Čo je PID regulátor: Pracovné a jeho aplikácie

Vyskúšajte Náš Nástroj Na Odstránenie Problémov





Ako naznačuje názov, tento článok poskytne presnú predstavu o štruktúre a práci PID regulátora. Ak však pôjdeme do podrobností, poďme si predstaviť úvod do PID regulátorov. PID regulátory sa nachádzajú v širokej škále aplikácií pre riadenie priemyselných procesov. Približne 95% operácií uzavretého okruhu priemyselná automatizácia sektor používajú PID regulátory. PID znamená Proportional-Integral-Derivative. Tieto tri ovládače sú kombinované takým spôsobom, že vytvárajú riadiaci signál. Ako spätnoväzbový radič poskytuje riadiaci výstup na požadovaných úrovniach. Pred vynájdením mikroprocesorov bolo PID riadenie implementované pomocou analógových elektronických súčiastok. Ale dnes sú všetky PID regulátory spracovávané mikroprocesormi. Programovateľné logické automaty mať tiež zabudované pokyny pre PID regulátor. Kvôli flexibilite a spoľahlivosti PID regulátorov sa tieto tradične používajú v aplikáciách riadenia procesov.

Čo je PID regulátor?

Termín PID znamená proporcionálny integrálny derivát a je to jeden druh zariadenia používaného na riadenie rôznych procesných premenných, ako je tlak, prietok, teplota a rýchlosť v priemyselných aplikáciách. V tomto regulátore sa na reguláciu všetkých procesných premenných používa spätnoväzbové zariadenie regulačnej slučky.




Tento typ ovládania sa používa na riadenie systému v smere k objektívnemu miestu, inak na úrovni. Je takmer všade na reguláciu teploty a používa sa vo vedeckých procesoch, automatizácii a množstve chemikálií. V tomto radiči sa spätná väzba s uzavretou slučkou používa na udržanie skutočného výstupu z metódy podobnej cieľu, ak je to možné, výstupu na fixný bod. V tomto článku sa zaoberáme návrhom PID regulátora s ovládacími režimami, ktoré sa v nich používajú, ako sú P, I & D.

História

História PID regulátora je: V roku 1911 vyvinul prvý PID regulátor Elmer Sperry. Potom bola v roku1933 implementovaná bývalá pneumatická regulácia TIC (Taylor Instrumental Company). Po niekoľkých rokoch riadiaci technici odstránili chybu ustáleného stavu, ktorá sa nachádza v proporcionálnych riadiacich jednotkách, prostredníctvom preladenia konca na nejakú nesprávnu hodnotu, kým chyba nebola nulová.



Toto preladenie obsahovalo chybu, ktorá je známa ako proporcionálny integrálny radič. Potom bol v roku 1940 vyvinutý prvý pneumatický PID regulátor pomocou derivácie na zníženie problémov s prestrelením.

V roku 1942 Ziegler & Nichols zaviedli pravidlá ladenia, pomocou ktorých inžinieri objavili a nastavili vhodné parametre PID regulátorov. Napokon sa automatické priemyselné regulátory PID v polovici roku 1950 začali vo veľkej miere používať v priemyselných odvetviach.


Bloková schéma PID regulátora

Systém s uzavretou slučkou, ako je PID regulátor, obsahuje systém spätnej väzby. Tento systém vyhodnocuje spätnoväzbovú premennú pomocou pevného bodu na generovanie chybového signálu. Na základe toho mení výstup systému. Tento postup bude pokračovať, kým chyba nedosiahne nulu, inak sa hodnota premennej spätnej väzby stane ekvivalentom pevného bodu.

Tento radič poskytuje dobré výsledky v porovnaní s radičom typu ON / OFF. V radiči typu ZAP / VYP možno pre správu systému získať iba dve podmienky. Akonáhle je procesná hodnota nižšia ako pevný bod, zapne sa. Podobne sa vypne, keď je hodnota vyššia ako pevná hodnota. Výstup nie je v tomto druhu regulátora stabilný a bude sa často hojdať v oblasti pevného bodu. Tento ovládač je však stabilnejší a presnejší v porovnaní s ovládačom typu ON / OFF.

Fungovanie PID regulátora

Fungovanie PID regulátora

Fungovanie PID regulátora

Pri použití lacného jednoduchého ovládača ON-OFF sú možné iba dva riadiace stavy, napríklad úplne zapnuté alebo úplne vypnuté. Používa sa pre aplikáciu s obmedzeným riadením, kde tieto dva riadiace stavy stačia na cieľ riadenia. Avšak oscilujúca povaha tohto riadenia obmedzuje jeho použitie, a preto je nahradený PID regulátormi.

Regulátor PID udržuje výstup tak, že medzi procesnou veličinou a požadovanou hodnotou / požadovaným výstupom nie je nulová chyba pomocou operácií uzavretej slučky. PID používa tri základné regulačné chovania, ktoré sú vysvetlené nižšie.

P- ovládač

Proporcionálny alebo P-regulátor poskytuje výstup, ktorý je úmerný aktuálnej chybe e (t). Porovnáva požadovanú alebo nastavenú hodnotu so skutočnou hodnotou alebo hodnotou procesu spätnej väzby. Výsledná chyba sa vynásobí proporcionálnou konštantou, aby sa získal výstup. Ak je chybová hodnota nulová, potom je výstup tohto regulátora nulový.

P-ovládač

P-ovládač

Ak je tento ovládač používaný samostatne, vyžaduje predpätie alebo manuálne vynulovanie. Je to preto, lebo nikdy nedosiahne ustálený stav. Poskytuje stabilnú prevádzku, ale vždy udržuje chybu v ustálenom stave. Rýchlosť odozvy sa zvyšuje, keď sa zvyšuje proporcionálna konštanta Kc.

Odozva P-radiča

Odozva P-radiča

I-kontrolór

Z dôvodu obmedzenia p-regulátora, kde vždy existuje posunutie medzi procesnou veličinou a požadovanou hodnotou, je potrebný I-regulátor, ktorý poskytuje potrebné opatrenia na odstránenie chyby v ustálenom stave. Integruje chybu počas určitého časového obdobia, kým chybová hodnota nedosiahne nulu. Zadržiava hodnotu koncového riadiaceho zariadenia, pri ktorej sa chyba stane nulovou.

PI regulátor

PI regulátor

Integrovaná kontrola znižuje svoj výkon, keď dôjde k zápornej chybe. Obmedzuje rýchlosť odozvy a ovplyvňuje stabilitu systému. Rýchlosť odozvy sa zvyšuje znížením integrálneho zosilnenia Ki.

Odozva radiča PI

Odozva radiča PI

Na vyššie uvedenom obrázku, keď sa zosilnenie I-regulátora znižuje, ustálená chyba tiež klesá. Vo väčšine prípadov sa PI regulátor používa hlavne tam, kde sa nevyžaduje vysokorýchlostná odozva.

Pri použití PI radiča je výstup I-radiča obmedzený do istej miery na prekonanie integrálna likvidácia podmienky, keď integrálny výstup pokračuje v raste aj pri nulovom chybovom stave v dôsledku nelinearít v zariadení.

D-ovládač

Kontrolór I nemá schopnosť predvídať budúce správanie chyby. Takže po zmene požadovanej hodnoty reaguje normálne. D-kontrolér prekonáva tento problém predvídaním budúceho správania chyby. Jeho výstup závisí od rýchlosti zmeny chyby v čase, vynásobenej derivačnou konštantou. Poskytuje naštartovanie výstupu, čím zvyšuje odozvu systému.

PID regulátor

PID regulátor

Na vyššie uvedenom obrázku je odozva D, ovládača je viac v porovnaní s PI regulátorom, a tiež sa zníži čas usadzovania výstupu. Zlepšuje stabilitu systému kompenzáciou fázového oneskorenia spôsobeného I-ovládačom. Zvyšovanie derivačného zisku zvyšuje rýchlosť odozvy.

Odozva PID radiča

Odozva PID radiča

Nakoniec sme teda pozorovali, že kombináciou týchto troch radičov môžeme získať požadovanú odozvu pre systém. Rôzni výrobcovia navrhujú rôzne PID algoritmy.

Typy PID regulátora

PID regulátory sú rozdelené do troch typov, ako sú ON / OFF, proporcionálne a štandardné regulátory. Tieto regulátory sa používajú na základe riadiaceho systému, užívateľ môže pomocou regulátora regulovať metódu.

Ovládanie ON / OFF

Metóda riadenia zapnuté / vypnuté je najjednoduchší typ zariadenia používaného na reguláciu teploty. Výstup zariadenia môže byť ZAPNUTÝ / VYPNUTÝ, pokiaľ nie je v strede. Tento regulátor zapne výstup jednoducho, keď teplota prekročí pevný bod. Regulátor limitu je jeden konkrétny druh regulátora ZAP / VYP, ktorý používa blokovacie relé. Toto relé sa resetuje manuálne a používa sa na vypnutie metódy, keď sa dosiahne určitá teplota.

Proporcionálna kontrola

Tento druh ovládača je navrhnutý tak, aby odstránil cyklovanie, ktoré je pripojené pomocou ovládania ON / OFF. Tento PID regulátor zníži normálny výkon dodávaný do ohrievača, akonáhle teplota dosiahne pevný bod.

Tento regulátor má jednu vlastnosť na reguláciu ohrievača tak, aby neprekročil pevný bod, avšak dosiahne pevný bod na udržanie stálej teploty.
Tento proporčný akt je možné dosiahnuť zapnutím a vypnutím výstupu na malé časové úseky. Toto proporcionálne nastavenie času zmení pomer medzi časom zapnutia a vypnutím pre reguláciu teploty.

PID regulátor štandardného typu

Tento druh PID regulátora zlúči proporcionálne riadenie pomocou integrálneho a derivačného riadenia, aby automaticky pomohol jednotke kompenzovať úpravy v systéme. Tieto modifikácie, integrálne a derivačné, sú vyjadrené v jednotkách založených na čase.

Na tieto kontroléry sa odkazuje aj prostredníctvom ich recipročných akcií, RATE & RESET. Podmienky PID musia byť upravené osobitne, inak naladené na konkrétny systém s pokusom aj chybou. Tieto ovládače ponúknu najpresnejšie a najstálejšie riadenie z 3 typov ovládačov.

PID regulátory v reálnom čase

V súčasnosti je na trhu k dispozícii rôzne druhy PID regulátorov. Tieto regulátory sa používajú na priemyselné požiadavky na riadenie, ako je tlak, teplota, hladina a prietok. Akonáhle sú tieto parametre riadené prostredníctvom PID, možnosti zahŕňajú použitie samostatného PID regulátora alebo buď PLC.
Tieto samostatné ovládače sa používajú všade tam, kde je potrebné skontrolovať jednu alebo dve slučky, alebo inak riadiť v podmienkach, kde je to zložité napravo od vstupu cez väčšie systémy.

Tieto riadiace zariadenia poskytujú rôzne možnosti ovládania sólo a dvojitej slučky. Samostatné PID regulátory poskytujú niekoľko konfigurácií pevných bodov na vytvorenie autonómnych niekoľkých alarmov.
Tieto samostatné regulátory zahŕňajú hlavne PID regulátory od spoločnosti Honeywell, regulátory teploty od Yokogawa, automatické regulátory od OMEGA, Siemens a ABB regulátory.

PLC sa používajú ako PID regulátory vo väčšine aplikácií priemyselného riadenia. Usporiadanie PID blokov je možné vykonať v rámci PAC alebo PLC, aby sa dosiahli lepšie možnosti presného riadenia PLC. Tieto radiče sú inteligentnejšie a výkonnejšie v porovnaní so samostatnými radičmi. Každý PLC obsahuje PID blok v rámci softvérového programovania.

Metódy ladenia

Predtým, ako dôjde k činnosti PID regulátora, musí byť vyladený tak, aby vyhovoval dynamike regulovaného procesu. Dizajnéri udávajú predvolené hodnoty pre výrazy P, I a D a tieto hodnoty nemôžu poskytnúť požadovaný výkon a niekedy vedú k nestabilite a pomalému riadeniu. Na vyladenie PID regulátorov sú vyvinuté rôzne typy ladiacich metód, ktoré si od operátora vyžadujú veľkú pozornosť pri výbere najlepších hodnôt proporcionálnych, integrálnych a derivačných ziskov. Niektoré z nich sú uvedené nižšie.

PID regulátory sa používajú vo väčšine priemyselných aplikácií, mali by ste však poznať nastavenia tohto regulátora, aby ste ho správne upravili tak, aby generoval preferovaný výstup. Tu nie je ladenie nič iné ako postup prijímania ideálnej odpovede od radiča nastavením najlepších proporcionálnych ziskov, integrálnych a derivačných faktorov.

Požadovaný výstup PID regulátora je možné získať vyladením regulátora. Na získanie požadovaného výstupu z regulátora sú k dispozícii rôzne techniky, ako je pokus a chyba, Zeigler-Nichols a krivka reakcie procesu. Najčastejšie používané metódy sú pokus a omyl, Zeigler-Nichols atď.

Skúšobná a chybová metóda: Je to jednoduchá metóda ladenia PID regulátora. Pokiaľ systém alebo ovládač funguje, môžeme ovládač vyladiť. Pri tejto metóde najskôr musíme nastaviť hodnoty Ki a Kd na nulu a zvyšovať proporcionálny člen (Kp), kým systém nedosiahne oscilačné správanie. Len čo osciluje, upravte Ki (integrálny člen) tak, aby sa oscilácie zastavili, a nakoniec upravte D, aby ste dosiahli rýchlu odozvu.

Technika krivky procesnej reakcie: Je to technika ladenia v otvorenej slučke. Produkuje odpoveď, keď sa na systém použije krokový vstup. Spočiatku musíme nejaký systémový výstup použiť na systém manuálne a musíme zaznamenať krivku odozvy.

Potom musíme vypočítať sklon, mŕtvy čas, čas nábehu krivky a nakoniec tieto hodnoty dosadiť do rovníc P, I a D, aby sme dostali hodnoty zosilnenia PID výrazov.

Krivka reakcie procesu

Krivka reakcie procesu

Zeigler-Nicholsova metóda: Zeigler-Nichols navrhol metódy ladenia PID regulátora v uzavretej slučke. Jedná sa o metódu kontinuálneho cyklovania a metódu tlmeného kmitania. Postupy pre obe metódy sú rovnaké, ale oscilačné správanie je odlišné. V tomto prvom rade musíme nastaviť konštantu p-regulátora, Kp na konkrétnu hodnotu, zatiaľ čo hodnoty Ki a Kd sú nulové. Proporcionálny zisk sa zvyšuje, až kým systém kmitá pri konštantnej amplitúde.

Zisk, pri ktorom systém produkuje konštantné oscilácie, sa nazýva konečný zisk (Ku) a perióda oscilácií sa nazýva konečná perióda (Pc). Akonáhle je dosiahnuté, môžeme zadať hodnoty P, I a D do PID regulátora pomocou tabuľky Zeigler-Nichols, ktorá závisí od použitého regulátora ako P, PI alebo PID, ako je uvedené nižšie.

Tabuľka Zeigler-Nichols

Tabuľka Zeigler-Nichols

Štruktúra PID regulátora

PID regulátor sa skladá z troch pojmov, a to proporcionálneho, integrálneho a derivačného riadenia. Kombinovaná prevádzka týchto troch regulátorov poskytuje stratégiu riadenia pre riadenie procesu. PID regulátor manipuluje s procesnými premennými ako tlak, rýchlosť, teplota, prietok atď. Niektoré aplikácie používajú PID regulátory v kaskádových sieťach, kde sa na dosiahnutie riadenia používajú dva alebo viac PID.

Štruktúra PID regulátora

Štruktúra PID regulátora

Vyššie uvedený obrázok zobrazuje štruktúru PID regulátora. Skladá sa z PID bloku, ktorý dáva svoj výstup do procesného bloku. Proces / závod pozostáva z konečných regulačných zariadení, ako sú akčné členy, regulačné ventily a ďalšie regulačné zariadenia na riadenie rôznych priemyselných / priemyselných procesov.

Signál spätnej väzby z technologického zariadenia sa porovnáva s nastavenou hodnotou alebo referenčným signálom u (t) a zodpovedajúci chybový signál e (t) sa privádza do PID algoritmu. Podľa výpočtov proporcionálneho, integrálneho a derivačného riadenia v algoritme vytvára radič kombinovanú odozvu alebo riadený výstup, ktorý sa aplikuje na riadiace zariadenia zariadenia.

Všetky ovládacie aplikácie nepotrebujú všetky tri ovládacie prvky. V praktických aplikáciách sa veľmi často používajú kombinácie ako ovládacie prvky PI a PD.

Aplikácie

Aplikácie PID regulátora zahŕňajú nasledujúce.

Najlepšou aplikáciou PID regulátora je regulácia teploty, pri ktorej regulátor používa vstup teplotného snímača a jeho výstup je možné spojiť s ovládacím prvkom, ako je ventilátor alebo ohrievač. Všeobecne je tento regulátor iba jedným prvkom v systéme regulácie teploty. Pri výbere správneho radiča je potrebné preskúmať a zvážiť celý systém.

Regulácia teploty pece

Pece sa zvyčajne používajú na zahriatie a uchovanie obrovského množstva suroviny pri vysokých teplotách. Je obvyklé, že obsadzovaný materiál obsahuje obrovskú hmotu. V dôsledku toho to vyžaduje veľké množstvo zotrvačnosti a teplota materiálu sa nemení rýchlo, ani keď sa na ne aplikuje veľké teplo. Táto vlastnosť vedie k mierne stabilnému FV signálu a umožňuje derivačnému obdobiu účinne korigovať poruchu bez extrémnych zmien buď na FCE, alebo CO.

Ovládač nabíjania MPPT

Charakteristika V-I fotovoltaického článku závisí hlavne od rozsahu teploty a od ožiarenia. Na základe poveternostných podmienok sa prúd a prevádzkové napätie budú neustále meniť. Je teda nesmierne dôležité sledovať najvyšší PowerPoint efektívneho fotovoltaického systému. PID regulátor sa používa na nájdenie MPPT tak, že PID regulátoru dá pevné body napätia a prúdu. Po zmene poveternostných podmienok udržuje sledovač stabilný prúd a napätie.

Prevodník výkonovej elektroniky

Vieme, že prevodník je aplikáciou výkonovej elektroniky, preto sa v prevodníkoch väčšinou používa PID regulátor. Kedykoľvek sa prevodník spojí v systéme na základe zmeny v záťaži, výstup meniča sa zmení. Napríklad invertor je spojený so záťažou a po zvýšení záťaže sa dodáva obrovský prúd. Parameter napätia aj prúdu teda nie je stabilný, ale bude sa meniť na základe požiadavky.

V tomto stave bude tento radič generovať signály PWM na aktiváciu IGBT meniča. Na základe zmeny v záťaži je signál odozvy poskytnutý PID regulátoru tak, že bude produkovať n chybu. Tieto signály sa generujú na základe poruchového signálu. V tomto stave môžeme získať premenlivý vstup a výstup prostredníctvom podobného invertora.

Aplikácia PID regulátora: Ovládanie pomocou uzavretej slučky pre bezkartáčový jednosmerný motor

Rozhranie PID regulátora

Návrh a prepojenie PID regulátora je možné vykonať pomocou mikrokontroléra Arduino. V laboratóriu je PID regulátor založený na Arduine navrhnutý pomocou dosky Arduino UNO, elektronických komponentov, termoelektrického chladiča, zatiaľ čo softvérové ​​programovacie jazyky používané v tomto systéme sú C alebo C ++. Tento systém sa používa na riadenie teploty v laboratóriu.

Parametre PID pre konkrétny radič sa nachádzajú fyzicky. Funkciu rôznych PID parametrov je možné implementovať prostredníctvom následného kontrastu medzi rôznymi formami regulátorov.
Tento prepojovací systém dokáže efektívne vypočítať teplotu pomocou chyby ± 0,6 °, zatiaľ čo konštantná teplota sa reguluje jednoduchým dosiahnutím malého rozdielu od preferovanej hodnoty. Koncepty použité v tomto systéme poskytnú lacné a presné techniky riadenia fyzikálnych parametrov v preferovanom rozsahu v laboratóriu.

Tento článok teda pojednáva o prehľade PID regulátora, ktorý obsahuje históriu, blokový diagram, štruktúru, typy, prácu, metódy ladenia, prepojenie, výhody a aplikácie. Dúfame, že sme boli schopní poskytnúť základné, ale presné znalosti o PID regulátoroch. Tu je jednoduchá otázka pre vás všetkých. Ktorá metóda sa spomedzi rôznych spôsobov ladenia prednostne používa na dosiahnutie optimálnej práce PID regulátora a prečo?

Prosíme vás, aby ste svoje odpovede poskytli v sekcii komentárov nižšie.

Fotoúvery

Bloková schéma PID regulátora pomocou wikimedia
Štruktúra PID regulátora, P-regulátor, P - odozva regulátora a PID regulátor od blog.opticontrols
P - odozva regulátora o kontroly.engin.umich
PI - odozva regulátora o m. jesť
Odozva PID radiča do wikimedia
Tabuľka Zeigler-Nichols podľa kontroly.motor