CUNOȘTINȚE de BAZĂ – CONTROLER PID
Ce este un controler PID folosit și cum funcționează? Timp de decenii, PID a fost stabilită ca cea mai populară formă de control al proceselor – dar de ce este aceasta? Răspunsul, așa cum este explicat în acest articol, este că depășește deficiențele altor tipuri de control. Explicația include o discuție despre modul în care controlorii PID se raportează la alte metode de control, ce înseamnă termenii PID și cum funcționează controlorii.,un controler proporțional–integral–derivat (controler PID sau controler pe trei termen) este un mecanism de buclă de control care utilizează feedback-ul care este utilizat pe scară largă în sistemele de control industriale și o varietate de alte aplicații care necesită un control modulat continuu.
o ierarhie a sistemului de control
sistemele de Control sunt omniprezente în aplicații industriale, medicale, militare, auto, utilitare și multe alte aplicații – și apar uneori în viața noastră de zi cu zi., Cu toate acestea, ele vin în mai multe tipuri, dintre care controlul PID este doar unul, deși cel mai sofisticat. În consecință, începem prin a explica ierarhia sistemului de control care există astăzi și arătând modul în care controlul PID se încadrează în acest lucru. Apoi, ne concentrăm pe controlerele PID și modul în care funcționează.
control buclă deschisă-tipul cel mai de bază. Un exemplu este un furtun de grădină, conectat la un robinet. Deși robinetul poate fi acționat de un utilizator pentru a regla debitul de apă, furtunul nu are un mecanism de feedback pentru a „închide bucla” pentru reglarea automată., controlul On / off sau „Bang-Bang” – aceasta este cea mai simplă formă de control în buclă închisă și este exemplificată de un sistem de încălzire casnic cu un termostat de cameră. Termostatul compară valoarea măsurată a temperaturii camerei (MV) cu valoarea sa de referință (SP) ajustată de utilizator. Sistemul utilizează feedback-ul MV pentru a închide bucla. Dacă temperatura este prea scăzută, pornește încălzirea centrală pentru a încălzi camera până când atinge temperatura SP. Dacă temperatura depășește SP, încălzirea va fi oprită și, eventual, aerul condiționat va fi pornit pentru răcirea activă.,termostatele practice au o histereză sau o bandă moartă. Acest lucru ar putea fi de obicei 4°C, astfel încât pentru un punct de referință de 20°C, termostatul se aprinde la 18°C și mai jos și se oprește la 22°C și mai sus. Acest lucru expune limitările controlului pornit / oprit; fără Histerezis, termostatul se va comuta continuu, ceea ce poate provoca uzură excesivă și, eventual, zgomot audibil intruziv. În schimb, dacă decalajul de histerezis este prea larg, temperatura camerei va fi sub-optimă pentru o mare parte din timp.,în plus ,în unele sisteme industriale, o pornire bruscă și completă a sarcinii ar putea duce la probleme cu curenții de intrare.
Proporțională control este un control continuu metodă care oferă mai nuanțată, robust și de calitate mai bună performanță decât relativ brut on/off abordare. Cu toate acestea, proiectarea și optimizarea unei bucle de control pentru o anumită aplicație nu este lipsită de unele provocări., De obicei, este de dorit, dacă nu este esențial, să se obțină cel mai rapid timp de răspuns posibil și cea mai mare precizie la starea de echilibru, fără a crea un risc de instabilitate. Odată configurată, bucla trebuie să își mențină performanța optimă chiar și în condiții imprevizibile și în schimbare.mai jos, analizăm modul în care funcționează sistemele de control proporțional și modul în care performanța lor poate fi evaluată. Apoi introducem conceptele funcțiilor integrale (I) și derivate (D) și explicăm rolul lor esențial în optimizarea performanței controlului în buclă închisă pentru controlerele PID., Vedem cum funcțiile pot fi reglate pentru a echilibra cel mai bine timpul de răspuns și precizia împotriva stabilității în toate condițiile. astăzi, cele mai multe controlere proporționale și PID sunt implementate fie folosind microprocesoare încorporate sau microcontrolere, fie ca software care rulează pe un PLC sau un sistem mai mare de control de supraveghere și achiziție de date (SCADA). Cu toate acestea, există excepții. Controlerele PID analogice sunt încă utilizate pentru aplicații cu lățime mare de bandă și zgomot redus, iar sistemele pneumatice sunt încă disponibile .,rețineți că, indiferent de tehnologia controlerului PID, variabilele de intrare și ieșire sunt de obicei analogice.
în această configurație, variabila de proces este parametrul sistemului care trebuie controlat, cum ar fi temperatura, presiunea sau debitul. Senzorul măsoară această variabilă și alimentează un semnal corespunzător, care este de obicei electric într – un sistem modern de control al procesului; de obicei, 4-20mA. Acest lucru este comparat cu valoarea de referință, care ar putea fi ajustată de un utilizator ca în exemplul termostatului., Cu toate acestea, într-un sistem industrial, acesta poate fi setat printr-un alt proces sau printr-un program de control programabil logic controller (PLC).
ieșire din această comparație este semnalul de Eroare, care este utilizat de către operator pentru a calcula producția la proces. Câștigul proporțional al controlerului (Kp) determină raportul dintre răspunsul de ieșire și semnalul de eroare.în orice caz, ieșirea controlerului este utilizată pentru a conduce un actuator – care ar putea fi un încălzitor într-un proces industrial, de exemplu., În consecință, pe măsură ce procesul se încălzește spre valoarea de referință, semnalul de eroare este redus pe măsură ce temperatura sa se apropie de nivelul dorit. Cu toate acestea, controlul proporțional singur nu poate oferi un control perfect precis; nu poate, de la sine, elimina complet semnalul de eroare, deoarece ieșirea devine neglijabilă pe măsură ce semnalul de eroare se apropie de zero. În plus, ieșirea actuatorului nu este adesea singura influență asupra sistemului. de exemplu, într-o cameră de temperatură ar putea exista o sursă de aer rece care uneori suflă în cameră și schimbă temperatura., Aceasta se numește perturbare. În plus, răspunsul sistemului la o ieșire de control se poate schimba în timp sau ca răspuns la unele variabile. De exemplu, o cameră parțial umplută cu lichid va prezenta un răspuns mult mai rapid la ieșirea încălzitorului atunci când este aproape goală decât atunci când este aproape plină de lichid. Acest lucru creează un sistem neliniar în care parametrii de control care produc un răspuns dorit la un punct de operare ar putea să nu producă un răspuns satisfăcător la un alt punct de operare.,timpul mort, cauzat de factori precum întârzierile cauzate de fluidul care curge prin conducte, poate fi o altă problemă. În consecință, sistemele de control ar trebui să fie proiectate pentru a minimiza efectele perturbațiilor asupra proceselor variabile, neliniare și a timpului mort.
controlul procesului de proiectare
control procesul de proiectare începe prin a defini cerințele de performanță. Performanța sistemului de Control este adesea măsurată prin aplicarea unei funcții pas la intrarea punctului setat și apoi măsurarea răspunsului variabilei de proces., Acest lucru este în mod obișnuit cuantificat prin măsurarea caracteristicilor formei de undă definite.
timpul de creștere este timpul necesar sistemului pentru a trece de la 10% la 90% din valoarea la starea de echilibru sau finală. Procentul de depășire este suma pe care variabila de proces o depășește valoarea finală, exprimată ca procent din valoarea finală. Timpul de decontare este timpul necesar pentru ca variabila de proces să se stabilească într-un anumit procent (de obicei 5 %) din valoarea finală. Eroarea la starea de echilibru este diferența finală dintre variabila de proces și punctul de setare., Rețineți că definiția exactă a acestor cantități va varia în industrie și în mediul academic.
ce este un controler PID?
vom analiza acum efectele variației componentei proporționale a ieșirii controlerului și ale introducerii Termenilor integrali (i) și derivați (V).
dacă avem doar un controler proporțional (P), putem începe prin setarea câștigului Kp la o valoare modestă, cum ar fi 10 (K este fără dimensiuni). După aplicarea intrării pasului, ieșirea va fi stabilă, dar se va apropia încet de valoarea dorită., Dacă Kp este mărit la, să zicem, 100, atât eroarea la starea de echilibru, cât și timpul de creștere vor fi reduse – până acum, atât de bine. Cu toate acestea, dacă creștem Kp la 200, deși timpul de creștere și eroarea la starea de echilibru sunt reduse în continuare, depășirea începe să apară. de aici înainte, creșterea suplimentară a Kp crește doar depășirea, fără alte reduceri ale timpului de creștere sau ale erorii la starea de echilibru. Și depășire poate deveni în cele din urmă underdamped oscilație, ceea ce înseamnă că sistemul va fi instabil.,
soluția industriei la aceasta a fost adăugarea componentelor integrale (i) și derivate (V) la ieșirea proporțională (P) a controlerului, pentru a construi un controler PID.
componenta integrală însumează termenul de eroare în timp. Rezultatul este că chiar și un termen mic de eroare va determina creșterea lentă a componentei integrale. Răspunsul integral va crește continuu în timp, cu excepția cazului în care eroarea este zero, astfel încât efectul este de a conduce eroarea la starea de echilibru la zero., Un fenomen numit integral windup rezultă atunci când integral action saturează un controler fără ca controlerul să conducă semnalul de eroare spre zero.deși acțiunea integrală poate elimina eroarea la starea de echilibru, aceasta poate contribui puternic la depășirea ieșirii controlerului și la posibila instabilitate. Cu toate acestea, controlul PI poate fi potrivit pentru unele procese, unde viteza sistemului nu este importantă. Cu toate acestea, în cazul în care instabilitatea este o preocupare potențială, soluția este implementarea unui controler PID prin adăugarea unei componente derivate.,componentele derivate acționează asupra ratei de schimbare a semnalului de eroare. Cu cât eroarea se modifică mai mult sau cu cât timpul derivat este mai lung, cu atât factorul derivat devine mai mare. Efectul acestui lucru este de a contracara depășirea cauzată de P și I. când eroarea este mare, P și I vor împinge ieșirea controlerului. Acest răspuns al controlerului face ca eroarea să se schimbe rapid, ceea ce, la rândul său, determină derivatul să contracareze P și I mai agresiv. Un derivat utilizat în mod corespunzător permite factori proporționali și integrați mai agresivi., Timpul derivat mai mare face ca derivatul să atenueze mai agresiv P și I.
urmăriți și acest videoclip pentru a explica controlerul PID!reglarea unui controler PID
stabilirea combinației optime de parametri P,I și D pentru o buclă de control specifică se face prin reglare – și sunt posibile trei abordări ale reglării: manuală, euristică („regulă de bază”) și automată.reglarea manuală PID se face prin setarea timpului de resetare (integral) la valoarea maximă și rata (derivată) la zero și creșterea câștigului până când bucla oscilează la o amplitudine constantă., (Când răspunsul la o corecție de eroare are loc rapid un câștig mai mare poate fi utilizat. Dacă răspunsul este lent, este de dorit un câștig relativ mic). Apoi setați câștigul controlerului PID la jumătate din această valoare și reglați timpul de resetare astfel încât să se corecteze pentru orice compensare într-o perioadă acceptabilă. În cele din urmă, crește rata de PID buclă până depășire este minimizat
Zeigler și Nichols două metode euristice de tuning PID controller fost publicat pentru prima dată în 1942., Acestea funcționează prin aplicarea unei modificări pas cu pas a sistemului și observarea răspunsului rezultat. Prima metodă presupune măsurarea decalajului sau a întârzierii în răspuns și apoi timpul necesar pentru a atinge noua valoare de ieșire. Al doilea depinde de stabilirea perioadei de oscilație la starea de echilibru. În ambele metode, aceste valori sunt apoi introduse într-un tabel pentru a obține valorile pentru câștig, timp de resetare și rată pentru controlerul PID.majoritatea controlerelor PID vândute astăzi încorporează funcții de reglare automată. Detaliile de operare variază între producători, dar toate respectă reguli similare cu cele descrise mai sus., În esență, controlerul PID „învață” modul în care procesul răspunde la o perturbare sau modificare a punctului de setare și calculează setările PID corespunzătoare.
seria de regulatoare de temperatură OMEGA Platinum sunt exemple de dispozitive cu capacitate de reglare automată.
care sunt parametrii de reglare PID? Găsiți răspunsurile în acest videoclip!
proiectarea sistemelor de control bazate pe PID-de pe computer
setul de instrumente LabVIEW al NI oferă o mare varietate de instrumente virtuale (VIs) care ajută foarte mult la proiectarea unui sistem de control bazat pe PID ., PID VIs permite dezvoltarea algoritmilor proporțional (P); proporțional-integral (PI); proporțional-derivat (PD); și proporțional-integral-derivat (PID).
concluzie
În acest articol, am văzut cum controlerele PID pot fi utilizate pentru a optimiza buclele de control pentru timpul de răspuns, precizia și stabilitatea în toate condițiile procesului – și cum termenii I și D oferă un nivel de controlabilitate nu este posibil doar cu termenul proporțional.