4 C C, så for et sætpunkt på 20.c tænder termostaten ved 18. C og under og slukker ved 22. C og derover. Dette afslører begrænsningerne ved tænd / sluk-kontrol; uden hysterese ville termostaten skifte kontinuerligt, hvilket kan forårsage overdreven slitage og muligvis påtrængende hørbar støj. Omvendt, hvis hysteresisgabet er for bredt, vil rumtemperaturen være suboptimal i meget af tiden.,
Derudover kan en pludselig og fuld belastning tænde i nogle industrielle systemer føre til problemer med indkoblingsstrømme.
Proportional kontrol er en løbende kontrol metode, der giver mere nuanceret, robust og bedre kvalitet end den relativt rå on/off-tilgang. Imidlertid er design og optimering af en kontrolsløjfe til en bestemt applikation ikke uden nogle udfordringer., Det er normalt ønskeligt, hvis ikke vigtigt at opnå den hurtigst mulige responstid og størst steady state nøjagtighed uden at skabe risiko for ustabilitet. Når den er konfigureret, skal løkken opretholde sin optimale ydelse, selv under uforudsigelige og skiftende procesforhold.
nedenfor ser vi på, hvordan proportionale kontrolsystemer fungerer, og hvordan deres ydeevne kan vurderes. Derefter introducerer vi begreberne Integral (i) og derivat (D) funktioner og forklarer deres væsentlige rolle i optimering af closed loop control performance for PID-controllere., Vi ser, hvordan funktionerne kan indstilles til bedst at afbalancere responstid og nøjagtighed mod stabilitet under alle forhold.
i dag implementeres de fleste proportionale controllere og PID-controllere enten ved hjælp af indlejrede mikroprocessorer eller mikrocontrollere eller som soft .are, der kører på et PLC eller et større SCADA-system (supervisory control and data AC .uisition). Der er dog undtagelser. Analoge PID-controllere bruges stadig til applikationer med høj båndbredde og lavt støjniveau, og pneumatiske systemer er stadig tilgængelige .,
Bemærk, at input-og outputvariablerne, uanset PID-controllerens teknologi, normalt er analoge.
i denne konfiguration er procesvariablen den systemparameter, der skal styres, såsom temperatur, tryk eller strømningshastighed. Sensoren måler denne variabel og føder et tilsvarende signal tilbage,som normalt er elektrisk i et moderne processtyringssystem; typisk 4 – 20mA. Dette sammenlignes med setpoint-værdien, som kunne justeres af en bruger som i termostateksemplet., I et industrielt system kan det dog indstilles af en anden proces eller af et programmerbart logic controller (PLC) kontrolprogram.
output fra denne sammenligning er Fejl signal, som bruges af controlleren til at beregne sit output til processen. Regulatorens proportionale forstærkning (Kp) bestemmer forholdet mellem udgangsrespons og fejlsignalet.
under alle omstændigheder bruges regulatorens output til at drive en aktuator – som f.eks., Når processen opvarmes mod setpunktet, reduceres fejlsignalet, når temperaturen nærmer sig det ønskede niveau. Imidlertid kan proportional kontrol alene ikke give perfekt nøjagtig kontrol; det kan ikke i sig selv eliminere fejlsignalet fuldstændigt, da udgangen bliver ubetydelig, når fejlsignalet nærmer sig nul. Derudover er aktuatorudgangen ofte ikke den eneste indflydelse på systemet.
For eksempel kan der i et temperaturkammer være en kilde til kølig luft, der undertiden blæser ind i kammeret og ændrer temperaturen., Dette kaldes en forstyrrelse. Derudover kan systemets reaktion på en kontrol output ændre sig over tid eller som reaktion på nogle variable. For eksempel, et kammer delvist fyldt med væske vil udvise en meget hurtigere reaktion på varmelegeme output, når næsten tom, end det vil, når næsten fuld af væske. Dette skaber et ikke-lineært system, hvor de Kontrolparametre, der producerer et ønsket svar på et driftspunkt, muligvis ikke producerer et tilfredsstillende svar på et andet driftspunkt.,dødtid, forårsaget af faktorer som forsinkelser som følge af væske, der strømmer gennem rør, kan være et andet problem. Derfor bør kontrolsystemer designes for at minimere virkningerne af forstyrrelser på procesvariablen, ikke-lineære processer og dødtid.
kontroldesignprocessen
kontroldesignprocessen begynder med at definere ydeevnekravene. Styresystemets ydeevne måles ofte ved at anvende en trinfunktion til setpunktindgangen og derefter måle responsen fra procesvariablen., Dette kvantificeres ofte ved at måle definerede bølgeformkarakteristika.
stigningstid er den tid, systemet tager at gå fra 10% til 90% af steady-state eller den endelige værdi. Procent overskridelse er det beløb, som procesvariablen overskrider den endelige værdi, udtrykt som en procentdel af den endelige værdi. Afregningstid er den tid, der kræves for procesvariablen at afregne inden for en bestemt procentdel (almindeligvis 5 %) af den endelige værdi. Steady state fejl er den endelige forskel mellem procesvariablen og setpunktet., Bemærk, at den nøjagtige definition af disse mængder vil variere i industrien og den akademiske verden.
Hvad er en PID-controller?
Vi vil nu se på virkningerne af at variere den proportionale komponent i controllerens output og indføre integrerede (I) og afledte (V) vilkår.
Hvis vi kun har en Proportional (P) controller, kan vi starte med at indstille Kp-forstærkningen til en beskeden værdi, såsom 10 (K er dimensionsløs). Efter anvendelse af trinindgangen vil udgangen være stabil, men vil nærme sig den ønskede værdi langsomt., Hvis KP øges til, siger 100, vil både steady state – fejlen og stigningstiden blive reduceret-indtil videre, så godt. Men hvis vi øger Kp til 200, selv om stigningen tid og steady state fejl er yderligere reduceret, overshoot begynder at dukke op.
herfra øger yderligere stigende Kp kun overskridelser uden yderligere reduktioner i stigningstid eller stabil tilstandsfejl. Og overskridelse kan i sidste ende blive underdamped svingning, hvilket betyder, at systemet vil være ustabilt.,
branchens løsning på dette har været at tilføje integrerede (i) og afledte (V) komponenter til controllerens proportionale (P) output for at opbygge en PID-controller.
den integrerede komponent opsummerer fejlperioden over tid. Resultatet er, at selv en lille fejlperiode vil medføre, at den integrerede komponent øges langsomt. Den integrerede respons vil løbende stige over tid, medmindre fejlen er nul, så effekten er at drive steady state-fejlen til nul., Et fænomen kaldet integreret afvikling resulterer, når integreret handling mætter en controller, uden at controlleren kører fejlsignalet mod nul.
selvom integreret handling kan eliminere steady state-fejlen, kan den stærkt bidrage til kontroludgangsoverskridelse og mulig ustabilitet. Ikke desto mindre kan PI-kontrol være egnet til nogle processer, hvor systemhastighed ikke er vigtig. Men hvor ustabilitet er en potentiel bekymring, er løsningen at implementere en PID-controller ved at tilføje en Derivatkomponent.,
afledte komponenter virker på ændringshastigheden for fejlsignalet. Jo flere fejl ændres, eller jo længere derivattiden er, desto større bliver derivatfaktoren. Effekten af dette er at modvirke overskridelsen forårsaget af P og I. Når fejlen er stor, vil P og I skubbe controllerudgangen. Denne controller-respons gør fejlændring hurtigt, hvilket igen får derivatet til at modvirke P og i mere aggressivt. Et korrekt anvendt derivat giver mulighed for mere aggressive proportionale og integrerede faktorer., Større derivat tid gør derivatet mere aggressivt dæmpe P og I.
Se også denne video for at få PID Controller forklaret!
indstilling af en PID controller
Oprettelse af den optimale kombination af P,i og D-parametre for en specifik kontrol loop gøres ved tuning – og tre tilgange til tuning er muligt: manuel, heuristisk (‘tommelfingerregel’) og automatiseret.
Manuel PID-tuning udføres ved at indstille nulstillingstiden (integreret) til dens maksimale værdi og hastigheden (derivat) til nul og øge forstærkningen, indtil sløjfen svinger med en konstant amplitude., (Når svaret på en fejlkorrektion sker hurtigt en større gevinst kan bruges. Hvis responsen er langsom, er en relativt lille gevinst ønskelig). Indstil derefter forstærkningen af PID-controlleren til halvdelen af denne værdi, og juster nulstillingstiden, så den korrigerer for enhver forskydning inden for en acceptabel periode. Endelig, øge hastigheden af PID-loop indtil overskridelse er minimeret
Zeigler og Nichols’ to heuristiske metoder til indstilling af en PID controller blev offentliggjort første gang i 1942., Disse fungerer ved at anvende en trinændring til systemet og observere det resulterende svar. Den første metode indebærer måling af forsinkelse eller forsinkelse som svar og derefter den tid, det tager at nå den nye outputværdi. Den anden afhænger af at etablere perioden med en steady-state svingning. I begge metoder indtastes disse værdier derefter i en tabel for at udlede værdierne for forstærkning, Nulstil tid og hastighed for PID-controlleren.
de fleste PID-controllere, der sælges i dag, indeholder auto-tuning-funktioner. Drift detaljer varierer mellem producenter, men alle følger regler svarende til dem, der er beskrevet ovenfor., I det væsentlige “lærer” PID-controlleren, hvordan processen reagerer på en forstyrrelse eller ændring i setpunkt, og beregner passende pid-indstillinger.
omegas Platinum serie af temperaturregulatorer er eksempler på enheder med auto-tuning kapacitet.
Hvad er PID tuning parametre? Find svarene i denne video!
design af PID – baserede kontrolsystemer-fra din computer
NI ‘ s Labvie. – værktøjssæt indeholder en lang række virtuelle instrumenter (VIs), der i høj grad hjælper med designet af et pid-baseret kontrolsystem., PID VIs tillader udvikling af en Proportional (P); proportional-integral (PI); proportional-derivat (PD); og proportional-integral-derivative (PID) algoritmer.
konklusion
i denne artikel har vi set, hvordan PID – controllere kan bruges til at optimere kontrolsløjfer til responstid, nøjagtighed og stabilitet under alle procesbetingelser-og hvordan I-og D-betingelserne giver et niveau af styrbarhed, der ikke er muligt med det proportionale udtryk alene.