PERUSTIEDOT – PID-OHJAIN
Mikä on PID-säädin käyttää ja miten se toimii? PID on vuosikymmeniä vakiintunut suosituimmaksi prosessinvalvonnan muodoksi – mutta miksi näin on? Kuten tässä kirjoituksessa selitetään, vastaus on, että se voittaa muiden valvontatyyppien puutteet. Selitys sisältää keskustelun siitä, miten PID-ohjaimet liittyvät muihin valvontamenetelmiin, mitä PID-termit tarkoittavat ja miten valvojat toimivat.,
control-järjestelmän hierarkia
valvontajärjestelmät ovat kaikkialla teollisuuden, lääketieteen, sotilas -, auto -, hyödyllisyys ja monia muita sovelluksia – ja joskus näkyvät jokapäiväisessä elämässämme., Niitä on kuitenkin monenlaisia, joista PID-ohjaus on vain yksi, vaikkakin hienostunein. Näin ollen aloitamme selittämällä valvontajärjestelmän hierarkiaa, joka on olemassa nykyään, ja osoittamalla, miten PID-ohjaus sopii tähän. Sitten keskitymme PID-ohjaimiin ja niiden toimintaan.
avoimen silmukan ohjaus-perustyyppi. Yksi esimerkki on puutarhaletku, joka on kytketty hanaan. Vaikka napauta voidaan käyttää käyttäjä voi säädellä veden virtausta, letku ei ole palautetta mekanismi ’sulje silmukka’ automaattinen asetus.,
On/off ” tai ”Bang-Bang’ control – tämä on yksinkertaisin muoto suljettu silmukka ohjaus, ja on esimerkkinä kotimaisen lämmitys-järjestelmä, jossa on huone-termostaatti. Termostaatti vertaa huoneenlämpötilassa mitattua arvoa (MV) käyttäjän säätämään asetuspisteeseen (SP). Järjestelmä käyttää MV-palautetta silmukan sulkemiseen. Jos lämpötila on liian alhainen, se kytkee keskuslämmityksen kuumentamaan huonetta, kunnes se saavuttaa SP-lämpötilan. Jos lämpötila ylittää SP: n, lämmitys sammutetaan ja mahdollisesti ilmastointi käynnistetään aktiivijäähdytystä varten.,
käytännön termostaateissa on hystereesi eli dead-band. Tämä voi tyypillisesti olla 4°C, joten asetusarvo 20°C, termostaatti kytkeytyy päälle 18°C ja alle, ja pois klo 22°C ja yli. Tämä altistaa rajoitukset on/off-ohjaus; ilman hystereesi, termostaatti olisi vaihtaa jatkuvasti, mikä voi aiheuttaa liiallista kulumista ja mahdollisesti tunkeileva kuultavissa melua. Toisaalta, jos hystereesi aukko on liian leveä, huoneenlämpö on ala-optimaalinen suuren osan ajasta.,
lisäksi joissakin teollisuusjärjestelmissä äkillinen ja täyskuormitus voi johtaa ongelmiin inrush-virtausten kanssa.
Suhteellinen ohjaus on jatkuva valvonta menetelmä, joka tarjoaa enemmän vivahteikas, kestävä ja parempi laatu suorituskyky kuin suhteellisen karkeita päälle/pois päältä lähestymistapa. Ohjauslenkin suunnittelu ja optimointi tiettyyn sovellukseen ei kuitenkaan ole ilman haasteita., On yleensä toivottavaa, ellei välttämätöntä saavuttaa nopein mahdollinen vasteaika ja suurin vakaan tilan tarkkuus ilman epävakauden riskiä. Kun silmukka on perustettu, sen on ylläpidettävä optimaalista suorituskykyään myös ennakoimattomissa ja muuttuvissa prosessiolosuhteissa.
alla tarkastellaan, miten suhteelliset ohjausjärjestelmät toimivat ja miten niiden suorituskykyä voidaan arvioida. Sitten esittelemme käsitteitä, Kiinteä (I) ja Johdannainen (D) toimintoja, ja selittää niiden keskeinen rooli optimoida suljetun silmukan ohjaus suorituskyky PID-säätimet., Näemme, miten toiminnot voidaan virittää parhaan tasapainon vasteaika ja tarkkuus vakautta vastaan kaikissa olosuhteissa.
Nykyisin useimmat suhteellista ja PID-säätimet toteutetaan joko käyttämällä sulautettujen mikroprosessorien tai mikro, tai kun ohjelmisto on käynnissä OYJ: n tai suurempi supervisory control and data acquisition (SCADA) – järjestelmä. Poikkeuksia kuitenkin on. Analogisia PID-ohjaimia käytetään edelleen suuren kaistanleveyden ja alhaisen melun sovelluksissa, ja pneumaattisia järjestelmiä on edelleen saatavilla .,
huomaa, että PID-ohjaimen tekniikasta riippumatta Tulo-ja lähtömuuttujat ovat yleensä analogisia.
tässä kokoonpanossa prosessi muuttuja on järjestelmän parametri, jonka on oltava hallinnassa, kuten lämpötila, paine tai virtaus. Anturi mittaa tämän muuttujan ja syöttää takaisin vastaavan signaalin, joka on yleensä sähköinen nykyaikaisessa prosessinohjausjärjestelmässä; tyypillisesti 4 – 20mA. Tätä verrataan asetuspistearvoon, jota Käyttäjä voi säätää termostaatin esimerkin mukaisesti., Teollisuusjärjestelmässä se voidaan kuitenkin asettaa toisella prosessilla tai ohjelmoitavalla logiikkaohjaimella (PLC) ohjausohjelmalla.
tuotos tämä vertailu on Virhe signaali, joka on käytössä ohjain laskea sen lähtö prosessi. Ohjaimen suhteellinen voitto (Kp) määrittää lähtövasteen suhde virhesignaaliin.
joka tapauksessa, säätimen lähtö on tapana ajaa toimilaite, joka voisi olla lämmitin teollisessa prosessissa esimerkiksi., Näin ollen prosessin lämmetessä kohti asetuspistettä virhesignaali pienenee, kun sen lämpötila lähestyy haluttua tasoa. Kuitenkin, oikeasuhteinen valvonta yksin ei voi antaa täysin tarkkaa valvontaa; se ei voi itsessään kokonaan poistaa virhe signaali, koska tuotanto on häviävän pieni kuten virhe signaali lähestyy nollaa. Lisäksi toimilaitteen ulostulo ei useinkaan ole ainoa vaikutus järjestelmään.
esimerkiksi, lämpötila-jaosto ei voi olla lähde viileä ilma, että joskus puhaltaa kammioon ja muutoksia lämpötilan., Tätä kutsutaan häiriöksi. Lisäksi järjestelmän vaste ohjauslähtöön voi muuttua ajan myötä tai jonkin muuttujan seurauksena. Esimerkiksi osittain nesteellä täytetty kammio reagoi lämmittimen ulostuloon huomattavasti nopeammin, kun se on lähes tyhjä kuin lähes täynnä nestettä. Tämä luo epälineaarinen järjestelmä, jossa valvonta parametrit, jotka tuottavat halutun vasteen yksi toimintapiste ei voi tuottaa tyydyttävää vastausta, toinen toimintapiste.,
umpikuja, joka johtuu esimerkiksi putkien läpi virtaavasta nesteestä johtuvista viivästyksistä, voi olla toinen asia. Näin ollen valvontajärjestelmät olisi suunniteltava siten, että häiriöiden vaikutukset prosessimuuttujiin, epälineaarisiin prosesseihin ja seisokkeihin minimoidaan.
ohjaus suunnittelun prosessi
ohjaus suunnittelun prosessi alkaa määrittelemällä suorituskykyä koskevat vaatimukset. Valvontajärjestelmän suorituskykyä mitataan usein soveltamalla vaihe toiminto asetusarvon tulo, ja sitten mitataan vaste prosessin muuttuja., Tämä on yleisesti kvantifioitu mittaamalla määriteltyjä aaltomuodon ominaisuuksia.
nousuaika on aika, jonka järjestelmä kestää mennä 10%: sta 90% vakaan tilan, tai lopullinen arvo. Prosentuaalinen ylitys on määrä, jonka prosessimuuttuja ylittää lopullisen arvon prosentteina lopullisesta arvosta. Selvitysaika on aika, joka tarvitaan prosessimuuttujan asettumiseen tiettyyn prosenttiosuuteen (yleisesti 5 %) lopullisesta arvosta. Vakaan tilan virhe on lopullinen ero prosessimuuttujan ja asetuspisteen välillä., Huomaa, että näiden määrien tarkka määritelmä vaihtelee teollisuudessa ja korkeakouluissa.
mikä on PID-ohjain?
nyt tarkastellaan rekisterinpitäjän tuotoksen suhteellisen osan vaihtelun vaikutuksia ja otetaan käyttöön integraali (I) ja derivaatta (V) – termit.
Jos meillä on vain Suhteellinen (P) ohjain, voimme aloittaa asettamalla Kp voitto vaatimaton arvo, kuten 10 (K on dimensioton). Porraspanoksen levittämisen jälkeen lähtö on vakaa, mutta lähestyy haluttua arvoa hitaasti., Jos Kp on kasvanut, sanotaan, 100, sekä vakaan tilan virhe ja nousu aika vähenee – toistaiseksi, niin hyvä. Jos kuitenkin nostamme Kp: n 200: een, vaikka nousuaika ja vakaan tilan virhe vähenevät entisestään, ylitys alkaa näkyä.
tästä eteenpäin Kp: n lisääminen vain lisää ylityksiä, eikä nousuaikaa tai vakiotilavirhettä enää vähennetä. Ja ylityksen voi lopulta tulla underdamped värähtely, mikä tarkoittaa, että järjestelmä on epävakaa.,
alan ratkaisu tähän on ollut integraali (I) ja derivaatta (V) – komponenttien lisääminen ohjaimen suhteelliseen (P) ulostuloon PID-ohjaimen rakentamiseksi.
Kiinteä komponentti summia virhe aikavälin ajan. Tuloksena on, että pienikin virhetermi saa integraalikomponentin kasvamaan hitaasti. Olennainen vastaus tulee jatkuvasti kasvaa ajan mittaan, ellei virhe ole nolla, joten vaikutus on ajaa vakaan tilan virhe on nolla., Ilmiö nimeltä integral windup tuloksia, kun olennainen toiminta kyllästää ohjain ilman ohjain ajo-virhe signaalia kohti nollaa.
Vaikka olennainen toiminta voi poistaa vakaan tilan virheen, se voidaan voimakkaasti edistää controller output ylityksen ja mahdollinen epävakaus. Pii-ohjaus voi kuitenkin sopia joihinkin prosesseihin, joissa järjestelmänopeudella ei ole merkitystä. Kuitenkin, jos epävakaus on potentiaalinen huolenaihe, ratkaisu on toteuttaa PID-säädin lisäämällä Johdannainen komponentti.,
Derivaatat vaikuttavat virhesignaalin muuttumisnopeuteen. Mitä enemmän virhe muuttuu tai mitä pidempi johdannaisaika on, sitä suuremmaksi johdannaiskerroin muuttuu. Tämän vaikutus on vastapainoksi ylityksen aiheuttamia P ja I. Kun virhe on suuri, P ja aion push-ohjaimen lähtö. Tämä ohjain vastaus tekee virheen muuttua nopeasti, mikä puolestaan aiheuttaa johdannainen vastapainoksi P ja I aggressiivisemmin. Oikein käytetty derivaatta mahdollistaa aggressiivisemmat suhteelliset ja integraaliset tekijät., Suurempi johdannainen aika tekee johdannainen aggressiivisemmin kostuta P ja I.
Katso myös tämä video saada PID-Säädin selitti!
Tuning PID-säädin
Luoda optimaalinen yhdistelmä P -, I-ja D-parametrit erityinen valvonta-silmukka on tehty viritys – ja kolme lähestymistapoja viritys on mahdollista: manuaalinen, heuristinen (’nyrkkisääntö’), ja automatisoitu.
Manuaalinen PID viritys tapahtuu asettamalla reset (kiinteä) aikaa sen suurin arvo ja korko (Johdannainen) on nolla, ja kasvaa voitto, kunnes silmukka värähtelee jatkuva amplitudi., (Kun vastaus virhekorjaukseen tapahtuu nopeasti, voidaan käyttää suurempaa voittoa. Jos vaste on hidas, suhteellisen pieni voitto on toivottavaa). Aseta sitten PID-ohjaimen voitto puoleen tuosta arvosta ja säädä nollausaikaa niin, että se oikaisee minkä tahansa offsetin hyväksyttävässä ajassa. Lopuksi, lisätä määrä PID silmukka, kunnes ylitys on minimoitu
Ziegler ja Nichols’ kaksi heuristisia menetelmiä tuning PID-säädin on julkaistu ensimmäisen kerran vuonna 1942., Nämä toimivat soveltamalla askel muutos järjestelmään ja tarkkailemalla tuloksena vastaus. Ensimmäinen menetelmä edellyttää viiveen tai vasteen viivästymisen mittaamista ja sen jälkeen aikaa, joka kuluu uuden lähtöarvon saavuttamiseen. Toinen riippuu vakiotilaisen oskillaation ajan määrittämisestä. Kummassakin menetelmässä nämä arvot merkitään sitten taulukkoon, josta saadaan PID-ohjaimelle arvot voitto, nollausaika ja korko.
useimmat nykyään myytävät PID-ohjaimet sisältävät automaattisia viritystoimintoja. Käyttötiedot vaihtelevat valmistajien välillä, mutta kaikki noudattavat edellä kuvattuja sääntöjä., Pohjimmiltaan, PID-säädin ”oppii”, miten prosessi vastaa häiriö tai muutos asettaa vaiheessa, ja laskee asianmukaiset PID-asetuksia.
OMEGA ’ s Platinum series of temperature controllers ovat esimerkkejä laitteista, joilla on automaattinen virityskyky.
Mitä ovat PID-viritysparametrit? Löydät vastaukset tästä videosta!
Suunnittelu PID-pohjaiset ohjausjärjestelmät – tietokoneesta
NI: n LabVIEW-työkalusarja tarjoaa laajan valikoiman Virtuaali-Instrumentit (VIs), joka suuresti auttaa suunnittelussa PID-pohjainen ohjausjärjestelmä ., PID VIs mahdollistaa suhteellisten (P), suhteellinen-integraali (PI), suhteellinen-derivaatta (PD) ja suhteellinen-integraali-derivaatta (PID) algoritmien kehittämisen.
Johtopäätös
tässä artikkelissa, olemme nähneet, miten PID-säätimet voidaan optimoida ohjaus lenkit vasteaika, tarkkuus ja vakaus kaikissa prosessin olosuhteissa, ja miten I-ja D-termit ovat tason hallittavuuden ole mahdollista Verrannollinen termi yksin.