grundläggande kunskaper – PID CONTROLLER
vad är en PID controller används för och hur fungerar det? I årtionden har PID etablerats som den mest populära formen av processkontroll – men varför är det här? Svaret, som förklaras i denna artikel, är att det övervinner bristerna hos andra kontrolltyper. Förklaringen innehåller en diskussion om hur PID-styrenheter relaterar till andra kontrollmetoder, vad PID-termerna betyder och hur styrenheterna fungerar.,
ett styrsystem hierarki
styrsystem är allestädes närvarande i industriella, medicinska, militära, bil -, verktyg och många andra program-och ibland visas i våra dagliga liv., Men de kommer i många typer, varav PID-kontroll är bara en, om än den mest sofistikerade. Följaktligen börjar vi med att förklara styrsystemhierarkin som finns idag och visa hur PID-kontrollen passar in i detta. Sedan fokuserar vi på PID-styrenheter och hur de fungerar.
Open loop control – den mest grundläggande typen. Ett exempel är en trädgårdsslang, ansluten till en kran. Även om kranen kan drivas av en användare för att reglera vattenflödet, har slangen ingen återkopplingsmekanism för att ”stänga slingan” för automatisk reglering.,
På / Av eller ”Bang-Bang” – kontroll-det här är den enklaste formen av sluten slingkontroll och exemplifieras av ett inhemskt värmesystem med en rumstermostat. Termostaten jämför det uppmätta värdet för rumstemperatur (MV) med dess börvärde (SP) enligt användarens inställning. Systemet använder MV-återkopplingen för att stänga slingan. Om temperaturen är för låg slår den på Centralvärme för att värma rummet tills det når SP-temperaturen. Om temperaturen överstiger SP, kommer uppvärmningen att stängas av, och eventuellt kommer luftkonditionering att startas för aktiv kylning.,
praktiska termostater har en Hysteres eller dödband. Detta kan vanligtvis vara 4°C, så för ett börvärde på 20°C slås termostaten på vid 18°C och under och av vid 22°C och över. Detta exponerar begränsningarna för på/av-kontroll; utan Hysteres skulle termostaten växla kontinuerligt, vilket kan orsaka överdriven slitage och eventuellt påträngande ljudljud. Omvänt, om hysteresgapet är för Brett, kommer rumstemperaturen att vara suboptimal för mycket av tiden.,
dessutom, i vissa industriella system, en plötslig och full belastning turn-on kan leda till problem med inrush strömmar.
proportionell kontroll är en kontinuerlig kontrollmetod som erbjuder mer nyanserad, robust och bättre kvalitetsprestanda än den relativt råa on / off-metoden. Att utforma och optimera en kontrollslinga för en viss applikation är dock inte utan några utmaningar., Det är vanligtvis önskvärt om inte nödvändigt att uppnå snabbast möjliga svarstid och största stabila tillstånd noggrannhet, utan att skapa en risk för instabilitet. När du har ställt in måste slingan behålla sin optimala prestanda även under oförutsägbara och förändrade processförhållanden.
nedan tittar vi på hur proportionella styrsystem fungerar och hur deras prestanda kan bedömas. Sedan introducerar vi begreppen Integral (i) och Derivatfunktioner (D) och förklarar deras viktiga roll för att optimera prestanda för sluten slinga för PID-styrenheter., Vi ser hur funktionerna kan ställas in för bästa balans svarstid och noggrannhet mot stabilitet under alla förhållanden.
idag implementeras de flesta proportionella och PID-styrenheterna antingen med inbyggda mikroprocessorer eller mikrokontroller eller som programvara som körs på ett PLC-eller större övervaknings-och datainsamlingssystem (SCADA). Det finns dock undantag. Analoga PID-styrenheter används fortfarande för hög bandbredd och låg ljudnivå, och pneumatiska system är fortfarande tillgängliga .,
Observera att, oberoende av PID-styrenhetens teknik, är in-och utdatavariablerna vanligtvis analoga.
i den här konfigurationen är processvariabeln den systemparameter som måste styras, t.ex. temperatur, tryck eller flödeshastighet. Sensorn mäter denna variabel och matar tillbaka en motsvarande signal, som vanligtvis är elektrisk i ett modernt processstyrsystem; typiskt 4 – 20mA. Detta jämförs med börvärdet, vilket kan justeras av en användare som i termostatsexemplet., Men i ett industriellt system kan det ställas in av en annan process, eller av ett programmerbart logic controller (PLC) styrprogram.
utsignalen från denna jämförelse är felsignalen, som används av regulatorn för att beräkna utsignalen till processen. Regulatorns proportionella förstärkning (KP) bestämmer förhållandet mellan utdatarespons på felsignalen.
i vilket fall som helst används regulatorns utgång för att driva ett ställdon – vilket exempelvis kan vara en värmare i en industriell process., Följaktligen, när processen värms mot börvärdet, reduceras felsignalen när temperaturen närmar sig önskad nivå. Proportionell kontroll ensam kan emellertid inte ge helt exakt kontroll; det kan inte i sig helt eliminera felsignalen, eftersom utgången blir försumbar när felsignalen närmar sig noll. Dessutom är ställdonets utgång ofta inte det enda inflytandet på systemet.
till exempel i en temperaturkammare kan det finnas en källa till kall luft som ibland blåser in i kammaren och ändrar temperaturen., Detta kallas en störning. Dessutom kan systemets svar på en kontrollutgång förändras över tiden eller som svar på någon variabel. Till exempel, en kammare delvis fylld med vätska kommer att uppvisa en mycket snabbare svar på värmare utgång när nästan tom än det kommer när nästan full av vätska. Detta skapar ett icke-linjärt system där kontrollparametrarna som ger ett önskat svar vid en driftspunkt kanske inte ger ett tillfredsställande svar vid en annan driftspunkt.,
dödtid, orsakad av faktorer som förseningar till följd av vätska som strömmar genom rör, kan vara ett annat problem. Följaktligen bör styrsystem utformas för att minimera effekterna av störningar på processvariabeln, olinjära processer och dödtid.
styrdesignprocessen
styrdesignprocessen börjar genom att definiera prestandakraven. Styrsystemets prestanda mäts ofta genom att använda en stegfunktion till börpunktsinmatningen och sedan mäta processvariabelns svar., Detta kvantifieras vanligen genom att mäta definierade vågformsegenskaper.
stigtid är den tid som systemet tar för att gå från 10% till 90% av steady-state eller final, värde. Procentöverskridande är det belopp som processvariabeln överskrider det slutliga värdet, uttryckt i procent av det slutliga värdet. Avvecklingstid är den tid som krävs för processvariabeln att lösa sig inom en viss procentandel (vanligen 5 %) av det slutliga värdet. Steady state error är den slutliga skillnaden mellan processvariabeln och börvärdet., Observera att den exakta definitionen av dessa kvantiteter kommer att variera inom industri och akademi.
Vad är en PID-kontroller?
Vi kommer nu att titta på effekterna av att variera den proportionella komponenten i styrenhetens utgång och att införa Integral (i) och Derivatvillkor (V).
om vi bara har en proportionell (P) styrenhet kan vi börja med att ställa in KP-vinsten till ett blygsamt värde, till exempel 10 (K är dimensionslös). Efter applicering av stegingången kommer utmatningen att vara stabil, men kommer att närma sig önskat värde långsamt., Om Kp ökas till, säg, 100, både steady state – felet och stigtiden kommer att minskas-hittills, så bra. Men om vi ökar Kp till 200, även om stigtiden och steady state-felet minskas ytterligare, börjar överskottet att visas.
härifrån ökar ytterligare KP bara överskridandet, utan ytterligare minskningar av stigtiden eller steady state-felet. Och överskridande kan så småningom bli understämplad oscillation, vilket innebär att systemet kommer att vara instabilt.,
branschens lösning på detta har varit att lägga till Integral (i) och derivat (V) komponenter till styrenhetens proportionella (P) utgång, för att bygga en PID controller.
den integrerade komponenten summerar felperioden över tiden. Resultatet är att även en liten felperiod kommer att leda till att den integrerade komponenten ökar långsamt. Det integrerade svaret kommer ständigt att öka över tiden om felet inte är noll, så effekten är att driva steady state-felet till noll., Ett fenomen som kallas integral windup resultat när integral action mättar en styrenhet utan att regulatorn kör felsignalen mot noll.
även om integrerad åtgärd kan eliminera steady state-felet, kan det starkt bidra till kontrollerutmatningsöverskridande och eventuell instabilitet. Ändå kan PI-kontroll vara lämplig för vissa processer, där systemhastigheten inte är viktig. Om instabilitet är ett potentiellt problem är lösningen dock att implementera en PID-styrenhet genom att lägga till en Derivatkomponent.,
Derivatkomponenter verkar på förändringshastigheten för felsignalen. Ju fler felförändringar eller ju längre derivattiden desto större blir derivatfaktorn. Effekten av detta är att motverka överskottet som orsakas av P och I. när felet är stort, kommer P och i att trycka på kontrollerutgången. Detta regulatorsvar gör felförändring snabbt, vilket i sin tur gör att derivatet motverkar P och i mer aggressivt. Ett korrekt använt derivat möjliggör mer aggressiva proportionella och integrerade faktorer., Större derivattid gör derivatet mer aggressivt dämpa P och I.
titta också på den här videon för att få PID-styrenheten förklarad!
ställa in en PID – styrenhet
fastställa den optimala kombinationen av P,I och D parametrar för en specifik styrslinga görs genom tuning-och tre metoder för tuning är möjliga: Manuell, heuristisk (tumregel), och automatiserad.
Manuell PID-inställning görs genom att ställa in återställningstiden (integral) till dess maximala värde och hastigheten (derivat) till noll och öka förstärkningen tills slingan oscillerar vid en konstant amplitud., (När svaret på en felkorrigering sker snabbt kan en större vinst användas. Om svaret är långsamt är en relativt liten vinst önskvärt). Ställ sedan in PID-regulatorns vinst till hälften av det värdet och justera återställningstiden så att den korrigerar för eventuell förskjutning inom en acceptabel period. Slutligen, öka hastigheten på PID-slingan tills överskridandet minimeras
Zeigler och Nichols två heuristiska metoder för att ställa in en PID-kontroller publicerades först 1942., Dessa arbete genom att tillämpa en stegändring till systemet och observera det resulterande svaret. Den första metoden innebär att mäta fördröjningen eller fördröjningen som svar och sedan den tid det tar att nå det nya utgångsvärdet. Den andra beror på att fastställa perioden för en steady-state svängning. I båda metoderna matas dessa värden sedan in i en tabell för att härleda värdena för gain, reset time och rate för PID-regulatorn.
de flesta PID-styrenheter som säljs idag innehåller Auto-tuning funktioner. Driftsdetaljer varierar mellan tillverkare, men alla följer regler som liknar de som beskrivs ovan., I huvudsak lär PID-regulatorn ”hur processen svarar på en störning eller förändring i börvärdet och beräknar lämpliga PID-inställningar.
OMEGA Platinum serie temperaturregulatorer är exempel på enheter med automatisk inställning kapacitet.
vad är PID tuning parametrar? Hitta svaren i den här videon!
designa PID – baserade styrsystem-från din dator
NI s LabVIEW toolset har ett brett utbud av virtuella instrument (VIs) som i hög grad bidrar till utformningen av ett PID-baserat styrsystem ., PID VIs möjliggör utveckling av proportionell (P); proportionell-integral (PI); proportionell-derivat (PD); och proportionell-integral-derivat (PID) algoritmer.
slutsats
i den här artikeln har vi sett hur PID – styrenheter kan användas för att optimera styrslingor för svarstid, noggrannhet och stabilitet under alla processförhållanden-och hur i-och d-villkoren ger en nivå av kontrollerbarhet som inte är möjlig med den proportionella termen ensam.