Jak název napovídá, tento článek poskytne přesnou představu o struktuře a fungování PID regulátoru. Jdeme však do podrobností, pojďme si představit PID regulátory. PID regulátory se nacházejí v široké škále aplikací pro řízení průmyslových procesů. Přibližně 95% operací uzavřené smyčky průmyslová automatizace sektor používá PID regulátory. PID znamená Proportional-Integral-Derivative. Tyto tři řadiče jsou kombinovány tak, že vytvářejí řídicí signál. Jako regulátor zpětné vazby poskytuje řídicí výstup na požadovaných úrovních. Než byly vynalezeny mikroprocesory, bylo PID řízení implementováno analogovými elektronickými součástkami. Ale dnes jsou všechny PID regulátory zpracovávány mikroprocesory. Programovatelné logické automaty mít také zabudované pokyny pro PID regulátor. Vzhledem k flexibilitě a spolehlivosti PID regulátorů se tyto tradičně používají v aplikacích řízení procesů.
Co je PID ovladač?
Termín PID znamená proporcionální integrální derivaci a je to jeden druh zařízení používaného k řízení různých procesních proměnných, jako je tlak, průtok, teplota a rychlost v průmyslových aplikacích. V tomto regulátoru se k regulaci všech procesních proměnných používá zpětnovazební zařízení regulační smyčky.
Tento typ řízení se používá k pohonu systému ve směru k cílovému umístění, jinak na úrovni. Je téměř všude pro regulaci teploty a používá se ve vědeckých procesech, automatizaci a nesčetných chemických látkách. V tomto řadiči se zpětná vazba v uzavřené smyčce používá k udržení skutečného výstupu z metody podobné blízkosti cíle, pokud je to možné, výstupu v pevném bodě. V tomto článku je diskutován návrh PID regulátoru s režimy řízení, které se v nich používají, jako jsou P, I & D.
Dějiny
Historie PID regulátoru je: V roce 1911 vyvinul první PID regulátor Elmer Sperry. Poté byla v roce 1933 implementována TIC (Taylor Instrumental Company) bývalý pneumatický ovladač s kompletním laděním. Po několika letech řídící technici odstranili chybu ustáleného stavu, která se nachází v proporcionálních řadičích, pomocí přeladění konce na nějakou falešnou hodnotu, dokud chyba nebyla nula.
Toto přeladění zahrnovalo chybu, která je známá jako proporcionální integrovaný řadič. Poté, v roce 1940, byl vyvinut první pneumatický PID regulátor pomocí derivační akce ke snížení problémů s překmitáním.
V roce 1942 společnost Ziegler & Nichols zavedla pravidla ladění, aby inženýři objevili a nastavili vhodné parametry PID regulátorů. Nakonec byly v polovině roku 1950 v průmyslových odvětvích rozsáhle používány automatické PID regulátory.
Blokové schéma řadiče PID
Systém uzavřené smyčky, jako je PID regulátor, zahrnuje zpětnovazební řídicí systém. Tento systém vyhodnocuje proměnnou zpětné vazby pomocí pevného bodu pro generování chybového signálu. Na základě toho mění výstup systému. Tento postup bude pokračovat, dokud chyba nedosáhne nuly, jinak se hodnota proměnné zpětné vazby stane ekvivalentní pevnému bodu.
Tento ovladač poskytuje dobré výsledky ve srovnání s ovladačem typu ON / OFF. V řadiči typu ON / OFF lze pro správu systému získat pouze dvě podmínky. Jakmile je procesní hodnota nižší než pevný bod, zapne se. Podobně se vypne, jakmile je hodnota vyšší než pevná hodnota. Výstup není u tohoto druhu regulátoru stabilní a bude se často houpat v oblasti pevného bodu. Tento ovladač je však stabilnější a přesnější ve srovnání s ovladačem typu ON / OFF.
Práce PID regulátoru
Práce PID regulátoru
Při použití levného jednoduchého ovladače ON-OFF jsou možné pouze dva stavy ovládání, například plně zapnuto nebo zcela vypnuto. Používá se pro omezenou řídicí aplikaci, kde jsou tyto dva kontrolní stavy dostatečné pro kontrolní cíl. Oscilační povaha tohoto řízení však omezuje jeho použití, a proto je nahrazován PID regulátory.
PID regulátor udržuje výstup tak, že mezi procesní proměnnou a žádanou hodnotou / požadovaným výstupem je nulová chyba operacemi uzavřené smyčky. PID používá tři základní ovládací chování, která jsou vysvětlena níže.
P- ovladač
Proporcionální nebo P-regulátor poskytuje výstup, který je úměrný aktuální chybě e (t). Porovnává požadovanou nebo nastavenou hodnotu se skutečnou hodnotou nebo hodnotou procesu zpětné vazby. Výsledná chyba se vynásobí proporcionální konstantou pro získání výstupu. Pokud je chybová hodnota nula, pak je tento výstup regulátoru nulový.
P-ovladač
Pokud je tento ovladač používán samostatně, vyžaduje předpětí nebo ruční reset. Je to proto, že nikdy nedosáhne ustáleného stavu. Poskytuje stabilní provoz, ale vždy udržuje chybu v ustáleném stavu. Rychlost odezvy se zvyšuje, když se zvyšuje proporcionální konstanta Kc.
P-Controller Response
I-Controller
Kvůli omezení p-regulátoru, kde vždy existuje posun mezi procesní proměnnou a požadovanou hodnotou, je zapotřebí I-regulátor, který poskytuje nezbytná opatření k odstranění chyby v ustáleném stavu. Integruje chybu po určitou dobu, dokud hodnota chyby nedosáhne nuly. Drží hodnotu konečného řídicího zařízení, při kterém se chyba stane nulovou.
PI regulátor
Integrovaná kontrola snižuje svůj výstup, když dojde k záporné chybě. Omezuje rychlost odezvy a ovlivňuje stabilitu systému. Rychlost odezvy se zvyšuje snížením integrálního zisku Ki.
Odezva řadiče PI
Na výše uvedeném obrázku, jak se zesílení I-regulátoru snižuje, chyba ustáleného stavu také klesá. Ve většině případů se PI regulátor používá zejména tam, kde není vyžadována vysokorychlostní odezva.
Při použití PI regulátoru je výstup I-řadiče omezen na určitý rozsah, aby se překonal integrální navíjení podmínky, kdy integrální výstup dále roste i při nulovém chybovém stavu v důsledku nelinearit v zařízení.
D-ovladač
Řadič I nemá schopnost předvídat budoucí chování chyby. Reaguje tedy normálně, jakmile se změní nastavená hodnota. D-kontrolér překonává tento problém předvídáním budoucího chování chyby. Jeho výstup závisí na rychlosti změny chyby vzhledem k času, vynásobené derivační konstantou. Poskytuje nastartování výstupu, čímž zvyšuje odezvu systému.
PID regulátor
Ve výše uvedené odezvě D je regulátor více ve srovnání s PI regulátorem a také se zkracuje doba usazování výstupu. Zlepšuje stabilitu systému kompenzací fázového zpoždění způsobeného I-řadičem. Zvýšení derivačního zisku zvyšuje rychlost odezvy.
Odpověď PID regulátoru
Nakonec jsme tedy zjistili, že kombinací těchto tří řadičů můžeme získat požadovanou odezvu pro systém. Různí výrobci navrhují různé PID algoritmy.
Typy PID regulátoru
PID regulátory jsou rozděleny do tří typů, jako jsou ON / OFF, proporcionální a standardní typy regulátorů. Tyto regulátory se používají na základě řídicího systému, uživatel může pomocí regulátoru regulovat metodu.
Ovládání ON / OFF
Metoda řízení zapnuto-vypnuto je nejjednodušší typ zařízení používaného k regulaci teploty. Výstup zařízení může být ZAPNUTÝ / VYPNUTÝ bez stavu středu. Tento regulátor zapne výstup jednoduše, jakmile teplota překročí pevný bod. Regulátor limitu je jeden konkrétní druh ovladače ON / OFF, který používá blokovací relé. Toto relé se resetuje ručně a používá se k vypnutí metody, jakmile je dosaženo určité teploty.
Proporcionální ovládání
Tento druh ovladače je navržen tak, aby odstranil cyklování, které je připojeno prostřednictvím ovládání ON / OFF. Jakmile PID regulátor dosáhne pevného bodu, sníží normální výkon dodávaný do ohřívače.
Tento ovladač má jednu funkci pro ovládání ohřívače tak, aby nepřekročil pevný bod, ale dosáhne pevného bodu pro udržení stálé teploty.
Tohoto proporcionálního aktu lze dosáhnout zapnutím a vypnutím výstupu na malá časová období. Toto proporcionalizace času změní poměr z doby zapnutí k času vypnutí pro řízení teploty.
PID regulátor standardního typu
Tento druh PID regulátoru sloučí proporcionální řízení prostřednictvím integrálního a derivačního řízení, aby automaticky pomohl jednotce kompenzovat úpravy v systému. Tyto modifikace, integrální a derivační, jsou vyjádřeny v jednotkách založených na čase.
Na tyto řadiče se také odkazuje prostřednictvím jejich vzájemných hodnot, RATE & RESET odpovídajícím způsobem. Podmínky PID musí být upraveny samostatně, jinak naladěny na konkrétní systém s pokusem i chybou. Tyto ovladače nabízejí nejpřesnější a nejstabilnější ovládání ze 3 typů ovladačů.
PID regulátory v reálném čase
V současné době jsou na trhu k dispozici různé druhy PID regulátorů. Tyto regulátory se používají pro průmyslové požadavky na řízení, jako je tlak, teplota, hladina a průtok. Jakmile jsou tyto parametry řízeny pomocí PID, možnosti zahrnují použití samostatného PID regulátoru nebo buď PLC.
Tyto samostatné řadiče se používají všude tam, kde je třeba kontrolovat jednu, jinak dvě smyčky, nebo jinak ovládat v podmínkách, kde je to složité napravo od vstupu přes větší systémy.
Tato řídicí zařízení poskytují různé možnosti ovládání sólo a dvojitých smyček. Samostatné PID regulátory poskytují několik konfigurací s pevným bodem pro vytvoření několika autonomních alarmů.
Tyto samostatné regulátory zahrnují hlavně PID regulátory od Honeywell, teplotní regulátory od Yokogawa, autotune regulátory od OMEGA, Siemens a ABB regulátory.
PLC se používají jako PID regulátory ve většině průmyslových řídicích aplikací. Uspořádání PID bloků lze provést v PAC nebo PLC, aby poskytly vynikající možnosti pro přesné řízení PLC. Tyto řadiče jsou chytřejší a výkonnější ve srovnání se samostatnými řadiči. Každý PLC obsahuje PID blok v rámci programování softwaru.
Metody ladění
Předtím, než proběhne práce PID regulátoru, musí být vyladěn tak, aby vyhovoval dynamice procesu, který má být řízen. Návrháři uvádějí výchozí hodnoty pro výrazy P, I a D a tyto hodnoty nemohou poskytnout požadovaný výkon a někdy vedou k nestabilitě a pomalému ovládání. Pro vyladění PID regulátorů jsou vyvinuty různé způsoby ladění a od operátora je třeba věnovat velkou pozornost výběru nejlepších hodnot proporcionálních, integrálních a derivačních zisků. Některé z nich jsou uvedeny níže.
PID regulátory se používají ve většině průmyslových aplikací, ale je třeba znát nastavení tohoto regulátoru, aby jej správně upravil a generoval preferovaný výstup. Ladění zde není nic jiného než postup přijímání ideální odpovědi od ovladače nastavením nejlepších proporcionálních zisků, integrálních a derivačních faktorů.
Požadovaný výstup PID regulátoru lze získat vyladěním regulátoru. K získání požadovaného výstupu z řídicí jednotky jsou k dispozici různé techniky, jako je pokus a chyba, Zeigler-Nichols a křivka reakce procesu. Nejčastěji používanými metodami jsou pokus a omyl, Zeigler-Nichols atd.
Zkušební a chybová metoda: Jedná se o jednoduchou metodu ladění PID regulátoru. Když systém nebo ovladač pracuje, můžeme ovladač vyladit. V této metodě nejprve musíme nastavit hodnoty Ki a Kd na nulu a zvyšovat proporcionální člen (Kp), dokud systém nedosáhne oscilačního chování. Jakmile osciluje, upravte Ki (integrální člen) tak, aby se oscilace zastavily, a nakonec upravte D, abyste získali rychlou odezvu.
Technika procesní reakční křivky: Jedná se o techniku ladění s otevřenou smyčkou. Při použití skokového vstupu do systému vytváří reakci. Zpočátku musíme použít nějaký řídicí výstup na systém ručně a musíme zaznamenat křivku odezvy.
Poté musíme vypočítat sklon, mrtvý čas, čas náběhu křivky a nakonec tyto hodnoty nahradit v rovnicích P, I a D, abychom získali hodnoty zisku PID výrazů.
Křivka reakce procesu
Metoda Zeigler-Nichols: Zeigler-Nichols navrhl metody ladění PID regulátoru v uzavřené smyčce. Jedná se o metodu kontinuálního cyklování a metodu tlumeného kmitání. Postupy pro obě metody jsou stejné, ale oscilační chování je odlišné. V tomto nejprve musíme nastavit konstantu p-regulátoru, Kp na konkrétní hodnotu, zatímco hodnoty Ki a Kd jsou nulové. Proporcionální zisk se zvyšuje, dokud systém kmitá při konstantní amplitudě.
Zisk, při kterém systém produkuje konstantní oscilace, se nazývá konečný zisk (Ku) a období oscilací se nazývá konečná doba (Pc). Jakmile je dosaženo, můžeme zadat hodnoty P, I a D do PID regulátoru podle tabulky Zeigler-Nichols v závislosti na použitém regulátoru jako P, PI nebo PID, jak je znázorněno níže.
Tabulka Zeigler-Nichols
Struktura PID regulátoru
PID regulátor se skládá ze tří termínů, a to proporcionálního, integrálního a derivačního řízení. Kombinovaný provoz těchto tří regulátorů poskytuje strategii řízení pro řízení procesu. PID regulátor manipuluje s procesními proměnnými, jako je tlak, rychlost, teplota, průtok atd. Některé aplikace používají PID regulátory v kaskádových sítích, kde se k dosažení řízení používají dva nebo více PID.
Struktura PID regulátoru
Výše uvedený obrázek ukazuje strukturu PID regulátoru. Skládá se z PID bloku, který dává svůj výstup do procesního bloku. Proces / závod se skládá z koncových řídicích zařízení, jako jsou aktuátory, regulační ventily a další řídicí zařízení pro řízení různých procesů v průmyslu / závodě.
Zpětnovazební signál z procesního zařízení se porovná s nastavenou hodnotou nebo referenčním signálem u (t) a odpovídající chybový signál e (t) se přivede do algoritmu PID. Podle výpočtů proporcionálního, integrálního a derivačního řízení v algoritmu produkuje regulátor kombinovanou odezvu nebo řízený výstup, který je aplikován na řídicí zařízení zařízení.
Všechny ovládací aplikace nepotřebují všechny tři ovládací prvky. V praktických aplikacích se velmi často používají kombinace jako PI a PD.
Aplikace
Mezi aplikace PID regulátoru patří následující.
Nejlepší aplikací PID regulátoru je regulace teploty, kde regulátor používá vstup teplotního senzoru a jeho výstup lze spojit s ovládacím prvkem, jako je ventilátor nebo topení. Obecně je tento regulátor jednoduše jedním prvkem v systému regulace teploty. Při výběru správného řadiče je třeba prověřit a zvážit celý systém.
Regulace teploty pece
Obecně se pece používají k zahřívání a udržování obrovského množství suroviny při obrovských teplotách. Je obvyklé, aby obsazený materiál obsahoval obrovskou hmotu. V důsledku toho to vyžaduje velké množství setrvačnosti a teplota materiálu se nemění rychle, i když je aplikováno obrovské teplo. Tato funkce má za následek mírně stabilní PV signál a umožňuje derivační periodě účinně korigovat poruchu bez extrémních změn FCE nebo CO.
Regulátor nabíjení MPPT
V-I charakteristika fotovoltaického článku závisí hlavně na teplotním rozsahu a také na ozáření. Na základě povětrnostních podmínek se aktuální a provozní napětí neustále mění. Je tedy nesmírně důležité sledovat nejvyšší PowerPoint efektivního fotovoltaického systému. PID regulátor se používá k nalezení MPPT tím, že PID regulátoru dává pevné napěťové a proudové body. Jakmile se změní povětrnostní podmínky, pak tracker udržuje stabilní proud a napětí.
Převodník výkonové elektroniky
Víme, že převodník je aplikací výkonové elektroniky, proto se v převaděčích používá většinou PID regulátor. Kdykoli je převodník spojen prostřednictvím systému na základě změny v zátěži, výstup měniče se změní. Například střídač je spojen se zátěží, kdy je zvýšen proud, je dodáván obrovský proud. Parametr napětí a proudu tedy není stabilní, ale bude se měnit na základě požadavku.
V tomto stavu bude tento řadič generovat signály PWM k aktivaci IGBT střídače. Na základě změny v zátěži je signál odezvy poskytnut PID regulátoru tak, že bude produkovat n chybu. Tyto signály jsou generovány na základě poruchového signálu. V tomto stavu můžeme získat proměnlivý vstup a výstup prostřednictvím podobného střídače.
Aplikace PID regulátoru: Řízení uzavřené smyčky pro střídavý stejnosměrný motor
Rozhraní PID regulátoru
Návrh a propojení PID regulátoru lze provést pomocí mikrokontroléru Arduino. V laboratoři je PID řadič založený na Arduinu navržen pomocí desky Arduino UNO, elektronických součástek, termoelektrického chladiče, zatímco softwarové programovací jazyky používané v tomto systému jsou C nebo C ++. Tento systém se používá k řízení teploty v laboratoři.
Parametry PID pro konkrétní regulátor se nacházejí fyzicky. Funkci různých parametrů PID lze implementovat prostřednictvím následného kontrastu mezi různými formami regulátorů.
Tento propojovací systém dokáže efektivně vypočítat teplotu pomocí chyby ± 0,6 °, zatímco konstantní teplota se reguluje pouhým malým rozdílem od preferované hodnoty. Koncepty použité v tomto systému budou poskytovat levné i přesné techniky pro správu fyzikálních parametrů v preferovaném rozsahu v laboratoři.
Tento článek tedy pojednává o přehledu PID regulátoru, který zahrnuje historii, blokové schéma, strukturu, typy, práci, metody ladění, rozhraní, výhody a aplikace. Doufáme, že jsme byli schopni poskytnout základní, ale přesné znalosti o PID regulátorech. Zde je pro vás všechny jednoduchá otázka. Která metoda se z různých metod ladění přednostně používá k dosažení optimálního fungování PID regulátoru a proč?
Žádáme vás, abyste laskavě odpověděli v sekci komentáře níže.
Fotografické kredity
Blokové schéma PID regulátoru podle wikimedia
Struktura PID regulátoru, P-regulátor, P - reakce regulátoru a PID regulátor od blog.opticontrols
P - reakce ovladače do controls.engin.umich
PI - odezva regulátoru do m. jíst
Odpověď PID ovladače do wikimedia
Tabulka Zeigler-Nichols od ovládání. motor
