GRUNDKENNTNISSE-PID CONTROLLER
Wofür wird ein PID Controller verwendet und wie funktioniert er? PID ist seit Jahrzehnten die beliebteste Form der Prozesssteuerung-aber warum ist das so? Die Antwort, wie in diesem Artikel erklärt, ist, dass es die Mängel anderer Kontrolltypen überwindet. Die Erklärung beinhaltet eine Diskussion darüber, wie sich PID-Controller auf andere Steuermethoden beziehen, was die PID-Begriffe bedeuten und wie die Controller funktionieren.,
Eine Steuerungssystemhierarchie
Steuerungssysteme sind in Industrie, Medizin, Militär, Automobil, Versorgungsunternehmen und vielen anderen Anwendungen allgegenwärtig und erscheinen manchmal in unserem täglichen Leben., Sie gibt es jedoch in vielen Arten, von denen die PID-Steuerung nur eine ist, wenn auch die anspruchsvollste. Dementsprechend erklären wir zunächst die heute vorhandene Steuerungssystemhierarchie und zeigen, wie die PID-Steuerung dazu passt. Dann konzentrieren wir uns auf PID-Controller und deren Funktionsweise.
Offener Regelkreis – die meisten grundlegende Typ. Ein Beispiel ist ein Gartenschlauch, der an einen Wasserhahn angeschlossen ist. Obwohl der Wasserhahn von einem Benutzer bedient werden kann, um den Wasserfluss zu regulieren, verfügt der Schlauch über keinen Rückkopplungsmechanismus zum Schließen der Schleife zur automatischen Regelung.,
Ein / Aus oder „Bang-Bang“ – Steuerung – dies ist die einfachste Form der Regelung im geschlossenen Kreislauf und wird durch ein Haushaltsheizsystem mit einem Raumthermostat veranschaulicht. Der Thermostat vergleicht den vom Benutzer eingestellten Raumtemperatur-Messwert (MV) mit seinem Sollwert (SP). Das System verwendet die MV-Rückkopplung, um die Schleife zu schließen. Wenn die Temperatur zu niedrig ist, schaltet sie die Zentralheizung ein, um den Raum zu erwärmen, bis er Raumtemperatur erreicht. Wenn die Temperatur die SP überschreitet, wird die Heizung ausgeschaltet und möglicherweise die Klimaanlage zur aktiven Kühlung gestartet.,
Praktische Thermostate haben eine Hysterese oder Totband. Dies könnte typischerweise 4°C betragen, so dass bei einem Sollwert von 20°C der Thermostat bei 18°C und darunter ein-und bei 22°C und darüber ausgeschaltet wird. Dies setzt die Grenzen der Ein/Aus-Steuerung frei; Ohne Hysterese würde der Thermostat kontinuierlich schalten, was zu übermäßigem Verschleiß und möglicherweise aufdringlichen hörbaren Geräuschen führen kann. Umgekehrt ist die Raumtemperatur für einen Großteil der Zeit suboptimal, wenn der Hysteresespalt zu groß ist.,
Zusätzlich kann in einigen industriellen Systemen ein plötzliches und Volllast-Einschalten zu Problemen mit Einschaltströmen führen.
Proportional control ist eine kontinuierliche Steuermethode, die eine nuanciertere, robustere und qualitativ bessere Leistung bietet als der relativ grobe Ein/Aus-Ansatz. Das Entwerfen und Optimieren eines Regelkreises für eine bestimmte Anwendung ist jedoch nicht ohne Herausforderungen., Es ist in der Regel wünschenswert, wenn nicht wesentlich, die schnellstmögliche Reaktionszeit und größte Steady-State-Genauigkeit zu erreichen, ohne ein Risiko der Instabilität zu schaffen. Einmal eingerichtet, muss die Schleife ihre optimale Leistung auch bei unvorhersehbaren und sich ändernden Prozessbedingungen beibehalten.
Im Folgenden betrachten wir, wie Proportionalsteuerungssysteme funktionieren und wie ihre Leistung bewertet werden kann. Anschließend stellen wir die Konzepte der integralen (I) und abgeleiteten (D) Funktionen vor und erläutern deren wesentliche Rolle bei der Optimierung der Regelkreislaufleistung für PID-Controller., Wir sehen, wie die Funktionen abgestimmt werden können, um Reaktionszeit und Genauigkeit gegen Stabilität unter allen Bedingungen bestmöglich auszugleichen.
Heute werden die meisten Proportional-und PID-Controller entweder mit eingebetteten Mikroprozessoren oder Mikrocontrollern oder als Software implementiert, die auf einer SPS oder einem größeren SCADA-System (Supervisory Control and Data Acquisition) ausgeführt wird. Es gibt jedoch Ausnahmen. Analoge PID-Regler werden weiterhin für Anwendungen mit hoher Bandbreite und geringem Rauschen verwendet, und pneumatische Systeme sind weiterhin verfügbar .,
Beachten Sie, dass die Eingangs-und Ausgangsvariablen unabhängig von der Technologie des PID-Controllers in der Regel analog sind.
In dieser Konfiguration ist die Prozessvariable der zu steuernde Systemparameter wie Temperatur,Druck oder Durchfluss. Der Sensor misst diese Variable und speist ein entsprechendes Signal zurück, das normalerweise in einem modernen Prozessleitsystem elektrisch ist; typischerweise 4 – 20mA. Dieser wird mit dem Sollwert verglichen, der wie im Thermostatbeispiel von einem Benutzer eingestellt werden kann., In einem industriellen System kann es jedoch durch einen anderen Prozess oder durch ein Steuerungsprogramm für speicherprogrammierbare Logik (SPS) eingestellt werden.
Die Ausgabe dieses Vergleichs ist das Fehlersignal, das von der Steuerung zur Berechnung der Ausgabe an den Prozess verwendet wird. Die proportionale Verstärkung (Kp) des Reglers bestimmt das Verhältnis der Ausgangsantwort zum Fehlersignal.
In jedem Fall wird der Ausgang des Reglers zum Antrieb eines Aktuators verwendet-was beispielsweise eine Heizung in einem industriellen Prozess sein könnte., Dementsprechend wird das Fehlersignal verringert, wenn sich der Prozess in Richtung des Sollwerts erwärmt, wenn sich seine Temperatur seinem gewünschten Niveau nähert. Die Proportionalsteuerung allein kann jedoch keine vollkommen genaue Steuerung liefern; Es kann das Fehlersignal nicht vollständig beseitigen, da der Ausgang vernachlässigbar wird, wenn sich das Fehlersignal Null nähert. Darüber hinaus ist der Stellantriebsausgang oft nicht der einzige Einfluss auf das System.
Zum Beispiel kann es in einer Temperaturkammer eine Quelle kühler Luft geben, die manchmal in die Kammer bläst und die Temperatur ändert., Dies wird als Störung bezeichnet. Darüber hinaus kann sich die Reaktion des Systems auf eine Steuerausgabe im Laufe der Zeit oder als Reaktion auf eine Variable ändern. Zum Beispiel zeigt eine Kammer, die teilweise mit Flüssigkeit gefüllt ist, eine viel schnellere Reaktion auf die Heizleistung, wenn sie fast leer ist, als wenn sie fast mit Flüssigkeit gefüllt ist. Dies schafft ein nichtlineares System, in dem die Steuerparameter, die eine gewünschte Antwort an einem Betriebspunkt erzeugen, möglicherweise keine zufriedenstellende Antwort an einem anderen Betriebspunkt erzeugen.,
Deadtime, verursacht durch Faktoren wie Verzögerungen, die durch durch Rohre fließende Flüssigkeit entstehen, kann ein weiteres Problem sein. Dementsprechend sollten Steuerungssysteme so ausgelegt sein, dass sie die Auswirkungen von Störungen auf die Prozessvariable, nichtlineare Prozesse und Deadtime minimieren.
Der Steuerungsdesignprozess
Der Steuerungsdesignprozess beginnt mit der Definition der Leistungsanforderungen. Die Leistung des Steuersystems wird häufig gemessen, indem eine Schrittfunktion auf die Sollwerteingabe angewendet und dann die Reaktion der Prozessvariablen gemessen wird., Dies wird üblicherweise durch Messen definierter Wellenformeigenschaften quantifiziert.
Die Anstiegszeit ist die Zeit, die das System benötigt, um von 10% auf 90% des stationären oder endgültigen Wertes zu gelangen. Percent Overshoot ist der Betrag, den die Prozessvariable den Endwert überschreibt, ausgedrückt als Prozentsatz des Endwerts. Settling time ist die Zeit, die benötigt wird, damit sich die Prozessvariable innerhalb eines bestimmten Prozentsatzes (üblicherweise 5 %) des Endwerts absetzen kann. Steady State Error ist der endgültige Unterschied zwischen der Prozessvariablen und dem Sollwert., Beachten Sie, dass die genaue Definition dieser Mengen in Industrie und Wissenschaft variieren wird.
Was ist ein PID-regler?
Wir werden uns nun mit den Auswirkungen der Variation der proportionalen Komponente der Ausgabe des Controllers und der Einführung integraler (I) und abgeleiteter (V) Terme befassen.
Wenn wir nur einen proportionalen (P) Controller haben, können wir zunächst die Kp-Verstärkung auf einen bescheidenen Wert einstellen, z. B. 10 (K ist dimensionslos). Nach dem Anwenden der Schritteingabe ist die Ausgabe stabil, nähert sich jedoch langsam dem gewünschten Wert., Wenn Kp auf beispielsweise 100 erhöht wird, werden sowohl der Steady – State-Fehler als auch die Anstiegszeit reduziert-bisher so gut. Wenn wir jedoch Kp auf 200 erhöhen, obwohl die Anstiegszeit und der Steady-State-Fehler weiter reduziert werden, tritt ein Überschwingen auf.
Von hier an erhöht eine weitere Erhöhung des Kp lediglich das Überschwingen, ohne weitere Verkürzung der Anstiegszeit oder des Steady-State-Fehlers. Und Overshoot kann schließlich underdamped Oszillation werden, was bedeutet, dass das System instabil sein wird.,
Die Lösung der Branche bestand darin, integrale (I) und abgeleitete (V) Komponenten zum proportionalen (P) Ausgang des Controllers hinzuzufügen, um einen PID-Controller zu erstellen.
Die integrale Komponente summiert den Fehlerterm im Laufe der Zeit. Das Ergebnis ist, dass selbst ein kleiner Fehlerterm dazu führt, dass die integrale Komponente langsam ansteigt. Die Integralantwort nimmt im Laufe der Zeit kontinuierlich zu, es sei denn, der Fehler ist Null, so dass der Effekt darin besteht, den Steady-State-Fehler auf Null zu bringen., Ein Phänomen, das als Integral Windup bezeichnet wird, ergibt sich, wenn Integral Action einen Controller sättigt, ohne dass der Controller das Fehlersignal auf Null treibt.
Obwohl integrale Aktion den Steady-State-Fehler beseitigen kann, kann sie stark zum Überschwingen des Controller-Ausgangs und zur möglichen Instabilität beitragen. Dennoch kann die PI-Steuerung für einige Prozesse geeignet sein, bei denen die Systemgeschwindigkeit nicht wichtig ist. Wenn Instabilität jedoch ein potenzielles Problem darstellt, besteht die Lösung darin, einen PID-Controller durch Hinzufügen einer abgeleiteten Komponente zu implementieren.,
Abgeleitete Komponenten wirken auf die Änderungsrate des Fehlersignals. Je mehr Fehleränderungen oder je länger die Ableitungszeit ist, desto größer wird der Ableitungsfaktor. Dies wirkt dem durch P und I verursachten Überschwingen entgegen. Wenn der Fehler groß ist, drücken P und I den Controller-Ausgang. Diese Controllerantwort bewirkt eine schnelle Fehleränderung, was wiederum dazu führt, dass die Ableitung dem P und dem I aggressiver entgegenwirkt. Eine ordnungsgemäß verwendete Ableitung ermöglicht aggressivere proportionale und integrale Faktoren., Größere Ableitung Zeit macht die Ableitung aggressiver dämpfen P und I.
Sehen Sie auch dieses Video PID-Controller erklärt zu bekommen!
Abstimmung eines PID-Reglers
Die optimale Kombination von P–, I-und D-Parametern für einen bestimmten Regelkreis wird durch Abstimmung festgelegt-und es sind drei Ansätze zur Abstimmung möglich: manuell, heuristisch („Faustregel“) und automatisiert.
Die manuelle PID-Abstimmung erfolgt, indem die Reset-Zeit (Integralzeit) auf ihren Maximalwert und die Rate (Ableitung) auf Null gesetzt und die Verstärkung erhöht wird, bis die Schleife mit konstanter Amplitude oszilliert., (Wenn die Antwort auf eine Fehlerkorrektur schnell erfolgt, kann eine größere Verstärkung verwendet werden. Wenn die Reaktion langsam ist, ist eine relativ kleine Verstärkung wünschenswert). Stellen Sie dann die Verstärkung des PID-Controllers auf die Hälfte dieses Wertes ein und passen Sie die Rücksetzzeit so an, dass sie innerhalb eines akzeptablen Zeitraums für jeden Offset korrigiert wird. Erhöhen Sie schließlich die Rate der PID-Schleife, bis das Überschwingen minimiert ist
Zeigler und Nichols‘ zwei heuristische Methoden zum Einstellen eines PID-Controllers wurden erstmals 1942 veröffentlicht., Diese arbeiten, indem sie eine Schrittänderung auf das System anwenden und die resultierende Antwort beobachten. Die erste Methode beinhaltet die Messung der Verzögerung oder Verzögerung in Reaktion und dann die Zeit, die benötigt wird, um den neuen Ausgabewert zu erreichen. Die zweite hängt von der Festlegung der Periode einer stationären Schwingung ab. Bei beiden Verfahren werden diese Werte dann in eine Tabelle eingegeben, um die Werte für Gain, Reset time und Rate für die PID-Steuerung abzuleiten.
Die meisten heute verkauften PID-Controller enthalten Auto-Tuning-Funktionen. Die Betriebsdetails variieren zwischen den Herstellern, aber alle folgen ähnlichen Regeln wie oben beschrieben., Im Wesentlichen „lernt“ die PID-Steuerung, wie der Prozess auf eine Störung oder Änderung des Sollwerts reagiert, und berechnet entsprechende PID-Einstellungen.
OMEGA Platinum Serie von Temperaturreglern sind Beispiele für Geräte mit Auto-Tuning-Fähigkeit.
Was sind PID-tuning-Parameter? Finden Sie die Antworten in diesem Video!
Entwerfen von PID-basierten Steuerungssystemen-von Ihrem Computer aus
Das LabVIEW-Toolset von NI verfügt über eine Vielzahl virtueller Instrumente (VIs), die bei der Gestaltung eines PID-basierten Steuerungssystems sehr hilfreich sind ., PID-Algorithmen ermöglichen die Entwicklung von Proportional (P); proportional-Integral (PI); proportional-Derivat (PD); und proportional-Integral-Derivat (PID) Algorithmen.
Schlussfolgerung
In diesem Artikel haben wir gesehen, wie PID – Regler verwendet werden können, um Regelkreise für Reaktionszeit, Genauigkeit und Stabilität unter allen Prozessbedingungen zu optimieren-und wie die I-und D-Begriffe ein Maß an Steuerbarkeit bieten, das mit dem proportionalen Term allein nicht möglich ist.