GRUNNLEGGENDE KUNNSKAP – PID-KONTROLLEREN
Hva er en PID-kontrolleren som brukes for og hvordan fungerer det? For flere tiår, PID har blitt etablert som den mest populære form av prosess-kontroll – men hvorfor er dette? Svaret, som forklart i denne artikkelen, er at den overvinner mangler av andre kontroll-typer. Forklaringen inneholder en diskusjon av hvordan PID-kontrollere forholde seg til andre metoder, hva PID begrepene, og hvordan kontrollerne operere.,
En kontroll system hierarki
Control systems er allestedsnærværende i industrielle, medisinske, militære, bil, verktøy, og mange andre programmer – og noen ganger ser i vårt daglige liv., Men, de kommer i mange typer, hvorav PID kontroll er bare ett, men den mest sofistikerte. Derfor vil vi starte med å forklare control system hierarkiet som finnes i dag, og viser hvordan PID kontroll passer inn i denne. Så, vi fokusere på PID-regulator og hvordan de opererer.
Open loop kontroll – den mest grunnleggende typen. Ett eksempel er en hageslange, koblet til en hurtig på. Selv om kranen kan brukes av en bruker for å regulere vannføringen, slangen har ingen tilbakemeldinger å ‘lukke loop’ for automatisk regulering.,
På/av eller ‘Bang-Bang» kontroll – dette er den enkleste formen for closed loop kontroll, og er eksemplifisert ved en oppvarming system med en romtermostat. Termostaten sammenligner rom temperatur målt verdi (MV) med sin setpoint (SP) som justeres av brukeren. Bruker systemet MV tilbakemeldinger for å lukke sløyfen. Hvis temperaturen er for lav, viser det på sentralvarme til å varme opp rommet til den når SP temperatur. Hvis temperaturen overstiger SP, oppvarming vil bli slått av, og, muligens, air condition vil være i gang for aktiv kjøling.,
Praktisk termostater har en hysterese, eller døde-band. Dette kan typisk være 4°C, så for en setpoint på 20°C, termostaten slås på ved 18°C og under, og av på 22°C og over. Dette avslører begrensninger på på/av-kontroll, uten hysterese, termostaten ville bytte kontinuerlig, noe som kan føre til overdreven slitasje, og muligens forstyrrende støy. Derimot, hvis den hysterese gapet er for stort, romtemperatur vil være sub-optimal for mye av tiden.,
i Tillegg, i noen industrielle systemer, en plutselig og full belastning turn-on kan føre til problemer med inrush strøm.
Proporsjonal kontroll er en kontinuerlig kontroll metode som tilbyr mer nyansert, robust og bedre kvalitet enn den relativt råolje på/av-tilnærming. Imidlertid, designe og optimalisere for en kontroll loop for et bestemt program er ikke uten noen utfordringer., Det er vanligvis ønskelig hvis det ikke er avgjørende for å oppnå raskest mulig respons tid og største steady-state nøyaktighet, uten at det skaper en risiko for ustabilitet. Når det er satt opp, løkken må opprettholde optimal ytelse selv under uforutsigbare og endre prosessen forhold.
Nedenfor ser vi på hvordan proporsjonal kontroll systemer opererer, og hvordan resultatene deres kan bli vurdert. Da vi introdusere begrepene Integrert (I) og Derivater (D) funksjoner, og forklare deres viktige rolle i å optimalisere closed loop kontroll ytelse for PID-kontrollere., Vi ser hvordan funksjonene kan justeres for best mulig å balansere responstid og nøyaktighet mot stabilitet under alle forhold.
i Dag, mest proporsjonale og PID-kontrollere er gjennomført, enten ved å bruke innebygde mikroprosessorer eller mikrokontrollere, eller som programvare som kjører på en PLS eller større (supervisory control and data acquisition (SCADA) system. Men det finnes unntak. Analog PID kontrollere er fortsatt brukes for høy båndbredde og lite støy programmer, og pneumatiske systemer er fortsatt tilgjengelig .,
Merk at, uavhengig av PID-kontrolleren er teknologi, input-og output-variabler er vanligvis analog.
I denne konfigurasjonen, er prosessen variabel er systemet parameter som må kontrolleres, slik som temperatur, trykk eller vannføring. Sensoren måler denne variabelen og strømmer tilbake en tilsvarende signal, som vanligvis er elektrisk i en moderne process control system, vanligvis, 4 – 20mA. Dette er sammenlignet med setpoint-verdi, som kan justeres av brukeren, som i termostaten eksempel., Men, i et industrielt system, kan det være satt av en annen prosess, eller ved en programmable logic controller (PLC) kontroll program.
utgang fra denne sammenligningen er det Feil signal, som er brukt av kontrolleren til å beregne dens utgang til prosessen. Kontrolleren er proporsjonal gevinst (Kp) bestemmer forholdet mellom output svar til feil signal.
I alle fall, kontrolleren for utgang er brukt til å drive en aktuator – noe som kan være et varmeelement i en industriell prosess, for eksempel., Derfor, som den prosessen varmer opp mot setpoint, feil signal er redusert som temperaturen nærmer seg ønsket nivå. Imidlertid, proporsjonal kontroll alene kan ikke gi helt nøyaktig kontroll; det kan ikke, av seg selv, helt eliminere feil signal, som utgang blir ubetydelig som feil signal nærmer seg null. I tillegg aktuatoren utgang er ofte ikke bare innflytelse på systemet.
For eksempel, i en temperatur chamber det kan være en kilde til kjølig luft som noen ganger blåser inn i kammeret og endringer i temperaturen., Dette kalles en forstyrrelse. I tillegg systemets respons til en kontroll-utgangen kan endre seg over tid eller i respons til noen variable. For eksempel, et kammer delvis fylt med væske, vil ha en mye raskere respons på oppvarming utgang når nesten tomme, enn det vil da nesten full av væske. Dette skaper en ikke-lineære system der de grenseverdier som produserer en ønsket respons på en drifts-punktet kan ikke gi et tilfredsstillende svar på et annet operativsystem punkt.,
Deadtime, forårsaket av faktorer som oppstår forsinkelser fra væske som strømmer gjennom rørene, kan være et annet problem. Følgelig, kontroll-systemer skal være utformet for å minimere effektene av forstyrrelser på prosessen variabel, ikke-lineære prosesser, og deadtime.
kontroll designprosessen
kontroll design prosessen begynner med å definere krav til ytelse. Kontroll system ytelse måles ofte ved å bruke en step-funksjonen til å angi punkt inngang, og deretter måle responsen av prosessen variabel., Dette er ofte kvantifiseres ved å måle definert bølgeform egenskaper.
Stige tid er hvor lang tid systemet tar å gå fra 10 % til 90 % av steady-state, eller endelig verdi. Prosent overshoot er beløpet som prosessen variabel overshoots den endelige verdi, uttrykt som en prosentandel av den endelige verdien. Settling tid er den tiden som kreves for prosessen variabel til å bosette seg innenfor en viss prosentandel (vanligvis 5 %) av den endelige verdien. Steady state feil er den siste forskjellen mellom prosessen variabel, og angi tilgangspunkt., Vær oppmerksom på at eksakt definisjon av disse mengdene vil variere i industri og akademia.
Hva er en PID-kontrolleren?
Vi vil nå se på effekten av varierende Proporsjonal del av kontrolleren for utgang, og for å innføre Integrert (I) og Derivater (V) vilkår.
Hvis vi har bare en Proporsjonal (S) – kontrolleren, vi kan begynne med å sette Kp få til en beskjeden verdi, for eksempel 10 (K er dimensionless). Etter påføring av trinn input, output vil være stabil, men vil nærme ønsket verdi sakte., Hvis Kp økes til, si, 100, både steady state feil og fremveksten tid vil bli redusert så langt, så bra. Imidlertid, hvis vi øker Kp til 200, selv om økningen tid og steady state feil er ytterligere redusert, overshoot begynner å vises.
Fra her på ytterligere å øke Kp bare øker overshoot, med ingen ytterligere reduksjoner i økning eller steady state feil. Og overshoot kan til slutt bli underdamped pendling, noe som betyr at systemet vil være ustabil.,
bransjens løsning på dette har vært å legge til Integrert (I) og Derivater (V) komponenter til kontrolleren er Proporsjonal (S) utgang, for å bygge en PID-kontrolleren.
Integrert del summer feilen sikt over tid. Resultatet er at selv en liten feil sikt vil føre til vesentlig komponent for å øke sakte. Integrert respons vil fortsette å øke over tid, med mindre feilen er null, så effekten er å drive steady state feil til null., Et fenomen som kalles integrert windup resultater når integrert handling mettet fett en controller uten kontrolleren kjører feil signal mot null.
Selv om det er vesentlig tiltak kan eliminere steady state feil, det kan sterkt bidra til kontrolleren for utgang overshoot og mulig ustabilitet. Likevel, PI-regulering kan være egnet for noen prosesser, der system hastighet er ikke viktig. Imidlertid, der ustabilitet er et potensielt problem, løsning er å gjennomføre en PID-kontrolleren ved å legge til et Derivat komponent.,
Derivat komponenter lov om endring av feil signal. Mer feil endringer eller lengre derivat tid, jo større derivat faktor blir. Effekten av dette er å motvirke overshoot forårsaket av P og I. Når feil er store, P og jeg vil presse kontrolleren for utgang. Denne kontrolleren respons gjør feil endres raskt, som i sin tur fører til at den deriverte til å motvirke P og jeg mer aggressivt. En riktig brukt derivat gir mulighet for mer aggressiv proporsjonal og integrert faktorer., Større derivat tid gjør den avledede mer aggressivt fukt P og I.
Se også denne videoen for å få PID-Kontrolleren forklart!
– Tuning av en PID-kontrolleren
å Etablere optimal kombinasjon av P -, i-og D-parametere for en bestemt kontroll loop er gjort ved tuning – og tre tilnærminger til å tuning er mulig: manuell, heuristisk (‘tommelfingerregel’), og automatisert.
Manuell PID søking er gjort av innstillingen reset (integrert) tid til maksimal verdi og pris (Derivater) til null, og øke forsterkningen helt til løkken svinger på en konstant amplitude., (Når responsen til en feil oppstår raskt en større gevinst kan brukes. Hvis svaret er langsom en relativt liten gevinst er ønskelig). Deretter angir forsterkningen av PID-kontrolleren til halvparten av denne verdien og justere tilbakestille tiden, så det korrigerer for alle utlignet innenfor et akseptabelt tidsrom. Til slutt, øke frekvensen av PID-løkke til overshoot er minimert
Zeigler og Nichols’ to heuristiske metoder for tuning en PID-kontrolleren for første gang ble utgitt i 1942., Disse fungerer ved å bruke en trinn endre systemet og observere den resulterende respons. Den første metoden innebærer å måle et tidsintervall, eller forsinkelse i responsen og deretter den tiden det tar å nå nye utgang. Den andre er avhengig av å etablere periode av en steady-state pendling. I begge metoder, disse verdiene er så inn i en tabell for å utlede verdier for gain, kan du tilbakestille tid og pris for PID-kontrolleren.
de Fleste PID-kontrollere som selges i dag innlemme auto-tuning funksjoner. Operasjonelle detaljer varierer fra produsent til produsent, men alle følger reglene som ligner de som er beskrevet ovenfor., I hovedsak, PID-kontrolleren «lærer seg» hvordan prosessen reagerer på forstyrrelser eller endringer i settpunktet, og beregner riktig PID-innstillingene.
OMEGA ‘ s Platinum-serien av temperatur kontrollere er eksempler på enheter med auto-tuning evne.
Hva er PID-tuning parametere? Finn svarene i denne videoen!
Designe PID-basert kontroll-systemer – fra datamaskinen
NI er LabVIEW verktøysettet inneholder et bredt utvalg av Virtuelle Instrumenter (VIs) som i stor grad kan bidra i utformingen av en PID-basert kontrollsystem ., PID VIs tillate utvikling av Proporsjonale (P); proporsjonal-integrert (PI); proporsjonal-derivat (PD); og proporsjonal-integrert-derivat (PID) algoritmer.
Konklusjon
I denne artikkelen har vi sett hvordan PID-regulator kan brukes til å optimalisere kontroll løkker for responstid, nøyaktighet og stabilitet under alle prosess vilkårene – og hvordan jeg og D-form tilbyr et nivå av kontrollerbarhet ikke mulig med Proporsjonal sikt alene.