BASIC KNOWLEDGE – PID CONTROLLER
mire és hogyan működik a PID controller? Évtizedek óta a PID a folyamatvezérlés legnépszerűbb formája-de miért van ez? A válasz, amint azt ebben a cikkben kifejtettük, az, hogy legyőzi más ellenőrzési típusok hiányosságait. A magyarázat magában foglalja annak megvitatását, hogy a PID vezérlők hogyan kapcsolódnak más ellenőrzési módszerekhez, mit jelentenek a PID kifejezések, valamint a vezérlők működésének módját.,
a vezérlőrendszer hierarchiája
a vezérlőrendszerek mindenütt jelen vannak az ipari, orvosi, katonai, autóipari, segédprogramokban és sok más alkalmazásban – és néha megjelennek mindennapi életünkben., Azonban sokféle típusba tartoznak, amelyek közül a PID vezérlés csak egy, bár a legkifinomultabb. Ennek megfelelően kezdjük azzal, hogy elmagyarázzuk a ma létező vezérlőrendszer hierarchiáját, és megmutatjuk, hogy a PID-vezérlés hogyan illeszkedik ebbe. Ezután a PID vezérlőkre és azok működésére koncentrálunk.
open loop control-a legalapvetőbb típus. Az egyik példa egy kerti tömlő, amely egy csaphoz csatlakozik. Bár a csapot a felhasználó működtetheti a vízáramlás szabályozására, a tömlőnek nincs visszacsatolási mechanizmusa a hurok bezárására az automatikus szabályozáshoz.,
On/off vagy “Bang-Bang” vezérlés-Ez a zárt hurkú vezérlés legegyszerűbb formája, amelyet egy szobatermosztáttal ellátott háztartási fűtési rendszer példáz. A termosztát összehasonlítja a szobahőmérséklet mért értékét (MV) a felhasználó által beállított beállítási pontjával (SP). A rendszer az MV visszacsatolást használja a hurok bezárásához. Ha a hőmérséklet túl alacsony, bekapcsolja a központi fűtést, hogy melegítse a helyiséget, amíg el nem éri az SP hőmérsékletet. Ha a hőmérséklet meghaladja az SP-t, akkor a fűtés ki lesz kapcsolva, esetleg a légkondicionálás elindul az aktív hűtés érdekében.,
a gyakorlati termosztátoknak hiszterézisük vagy halott sávjuk van. Ez jellemzően 4°C lehet, így 20°C-os beállításnál a termosztát 18°C-on és alatta, majd 22°C-on vagy annál magasabb hőmérsékleten kapcsol be. Ez kiteszi a Be – / kikapcsolás korlátozásait; hiszterézis nélkül a termosztát folyamatosan kapcsol, ami túlzott kopást, esetleg zavaró hallható zajt okozhat. Ezzel szemben, ha a hiszterézis rés túl széles, a szobahőmérséklet az idő nagy részében nem lesz optimális.,
ezenkívül egyes ipari rendszerekben a hirtelen és teljes terhelés bekapcsolása problémákat okozhat az inrush áramokkal kapcsolatban.
az arányos ellenőrzés egy folyamatos ellenőrzési módszer, amely árnyaltabb, robusztusabb és jobb minőségű teljesítményt nyújt, mint a viszonylag nyers be / ki megközelítés. Egy adott alkalmazáshoz tartozó vezérlőhurok tervezése, optimalizálása azonban nem nélkülözi a kihívásokat., Általában kívánatos, ha nem elengedhetetlen a lehető leggyorsabb válaszidő és a legnagyobb állandósult állapot pontosságának eléréséhez, anélkül, hogy instabilitás kockázata lenne. A rendszer beállítása után a huroknak még a kiszámíthatatlan és változó folyamatfeltételek mellett is meg kell őriznie optimális teljesítményét.
Az alábbiakban megnézzük, hogyan működnek az arányos vezérlőrendszerek, és hogyan lehet értékelni teljesítményüket. Ezután bemutatjuk az Integral (I) és a derivált (D) függvények fogalmát, valamint elmagyarázzuk, hogy ezek milyen alapvető szerepet játszanak a PID vezérlők zárt hurkú vezérlési teljesítményének optimalizálásában., Látjuk, hogy a funkciók lehet hangolni, hogy a legjobb egyensúly válaszidő és pontosság ellen stabilitás minden körülmények között.
ma a legtöbb arányos és PID vezérlőt beágyazott mikroprocesszorokkal vagy mikrokontrollerekkel, vagy PLC vagy nagyobb felügyeleti és adatgyűjtő (SCADA) rendszeren futó szoftverként valósítják meg. Vannak azonban kivételek. Az analóg PID vezérlőket továbbra is nagy sávszélességű és alacsony zajszintű alkalmazásokhoz használják, a pneumatikus rendszerek pedig továbbra is rendelkezésre állnak .,
vegye figyelembe, hogy a PID vezérlő technológiájától függetlenül a bemeneti és kimeneti változók általában analógok.
ebben a konfigurációban a folyamatváltozó az a rendszerparaméter, amelyet ellenőrizni kell, például hőmérséklet, nyomás vagy áramlási sebesség. Az érzékelő méri ezt a változót, és visszatáplálja a megfelelő jelet, ami általában elektromos egy modern folyamatirányító rendszerben; jellemzően 4-20mA. Ezt összehasonlítjuk a beállítási értékkel, amelyet a felhasználó a termosztát példájához hasonlóan beállíthat., Egy ipari rendszerben azonban egy másik folyamat, vagy egy programozható logikai vezérlő (PLC) vezérlő program állíthatja be.
az összehasonlításból származó kimenet a hibajel, amelyet a vezérlő használ a folyamat kimenetének kiszámításához. A vezérlő arányos nyeresége (KP) meghatározza a kimeneti válasz arányát a hibajelre.
mindenesetre a vezérlő kimenetét egy működtető meghajtására használják-amely például ipari folyamatban fűtőelem lehet., Ennek megfelelően, mivel a folyamat a beállított érték felé melegszik, a hibajelzés csökken, mivel hőmérséklete megközelíti a kívánt szintet. Az arányos vezérlés azonban önmagában nem képes tökéletesen pontos vezérlést biztosítani; önmagában nem tudja teljesen kiküszöbölni a hibajelzést, mivel a kimenet elhanyagolhatóvá válik, mivel a hibajelzés nullához közelít. Ezenkívül a működtető kimenet gyakran nem az egyetlen Befolyás a rendszerre.
például egy hőmérséklet-kamrában lehet egy hideg levegő forrása, amely néha a kamrába fúj, és megváltoztatja a hőmérsékletet., Ezt hívják zavarnak. Továbbá, a rendszer válasza a vezérlő kimenet idővel változhat, vagy válaszul néhány változó. Például egy folyadékkal részben töltött kamra sokkal gyorsabban reagál a fűtőteljesítményre, amikor majdnem üres, mint amikor majdnem tele van folyadékkal. Ez olyan nemlineáris rendszert hoz létre, amelyben az egyik működési ponton a kívánt választ produkáló vezérlőparaméterek esetleg nem eredményeznek kielégítő választ egy másik működési ponton.,
holtidő, amelyet olyan tényezők okoznak, mint a csöveken átfolyó folyadékból eredő késések, egy másik kérdés lehet. Ennek megfelelően a vezérlőrendszereket úgy kell megtervezni, hogy minimalizálják a zavarok hatását a folyamatváltozóra, a nemlineáris folyamatokra és a holtidőre.
az ellenőrzési tervezési folyamat
a vezérlési tervezési folyamat a teljesítménykövetelmények meghatározásával kezdődik. A vezérlőrendszer teljesítményét gyakran úgy mérik, hogy lépésfüggvényt alkalmaznak a beállított pont bemenetére, majd megmérik a folyamatváltozó válaszát., Ezt általában meghatározott hullámforma jellemzők mérésével számszerűsítik.
az emelkedési idő az az idő, amelyet a rendszer az állandósult állapot 10%-ról 90% – ra, vagy végső értékre tesz. A százalékos túllépés az az összeg, amelyet a folyamatváltozó túllépi a végső értéket, a végső érték százalékában kifejezve. Az ülepedési idő az az idő, amely ahhoz szükséges, hogy a folyamatváltozó a végső érték egy bizonyos százalékán (általában 5 %) belül rendeződjön. Az állandósult állapot hiba a folyamatváltozó és a beállított pont közötti végső különbség., Vegye figyelembe, hogy ezeknek a mennyiségeknek a pontos meghatározása az iparban és a tudományos életben is eltérő lesz.
mi az a PID vezérlő?
most megvizsgáljuk a vezérlő kimenetének arányos összetevőjének megváltoztatásának, valamint az Integral (I) és a derivált (V) kifejezések bevezetésének hatásait.
Ha csak egy arányos (P) vezérlőnk van, akkor elkezdhetjük úgy, hogy a Kp nyereséget szerény értékre állítjuk, például 10-re (k dimenzió nélküli). A lépésbemenet alkalmazása után a kimenet stabil lesz, de lassan megközelíti a kívánt értéket., Ha a Kp-t mondjuk 100-ra növelik, akkor mind az egyensúlyi állapot hibája, mind az emelkedési idő csökken – eddig olyan jó. Ha azonban a Kp-t 200-ra növeljük, bár az emelkedési idő és az egyensúlyi állapot hibája tovább csökken, a túllépés megjelenik.
innentől kezdve a Kp további növelése csupán növeli a túllépést, anélkül, hogy tovább csökkentené a növekedési időt vagy az egyensúlyi állapot hibáját. A túllövés végül alulsúlyozott oszcillációvá válhat, ami azt jelenti, hogy a rendszer instabil lesz.,
az iparág megoldása erre az volt, hogy integrál (I) és származékos (V) komponenseket adott a vezérlő arányos (P) kimenetéhez, PID vezérlő létrehozásához.
Az integrált összetevő összegzi a hiba kifejezést idővel. Az eredmény az, hogy még egy kis hiba kifejezés is lassan növeli az integrált komponenst. Az integrált válasz folyamatosan növekszik az idő múlásával, kivéve, ha a hiba nulla, így a hatás az, hogy az egyensúlyi állapot hibáját nullára vezesse., Az integral windup nevű jelenség akkor következik be, amikor az integral action telíti a vezérlőt anélkül, hogy a vezérlő nullára vezetné a hibajelzést.
bár az integral action kiküszöböli az egyensúlyi állapot hibáját, erősen hozzájárulhat a vezérlő kimeneti túllépéséhez és az esetleges instabilitáshoz. Mindazonáltal a PI vezérlés alkalmas lehet bizonyos folyamatokra, ahol a rendszer sebessége nem fontos. Ha azonban az instabilitás potenciális aggodalomra ad okot, a megoldás egy PID vezérlő megvalósítása származékos komponens hozzáadásával.,
A származékos komponensek a hibajel változásának sebességére hatnak. Minél több hiba változik, vagy annál hosszabb a származtatott idő, annál nagyobb lesz a származtatott tényező. Ennek az a hatása, hogy ellensúlyozza a P és I által okozott túllépést. ha a hiba nagy, a P és az I nyomja meg a vezérlő kimenetét. Ez a vezérlő válasz teszi hiba változás gyorsan, ami viszont okozza a derivált ellensúlyozni a P és az I agresszívebb. A megfelelően használt származék agresszívebb arányos és integrál faktorokat tesz lehetővé., Nagyobb derivált idő teszi a derivált agresszíven tompítja P és I.
nézze meg ezt a videót, hogy PID vezérlő magyarázható!
a Tuning PID vezérlő
Létrehozó az optimális kombinációja P,i, D paraméterek egy adott szabályozási hurok által végzett tuning – három megközelítések tuning lehetséges: kézi, heurisztikus (“Szabály”), valamint automatizált.
A kézi PID hangolás úgy történik, hogy a reset (integral) időt a maximális értékre, a sebességet (derivált) nullára állítja, és addig növeli a nyereséget, amíg a hurok állandó amplitúdóban oszcillál., (Ha a hibajavításra adott válasz gyorsan megtörténik, nagyobb nyereség használható. Ha a válasz lassú, viszonylag kis nyereség kívánatos). Ezután állítsa a PID vezérlő nyereségét ennek az értéknek a felére, majd állítsa be a visszaállítási időt úgy, hogy az elfogadható időn belül korrigálja az eltolást. Végül, növelje a PID hurok sebességét, amíg a túllépés minimalizálódik
Zeigler és Nichols két heurisztikus módszerét a PID vezérlő hangolására először 1942-ben tették közzé., Ezek úgy működnek, hogy lépésről lépésre megváltoztatják a rendszert, és megfigyelik a kapott választ. Az első módszer magában foglalja a késleltetés vagy a válasz késleltetésének mérését, majd az új kimeneti érték eléréséhez szükséges időt. A második az állandósult oszcilláció időtartamának meghatározásától függ. Mindkét módszernél ezeket az értékeket egy táblázatba kell beírni, hogy levezethessék a nyereség, a visszaállítási idő és a PID vezérlő értékeit.
a legtöbb ma eladott PID vezérlő magában foglalja az automatikus hangolási funkciókat. A működési részletek a gyártók között változnak, de mindegyik a fent leírtakhoz hasonló szabályokat követ., Lényegében a PID vezérlő “megtanulja”, hogy a folyamat hogyan reagál a zavarra vagy a beállított pont változására, és kiszámítja a megfelelő PID beállításokat.
az OMEGA Platinum sorozatú hőmérsékletszabályozói példák az automatikus hangolási képességgel rendelkező eszközökre.
mik azok a PID hangolási paraméterek? Keresse meg a válaszokat ebben a videóban!
PID alapú vezérlőrendszerek tervezése-a számítógépről
NI LabVIEW eszközkészlete számos virtuális eszközt (VIs) tartalmaz, amelyek nagyban segítenek a PID alapú vezérlőrendszer kialakításában ., A PID VIs arányos (p), arányos-integrált (pi), arányos-származékos (PD) és arányos-integrál-származékos (PID) algoritmusok kifejlesztését teszi lehetővé.
Következtetés
ebben A cikkben láttuk, hogy a PID szabályozók lehet használni, hogy optimalizálja az irányítást hurok válasz idő, pontosság, valamint a stabilitás alatt folyamat feltételek – hogy az i D feltételeket biztosítanak szintű ellenőrizhetőség nem lehetséges az Arányos kifejezés egyedül.