basiskennis-PID CONTROLLER
waarvoor wordt een PID controller gebruikt en hoe werkt het? Al decennia lang is PID de populairste vorm van procesbesturing – maar waarom is dit? Het antwoord is, zoals in dit artikel wordt uitgelegd, dat het de tekortkomingen van andere soorten controles overwint. De uitleg omvat een bespreking van hoe PID controllers zich verhouden tot andere besturingsmethoden, wat de PID termen betekenen, en hoe de controllers werken.,
een besturingssysteem hiërarchie
besturingssystemen zijn alomtegenwoordig in industriële, medische, militaire, automotive, utility en vele andere toepassingen – en verschijnen soms in ons dagelijks leven., Echter, ze komen in vele soorten, waarvan PID controle is slechts EEN, zij het de meest geavanceerde. Dienovereenkomstig beginnen we met het uitleggen van de Besturingssysteem hiërarchie die vandaag bestaat, en laten we zien hoe PID controle hierin past. Vervolgens richten we ons op PID-regelaars en hoe ze werken.
Open loop control-het meest basale type. Een voorbeeld is een tuinslang, aangesloten op een kraan. Hoewel de kraan door een gebruiker kan worden bediend om de waterstroom te regelen, heeft de slang geen feedbackmechanisme om de lus te sluiten voor automatische regeling.,
Aan / uit of’ Bang-Bang ‘ – regeling: Dit is de eenvoudigste vorm van gesloten-lusregeling en wordt geïllustreerd door een verwarmingssysteem voor huishoudelijk gebruik met een ruimtethermostaat. De thermostaat vergelijkt de meetwaarde bij kamertemperatuur (MV) met het door de gebruiker ingestelde instelpunt (SP). Het systeem gebruikt de MV feedback om de lus te sluiten. Als de temperatuur te laag is, wordt de centrale verwarming ingeschakeld om de kamer te verwarmen totdat deze SP-temperatuur bereikt. Als de temperatuur de SP overschrijdt, wordt de verwarming uitgeschakeld en wordt eventueel de airconditioning gestart voor actieve koeling.,
praktische thermostaten hebben een hysterese of dode band. Dit kan typisch 4°C zijn, dus voor een instelpunt van 20°C, gaat de thermostaat aan bij 18°C en lager, en uit bij 22°C en hoger. Dit legt de beperkingen van de AAN/UIT-regeling bloot; zonder hysterese zou de thermostaat continu schakelen, wat overmatige slijtage en mogelijk opdringerig hoorbaar geluid kan veroorzaken. Omgekeerd, als de hysteresiskloof te breed is, zal de kamertemperatuur voor een groot deel van de tijd suboptimaal zijn.,
bovendien kan in sommige industriële systemen een plotselinge en volle belasting inschakelen leiden tot problemen met inschakelstromen.
proportionele controle is een continue controlemethode die genuanceerdere, robuustere en betere kwaliteitsprestaties biedt dan de relatief ruwe aan / uit-benadering. Het ontwerpen en optimaliseren van een besturingslus voor een bepaalde toepassing is echter niet zonder enkele uitdagingen., Het is meestal wenselijk, zo niet essentieel, om de snelst mogelijke responstijd en de grootste nauwkeurigheid van de steady-state te bereiken, zonder een risico van instabiliteit te creëren. Eenmaal ingesteld, moet de lus zijn optimale prestaties behouden, zelfs tijdens onvoorspelbare en veranderende procesomstandigheden.
hieronder bekijken we hoe proportionele besturingssystemen werken en hoe hun prestaties kunnen worden beoordeeld. Vervolgens introduceren we de concepten van de integraal (I) en afgeleide (D) functies, en leggen we hun essentiële rol uit bij het optimaliseren van closed loop control performance voor PID controllers., We zien hoe de functies kunnen worden afgestemd op de beste balans responstijd en nauwkeurigheid tegen stabiliteit onder alle omstandigheden.
tegenwoordig worden de meeste proportionele en PID-regelaars geïmplementeerd met behulp van ingebouwde microprocessors of microcontrollers, of als software die draait op een PLC of een groter SCADA-systeem (supervisory control and data acquisition). Er zijn echter uitzonderingen. Analoge PID-regelaars worden nog steeds gebruikt voor toepassingen met hoge bandbreedte en lage ruis, en pneumatische systemen zijn nog steeds beschikbaar .,
merk op dat, ongeacht de technologie van de PID-regelaar, de input-en outputvariabelen gewoonlijk analoog zijn.
in deze configuratie is de procesvariabele de systeemparameter die moet worden gecontroleerd, zoals temperatuur, druk of debiet. De sensor meet deze variabele en voert een overeenkomstig signaal terug, dat gewoonlijk elektrisch is in een modern procesbesturingssysteem; typisch, 4-20mA. Dit wordt vergeleken met de setpoint waarde, die kan worden aangepast door een gebruiker zoals in het thermostaat voorbeeld., In een industrieel systeem kan het echter worden ingesteld door een ander proces, of door een programmable logic controller (PLC) besturingsprogramma.
De uitvoer van deze vergelijking is het foutsignaal, dat door de controller wordt gebruikt om de uitvoer naar het proces te berekenen. De proportionele versterking (KP) van de controller bepaalt de verhouding van de outputrespons op het foutsignaal.
in ieder geval wordt de uitgang van de regelaar gebruikt om een actuator aan te drijven – wat bijvoorbeeld een verwarmer in een industrieel proces zou kunnen zijn., Dienovereenkomstig, als het proces opwarmt naar het instelpunt, wordt het foutsignaal verminderd als de temperatuur het gewenste niveau nadert. Proportionele controle alleen kan echter geen perfect nauwkeurige controle bieden; het kan, op zichzelf, het foutsignaal niet volledig elimineren, aangezien de output verwaarloosbaar wordt als het foutsignaal nul nadert. Bovendien is de actuatoruitgang vaak niet de enige invloed op het systeem.
bijvoorbeeld, in een temperatuurkamer kan er een bron van koele lucht zijn die soms in de kamer blaast en de temperatuur verandert., Dit wordt een verstoring genoemd. Bovendien kan de reactie van het systeem op een besturingsoutput in de loop van de tijd of in reactie op een variabele veranderen. Bijvoorbeeld, een kamer gedeeltelijk gevuld met vloeistof zal vertonen een veel snellere reactie op verwarming output wanneer bijna leeg dan het zal wanneer bijna vol met vloeistof. Hierdoor ontstaat een niet-lineair systeem waarbij de regelparameters die op het ene bedrijfspunt een gewenste respons geven, mogelijk niet op een ander bedrijfspunt een bevredigende respons geven.,
Deadtime, veroorzaakt door factoren zoals vertragingen als gevolg van vloeistof die door leidingen stroomt, kan een ander probleem zijn. Daarom moeten controlesystemen zodanig worden ontworpen dat de effecten van storingen op de procesvariabele, niet-lineaire processen en deadtime tot een minimum worden beperkt.
het besturingsproces
het besturingsproces begint met het definiëren van de prestatie-eisen. De prestaties van het besturingssysteem worden vaak gemeten door een stapfunctie toe te passen op de instelpuntingang en vervolgens de respons van de procesvariabele te meten., Dit wordt meestal gekwantificeerd door het meten van gedefinieerde golfvormkenmerken.
stijgtijd is de hoeveelheid tijd die het systeem nodig heeft om van 10% naar 90% van de stationaire of definitieve waarde te gaan. Percentage overschrijding is het bedrag dat de procesvariabele de eindwaarde overschrijdt, uitgedrukt als een percentage van de eindwaarde. Afwikkelingstijd is de tijd die nodig is voor de procesvariabele om te settelen tot binnen een bepaald percentage (gewoonlijk 5 %) van de uiteindelijke waarde. Steady-state-fout is het uiteindelijke verschil tussen de procesvariabele en het instelpunt., Merk op dat de exacte definitie van deze hoeveelheden zal variëren in het bedrijfsleven en de academische wereld.
Wat is een PID-regelaar?
We zullen nu kijken naar de effecten van het variëren van de proportionele component van de output van de controller, en van de invoering van Integrale (I) en afgeleide (V) termen.
als we slechts een proportionele (P) controller hebben, kunnen we beginnen met het instellen van de KP winst op een bescheiden waarde, zoals 10 (K is dimensieloos). Na het toepassen van de stap input, zal de output stabiel zijn, maar zal de gewenste waarde langzaam benaderen., Als Kp wordt verhoogd tot, Laten we zeggen, 100, zowel de stationaire toestand fout en de stijgtijd zal worden verminderd-tot nu toe, zo goed. Echter, als we KP verhogen tot 200, hoewel de stijgtijd en steady state fout verder worden verminderd, overshoot begint te verschijnen.
vanaf nu verhoogt een verdere toename van Kp alleen maar de overshoot, zonder verdere reducties in stijgtijd of statusfout. En overshoot kan uiteindelijk worden ondergedompeld oscillatie, wat betekent dat het systeem onstabiel zal zijn.,
de oplossing van de industrie was om integraal (I) en afgeleide (V) componenten toe te voegen aan de proportionele (P) uitvoer van de regelaar, om een PID regelaar te bouwen.
De integrale component somt de foutterm in de tijd op. Het resultaat is dat zelfs een kleine foutterm ervoor zorgt dat de integrale component langzaam toeneemt. De integrale respons zal voortdurend toenemen in de tijd, tenzij de fout nul is, dus het effect is om de steady state fout naar nul te drijven., Een fenomeen genaamd integrale windup resulteert wanneer integrale actie verzadigt een controller zonder de controller rijden het foutsignaal naar nul.
hoewel integrale actie de stationaire-statusfout kan elimineren, kan het sterk bijdragen tot overschrijding van de uitvoer van de regelaar en mogelijke instabiliteit. Toch kan PI-besturing geschikt zijn voor sommige processen, waarbij de systeemsnelheid niet belangrijk is. Echter, wanneer instabiliteit een potentieel probleem is, is de oplossing om een PID-regelaar te implementeren door een afgeleide component toe te voegen.,
afgeleide componenten werken op de snelheid van verandering van het foutsignaal. Hoe meer fouten veranderen of hoe langer de afgeleide tijd, hoe groter de afgeleide factor wordt. Het effect hiervan is om de overshoot veroorzaakt door P en I. tegen te gaan wanneer de fout groot is, duwen de P en de I de controller uitgang. Deze controller reactie maakt fout snel veranderen, die op zijn beurt zorgt ervoor dat de afgeleide om de P en de I agressiever tegen te gaan. Een goed gebruikt derivaat zorgt voor agressievere proportionele en integrale factoren., Grotere afgeleide tijd maakt de afgeleide agressiever dempen P en I.
Bekijk ook deze video om PID Controller uitgelegd te krijgen!
het afstemmen van een PID-regelaar
het vaststellen van de optimale combinatie van P–, I-en D-parameters voor een specifieke regelkring wordt gedaan door het afstemmen-en drie benaderingen van het afstemmen zijn mogelijk: handmatig, heuristisch (‘vuistregel’) en geautomatiseerd.
handmatige PID tuning wordt gedaan door de reset (integraal) tijd in te stellen op zijn maximale waarde en de snelheid (afgeleide) op nul, en de winst te verhogen totdat de lus oscilleert met een constante amplitude., (Wanneer de reactie op een foutcorrectie snel optreedt, kan een grotere gain worden gebruikt. Als de respons traag is, is een relatief kleine winst wenselijk). Stel vervolgens de versterking van de PID-regelaar in op de helft van die waarde en pas de resettijd aan zodat deze elke offset binnen een aanvaardbare periode corrigeert. Ten slotte, verhoog de snelheid van de PID loop tot overshoot geminimaliseerd is
Zeigler en Nichols’ twee heuristische methoden voor het afstemmen van een PID-regelaar werden voor het eerst gepubliceerd in 1942., Deze werken door het toepassen van een stap verandering in het systeem en het observeren van de resulterende reactie. De eerste methode omvat het meten van de vertraging of vertraging in reactie en vervolgens de tijd die nodig is om de nieuwe outputwaarde te bereiken. De tweede hangt af van het vaststellen van de periode van een stationaire oscillatie. In beide methoden worden deze waarden vervolgens ingevoerd in een tabel om de waarden voor versterking, resettijd en snelheid voor de PID-regelaar af te leiden.
De meeste PID-regelaars die vandaag de dag worden verkocht, hebben automatisch afstellen van functies. De bedrijfsgegevens verschillen tussen de fabrikanten, maar Alle volgen regels die vergelijkbaar zijn met die welke hierboven zijn beschreven., In wezen “leert” de PID-regelaar hoe het proces reageert op een storing of verandering in het instelpunt, en berekent de juiste PID-instellingen.
OMEGA ‘ s Platinum serie van temperatuurregelaars zijn voorbeelden van apparaten met auto-tuning mogelijkheid.
Wat zijn PID tuning parameters? Vind de antwoorden in deze video!
ontwerpen van PID – gebaseerde besturingssystemen-vanaf uw computer
NI ‘ s LabVIEW-toolset bevat een breed scala aan virtuele instrumenten (VIs) die enorm helpen bij het ontwerpen van een PID-gebaseerd besturingssysteem ., PID VIs laat de ontwikkeling van proportionele (P); proportioneel-integraal (PI); proportioneel-derivaat (PD); en proportioneel-integraal-derivaat (PID) algoritmen.
conclusie
in dit artikel hebben we gezien hoe PID – regelaars kunnen worden gebruikt om regellussen te optimaliseren voor responstijd, nauwkeurigheid en stabiliteit onder alle procesomstandigheden-en hoe de i-en D-termen een niveau van regelbaarheid bieden dat niet mogelijk is met de proportionele term alleen.