wiedza podstawowa – kontroler PID
do czego służy kontroler PID i jak działa? Od dziesięcioleci PID jest najpopularniejszą formą sterowania procesem-ale dlaczego tak jest? Odpowiedź, jak wyjaśniono w tym artykule, jest taka, że pokonuje braki innych typów kontroli. Wyjaśnienie zawiera omówienie, w jaki sposób sterowniki PID odnoszą się do innych metod sterowania, co oznaczają terminy PID i jak działają sterowniki.,
hierarchia systemu sterowania
systemy sterowania są wszechobecne w przemyśle, medycynie, wojsku, motoryzacji, użyteczności publicznej i wielu innych aplikacjach – i czasami pojawiają się w naszym codziennym życiu., Występują jednak w wielu typach, z których kontrola PID jest tylko jedna, choć najbardziej wyrafinowana. W związku z tym zaczynamy od wyjaśnienia istniejącej obecnie hierarchii systemu sterowania i pokazania, w jaki sposób kontrola PID pasuje do tego. Następnie skupiamy się na sterownikach PID i ich działaniu.
Sterowanie W pętli otwartej – najbardziej podstawowy typ. Przykładem może być wąż ogrodowy, podłączony do kranu. Chociaż kran może być obsługiwany przez użytkownika w celu regulacji przepływu wody, wąż nie ma mechanizmu sprzężenia zwrotnego, aby „zamknąć pętlę” w celu automatycznej regulacji.,
Sterowanie On / off lub 'Bang-Bang' – jest to najprostsza forma sterowania w pętli zamkniętej, której przykładem jest Domowy system grzewczy z termostatem pokojowym. Termostat porównuje wartość zmierzoną temperatury pokojowej (MV) z jej nastawą (SP) dostosowaną przez użytkownika. System wykorzystuje sprzężenie zwrotne SN do zamknięcia pętli. Jeśli temperatura jest zbyt niska, włącza Centralne ogrzewanie, aby ogrzać pomieszczenie, aż osiągnie temperaturę SP. Jeśli temperatura przekroczy SP, ogrzewanie zostanie wyłączone i ewentualnie zostanie uruchomiona Klimatyzacja do aktywnego chłodzenia.,
praktyczne termostaty mają histerezę lub martwe pasmo. Zazwyczaj może to być 4°C, więc dla nastawy 20°C Termostat włącza się w temperaturze 18°C i poniżej, a wyłącza w temperaturze 22°C i powyżej. Naraża to na ograniczenia kontroli włączania/ wyłączania; bez histerezy termostat przełącza się w sposób ciągły, co może powodować nadmierne zużycie i ewentualnie uciążliwy hałas słyszalny. I odwrotnie, jeśli luka histerezy jest zbyt szeroka, temperatura w pomieszczeniu będzie przez większą część czasu nieoptymalna.,
dodatkowo, w niektórych systemach przemysłowych nagłe i pełne włączenie obciążenia może prowadzić do problemów z prądami rozruchowymi.
sterowanie proporcjonalne jest metodą ciągłej kontroli, która oferuje bardziej dopracowane, solidne i lepszą jakość niż stosunkowo surowe podejście włączania / wyłączania. Jednak projektowanie i optymalizacja pętli sterowania dla konkretnej aplikacji nie jest bez pewnych wyzwań., Zwykle pożądane jest, jeśli nie niezbędne, osiągnięcie możliwie najszybszego czasu reakcji i największej dokładności stanu ustalonego, bez stwarzania ryzyka niestabilności. Po skonfigurowaniu pętla musi utrzymywać optymalną wydajność nawet w nieprzewidywalnych i zmieniających się warunkach procesu.
poniżej przyjrzymy się, jak działają proporcjonalne systemy sterowania i jak można ocenić ich wydajność. Następnie przedstawiamy koncepcje funkcji całkowych (I) i pochodnych (D) i wyjaśniamy ich zasadniczą rolę w optymalizacji wydajności sterowania w pętli zamkniętej dla sterowników PID., Widzimy, jak można dostosować funkcje do najlepszego czasu reakcji i dokładności w stosunku do stabilności w każdych warunkach.
obecnie większość sterowników proporcjonalnych i PID jest implementowana albo za pomocą wbudowanych mikroprocesorów lub mikrokontrolerów, albo jako oprogramowanie działające na sterowniku PLC lub większym systemie nadzoru kontroli i akwizycji danych (SCADA). Istnieją jednak wyjątki. Analogowe sterowniki PID są nadal używane w aplikacjach o dużej przepustowości i niskim poziomie hałasu, a systemy pneumatyczne są nadal dostępne .,
zauważ, że niezależnie od technologii kontrolera PID, zmienne wejściowe i wyjściowe są zwykle analogowe.
w tej konfiguracji zmienna procesowa jest parametrem systemu, który musi być kontrolowany, taki jak temperatura, Ciśnienie lub natężenie przepływu. Czujnik mierzy tę zmienną i przekazuje odpowiedni sygnał, który jest zwykle elektryczny w nowoczesnym systemie sterowania procesem; zazwyczaj 4 – 20mA. Jest to porównywane z wartością zadaną, która może być regulowana przez Użytkownika, jak w przykładzie termostatu., Jednak w systemie przemysłowym może być ustawiony przez inny proces lub programowalny sterownik logiczny (PLC).
wyjście z tego porównania jest sygnałem błędu, który jest używany przez kontroler do obliczenia jego wyjścia do procesu. Proporcjonalne wzmocnienie sterownika (KP) określa stosunek odpowiedzi wyjścia do sygnału błędu.
w każdym przypadku wyjście sterownika jest używane do napędu siłownika – który może być nagrzewnicą na przykład w procesie przemysłowym., W związku z tym, gdy proces nagrzewa się w kierunku zadanej wartości, sygnał błędu jest zmniejszany, gdy jego temperatura zbliża się do pożądanego poziomu. Jednak samo sterowanie proporcjonalne nie może zapewnić idealnie dokładnego sterowania; nie może samo w sobie całkowicie wyeliminować sygnału błędu, ponieważ wyjście staje się znikome, gdy sygnał błędu zbliża się do zera. Dodatkowo, wyjście siłownika często nie jest jedynym wpływem na układ.
na przykład w komorze temperaturowej może znajdować się źródło chłodnego powietrza, które czasami wdmuchuje się do komory i zmienia temperaturę., To się nazywa zakłócenie. Dodatkowo reakcja systemu na wyjście sterujące może zmieniać się w czasie lub w odpowiedzi na jakąś zmienną. Na przykład komora częściowo wypełniona płynem wykazuje znacznie szybszą reakcję na wyjście nagrzewnicy, gdy jest prawie pusta, niż gdy jest prawie pełna płynu. Tworzy to nieliniowy układ, w którym parametry sterowania, które wytwarzają pożądaną odpowiedź w jednym punkcie roboczym, mogą nie wytwarzać zadowalającej odpowiedzi w innym punkcie roboczym.,
Deadtime, spowodowane czynnikami takimi jak opóźnienia wynikające z płynu przepływającego przez rury, może być kolejnym problemem. W związku z tym systemy sterowania powinny być zaprojektowane tak, aby zminimalizować wpływ zakłóceń na zmienne procesowe, procesy nieliniowe i deadtime.
proces projektowania sterowania
proces projektowania sterowania rozpoczyna się od zdefiniowania wymagań dotyczących wydajności. Wydajność systemu sterowania jest często mierzona poprzez zastosowanie funkcji kroku do wejścia zadanego punktu, a następnie pomiar odpowiedzi zmiennej procesowej., Jest to powszechnie określane ilościowo przez pomiar zdefiniowanych charakterystyk przebiegu.
Czas narastania to czas, jaki system potrzebuje, aby przejść od 10% do 90 % wartości stanu ustalonego lub końcowej. Procent przekroczenia jest to kwota, że zmienna procesowa przekracza wartość końcową, wyrażoną jako procent wartości końcowej. Czas rozliczenia to czas wymagany dla zmiennej procesowej do rozliczenia się w ramach pewnego procentu (zwykle 5 %) wartości końcowej. Błąd stanu ustalonego jest ostateczną różnicą między zmienną procesową a punktem zadanym., Należy pamiętać, że dokładna definicja tych ilości będzie się różnić w przemyśle i środowisku akademickim.
Co to jest kontroler PID?
przyjrzymy się teraz efektom zmiany proporcjonalnej składowej wyjścia kontrolera oraz wprowadzeniu całek (I) i pochodnych (V).
Jeśli mamy tylko kontroler proporcjonalny (P), możemy zacząć od ustawienia wzmocnienia Kp na skromną wartość, np. 10 (K jest bezwymiarowe). Po zastosowaniu step input, wyjście będzie stabilne, ale będzie zbliżać się do żądanej wartości powoli., Jeśli Kp zostanie zwiększona do, powiedzmy, 100, zarówno błąd stanu ustalonego, jak i czas wzrostu zostaną zmniejszone – jak dotąd, tak dobrze. Jednakże, jeśli zwiększymy Kp do 200, chociaż czas narastania i błąd stanu ustalonego są dalej zmniejszone, pojawia się przekroczenie.
od tej pory dalszy wzrost Kp tylko zwiększa przekroczenie, bez dalszego zmniejszania czasu wzrostu lub błędu stanu ustalonego. A przekroczenie może w końcu stać się niedoświetloną oscylacją, co oznacza, że system będzie niestabilny.,
rozwiązanie branżowe polegało na dodaniu integralnych (I) i pochodnych (V) komponentów do proporcjonalnego (P) wyjścia kontrolera, aby zbudować kontroler PID.
całkowy Składnik sumuje termin błędu w czasie. Rezultatem jest to, że nawet mały termin błędu spowoduje, że integralny składnik zwiększy się powoli. Odpowiedź Całkowa będzie stale wzrastać w czasie, chyba że błąd wynosi zero, więc efektem jest doprowadzenie błędu stanu ustalonego do zera., Zjawisko zwane integral windup powoduje, gdy działanie integral nasyca kontroler bez kontrolera kierującego sygnał błędu w kierunku zera.
chociaż działanie całkowe może wyeliminować błąd stanu ustalonego, może znacznie przyczynić się do przekroczenia wyjścia kontrolera i możliwej niestabilności. Niemniej jednak kontrola PI może być odpowiednia dla niektórych procesów, w których szybkość systemu nie jest ważna. Jednak tam, gdzie niestabilność jest potencjalnym problemem, rozwiązaniem jest zaimplementowanie kontrolera PID poprzez dodanie komponentu pochodnego.,
składniki pochodne działają na szybkość zmiany sygnału błędu. Im więcej zmian błędu lub dłuższy czas pochodnej, tym większy staje się czynnik Pochodny. Efektem tego jest przeciwdziałanie przekroczeniu prędkości spowodowanemu przez P I I. gdy błąd jest duży, P I I popchną wyjście kontrolera. Ta reakcja kontrolera powoduje szybką zmianę błędu, co z kolei powoduje, że pochodna bardziej agresywnie przeciwdziała P I I. Odpowiednio zastosowana pochodna pozwala na bardziej agresywne współczynniki proporcjonalne i całkowe., Większy czas pochodnej sprawia, że pochodna bardziej agresywnie tłumi P i I.
Obejrzyj również ten film, aby uzyskać Wyjaśnienie kontrolera PID!
strojenie kontrolera PID
ustalenie optymalnej kombinacji parametrów P,I i D dla określonej pętli sterowania odbywa się poprzez strojenie – możliwe są trzy podejścia do strojenia: ręczne, heurystyczne (’reguła kciuka') i automatyczne.
Ręczne strojenie PID odbywa się poprzez ustawienie czasu resetowania (całkowego) na jego maksymalną wartość, a szybkości (pochodnej) na zero i zwiększenie wzmocnienia, aż pętla oscyluje przy stałej amplitudzie., (Gdy odpowiedź na korekcję błędów pojawia się szybko, można użyć większego wzmocnienia. Jeśli odpowiedź jest powolna, pożądany jest stosunkowo niewielki zysk). Następnie Ustaw wzmocnienie kontrolera PID na połowę tej wartości i dostosuj czas resetowania, aby skorygował ewentualne przesunięcie w akceptowalnym okresie. Na koniec zwiększ szybkość pętli PID, aż przekroczenie zostanie zminimalizowane
dwie heurystyczne metody strojenia kontrolera PID Zeiglera i Nicholsa zostały po raz pierwszy opublikowane w 1942 roku., Działają one poprzez zastosowanie zmiany krok do systemu i obserwując wynikającą odpowiedź. Pierwsza metoda obejmuje pomiar opóźnienia lub opóźnienia w odpowiedzi, a następnie czas potrzebny do osiągnięcia nowej wartości wyjściowej. Druga zależy od ustalenia okresu oscylacji w stanie ustalonym. W obu metodach wartości te są następnie wprowadzane do tabeli w celu uzyskania wartości wzmocnienia, czasu resetowania i szybkości dla kontrolera PID.
większość sprzedawanych obecnie kontrolerów PID zawiera funkcje automatycznego dostrajania. Szczegóły operacyjne różnią się między producentami, ale wszyscy przestrzegają zasad podobnych do opisanych powyżej., Zasadniczo kontroler PID „uczy się”, w jaki sposób proces reaguje na zakłócenia lub zmianę wartości zadanej i oblicza odpowiednie ustawienia PID.
sterowniki temperatury serii Platinum firmy OMEGA to przykłady urządzeń z możliwością automatycznego dostrajania.
Jakie są parametry strojenia PID? Znajdź odpowiedzi w tym filmie!
Projektowanie systemów sterowania opartych na PID – z komputera
Zestaw Narzędzi LabVIEW firmy ni zawiera szeroką gamę instrumentów wirtualnych (VIs), które w znacznym stopniu pomagają w projektowaniu systemu sterowania opartego na PID ., PID VIs umożliwia rozwój algorytmów proporcjonalnych (P), proporcjonalnych-całkowych (PI), proporcjonalnych-pochodnych (PD) oraz proporcjonalnych-całkowych-pochodnych (PID).
podsumowanie
w tym artykule dowiedzieliśmy się, w jaki sposób Kontrolery PID mogą być wykorzystywane do optymalizacji pętli sterowania pod kątem czasu reakcji, dokładności i stabilności we wszystkich warunkach procesu – oraz w jaki sposób terminy I I D zapewniają poziom sterowalności niemożliwy do osiągnięcia przy zastosowaniu tylko terminu proporcjonalnego.