Hva er en PID-kontroller: Arbeid og dens applikasjoner

Hva er en PID-kontroller: Arbeid og dens applikasjoner

Som navnet antyder, vil denne artikkelen gi en presis ide om strukturen og funksjonen til PID-kontrolleren. Men gå inn i detaljer, la oss få en introduksjon om PID-kontrollere. PID-kontrollere finnes i et bredt spekter av applikasjoner for industriell prosesskontroll. Omtrent 95% av lukkede operasjoner i industriell automatisering sektor bruker PID-kontrollere. PID står for Proportional-Integral-Derivative. Disse tre kontrollerne er kombinert på en slik måte at de produserer et styresignal. Som tilbakemeldingskontroller leverer den kontrollutgangen på ønsket nivå. Før mikroprosessorer ble oppfunnet, ble PID-kontroll implementert av de analoge elektroniske komponentene. Men i dag blir alle PID-kontrollere behandlet av mikroprosessorer. Programmerbare logikkontrollere har også den innebygde PID-kontrolleren. På grunn av fleksibiliteten og påliteligheten til PID-kontrollerne, brukes disse tradisjonelt i prosesskontrollapplikasjoner.



Hva er en PID-kontroller?

Begrepet PID står for proporsjonalt integrert derivat, og det er en type enhet som brukes til å kontrollere forskjellige prosessvariabler som trykk, strømning, temperatur og hastighet i industrielle applikasjoner. I denne kontrolleren brukes en tilbakemeldingsanordning for kontrollsløyfe for å regulere alle prosessvariablene.


Denne typen kontroll brukes til å kjøre et system i retning av et objektivt sted ellers nivå. Det er nesten overalt for temperaturkontroll og brukes i vitenskapelige prosesser, automatisering og utallige kjemiske stoffer. I denne kontrolleren brukes tilbakemeldinger med lukket sløyfe for å opprettholde den virkelige produksjonen fra en metode som nær målet, ellers sendes det ut ved fikseringspunktet. I denne artikkelen blir PID-kontrollerdesignet med kontrollmodus brukt i dem som P, I & D diskutert.





Historie

Historien til PID-kontrolleren er, I år 1911 ble den første PID-kontrolleren utviklet av Elmer Sperry. Etter det ble TIC (Taylor Instrumental Company) implementert en tidligere pneumatisk kontroller med helt innstillbar i 1933. Etter noen år fjernet kontrollingeniører feilen i steady-state som finnes i proporsjonale kontrollere ved å justere slutten til en eller annen falsk verdi til feilen ikke var null.

Denne omstillingen inkluderte feilen som er kjent som den proporsjonale integrerte kontrolleren. Etter det, i år 1940, ble den første pneumatiske PID-kontrolleren utviklet gjennom en avledet handling for å redusere overskytingsproblemer.



I 1942 har Ziegler & Nichols introdusert innstillingsregler for å oppdage og angi passende parametere for PID-kontrollere av ingeniørene. Til slutt ble automatiske PID-kontrollere mye brukt i bransjer i midten av 1950.


PID-kontrollerblokkdiagram

Et lukket sløyfesystem som en PID-kontroller inkluderer et tilbakemeldingskontrollsystem. Dette systemet evaluerer tilbakemeldingsvariabelen ved hjelp av et fast punkt for å generere et feilsignal. Basert på det, endrer det systemutgangen. Denne prosedyren vil fortsette til feilen når null, ellers blir verdien av tilbakemeldingsvariabelen ekvivalent med et fast punkt.

Denne kontrolleren gir gode resultater sammenlignet med PÅ / AV-kontrolleren. I PÅ / AV-kontrolleren er det bare to betingelser å oppnå for å administrere systemet. Når prosessverdien er lavere enn det faste punktet, vil den slå seg på. På samme måte vil den slå seg AV når verdien er høyere enn en fast verdi. Utgangen er ikke stabil i denne typen kontroller, og den vil svinge ofte i det faste punktet. Imidlertid er denne kontrolleren mer stabil og nøyaktig sammenlignet med ON / OFF-kontrolleren.

Arbeid med PID-kontroller

Arbeid med PID-kontroller

Arbeid med PID-kontroller

Ved bruk av en billig ON-OFF-kontroller er bare to kontrolltilstander mulig, som helt PÅ eller helt AV. Den brukes til en begrenset kontrollapplikasjon der disse to kontrolltilstandene er nok for kontrollmålet. Men oscillerende karakteren til denne kontrollen begrenser bruken av den, og blir derfor erstattet av PID-kontrollere.

PID-kontroller opprettholder utgangen slik at det er null feil mellom prosessvariabelen og settpunkt / ønsket utgang ved lukkede operasjoner. PID bruker tre grunnleggende kontrollatferd som er forklart nedenfor.

P- kontroller

Proporsjonal eller P-kontroller gir en utgang som er proporsjonal med strømfeilen e (t). Den sammenligner ønsket eller settpunkt med den faktiske verdien eller tilbakemeldingsprosessverdien. Den resulterende feilen multipliseres med en proporsjonal konstant for å få utdataene. Hvis feilverdien er null, er denne kontrollerutgangen null.

P-kontroller

P-kontroller

Denne kontrolleren krever forspenning eller manuell tilbakestilling når den brukes alene. Dette er fordi den aldri når stabil tilstand. Det gir stabil drift, men opprettholder alltid steady-state feilen. Responsens hastighet økes når proporsjonal konstant Kc øker.

P-Controller-respons

P-Controller-respons

Jeg-kontroller

På grunn av begrensningen av p-kontrolleren der det alltid eksisterer en forskyvning mellom prosessvariabelen og settpunktet, er det behov for I-kontroller, som gir nødvendige tiltak for å eliminere steady-state-feilen. Den integrerer feilen over en periode til feilverdien når null. Den holder verdien til den endelige kontrollenheten der feilen blir null.

PI-kontroller

PI-kontroller

Integrert kontroll reduserer produksjonen når en negativ feil oppstår. Det begrenser hastigheten på responsen og påvirker systemets stabilitet. Hastigheten på responsen økes ved å redusere integralforsterkningen, Ki.

PI-kontrollerens respons

PI-kontrollerens respons

I figuren ovenfor, når forsterkningen til I-kontrolleren avtar, fortsetter også steady-state-feilen. I de fleste tilfeller brukes PI-kontrolleren spesielt der høyhastighetsrespons ikke er nødvendig.

Når du bruker PI-kontrolleren, er I-kontrollerens utgang begrenset til noe rekkevidde for å overvinne integrert avvikling forhold der den integrerte produksjonen fortsetter å øke selv ved null feiltilstand på grunn av ikke-lineariteter i anlegget.

D-kontroller

I-controller har ikke muligheten til å forutsi fremtidig oppførsel av feil. Så det reagerer normalt når settpunktet er endret. D-controller løser dette problemet ved å forutse feilens fremtidige oppførsel. Produksjonen avhenger av hastigheten på feilendring i forhold til tid multiplisert med derivatkonstant. Det gir kickstart for produksjonen og øker dermed systemresponsen.

PID-kontroller

PID-kontroller

I figuren ovenfor er responsen på D, kontrolleren mer, sammenlignet med PI-kontrolleren, og også avsetningstid for utgang reduseres. Det forbedrer systemets stabilitet ved å kompensere for faseforsinkelse forårsaket av I-controller. Å øke derivatforsterkningen øker hastigheten på responsen.

PID-kontrollerens respons

PID-kontrollerens respons

Så til slutt observerte vi at ved å kombinere disse tre kontrollerne, kan vi få ønsket respons for systemet. Ulike produsenter designer forskjellige PID-algoritmer.

Typer PID-kontroller

PID-kontrollere er klassifisert i tre typer som PÅ / AV, proporsjonale og standard typekontrollere. Disse kontrollerne brukes basert på kontrollsystemet, brukeren kan brukes kontrolleren til å regulere metoden.

PÅ / AV-kontroll

En on-off-kontrollmetode er den enkleste typen enhet som brukes til temperaturkontroll. Enhetsutgangen kan være PÅ / AV uten sentertilstand. Denne kontrolleren vil slå PÅ utgangen bare når temperaturen krysser det faste punktet. En grensekontroller er en bestemt type ON / OFF-kontroller som bruker et låserelé. Dette reléet tilbakestilles manuelt og brukes til å slå av en metode når en viss temperatur er oppnådd.

Proporsjonal kontroll

Denne typen kontroller er designet for å fjerne syklingen som er koblet til via PÅ / AV-kontroll. Denne PID-kontrolleren vil redusere den normale effekten som tilføres varmeapparatet når temperaturen når det faste punktet.

Denne kontrolleren har en funksjon for å kontrollere varmeren slik at den ikke overskrider det faste punktet, men den vil nå det faste punktet for å opprettholde en jevn temperatur.
Denne proporsjonerende handlingen kan oppnås ved å slå PÅ / AV utgangen i små tidsperioder. Denne tidsprosessen vil endre forholdet fra PÅ-tid til AV-tid for å kontrollere temperaturen.

Standard type PID-kontroller

Denne typen PID-kontroller vil slå sammen proporsjonal kontroll gjennom integrert og derivatkontroll for automatisk å hjelpe enheten med å kompensere for endringer i systemet. Disse modifikasjonene, integrerte og avledede uttrykkes i tidsbaserte enheter.

Disse kontrollerne blir også henvist gjennom deres gjensidige, RATE & RESET tilsvarende. Vilkårene for PID må justeres separat, ellers innstilt på et spesifikt system med prøven så vel som feilen. Disse kontrollerne vil tilby den mest presise og jevne kontrollen av de tre typer kontrollere.

PID-kontroller i sanntid

For tiden er det forskjellige typer PID-kontrollere tilgjengelig i markedet. Disse kontrollerne brukes til industrielle kontrollkrav som trykk, temperatur, nivå og strømning. Når disse parametrene er kontrollert gjennom PID, omfatter valgene å bruke en egen PID-kontroller eller enten PLC.
Disse separate kontrollerne brukes uansett hvor en ellers to sløyfer må kontrolleres, så vel som kontrolleres ellers under forholdene der det er komplekst til høyre for innreise gjennom større systemer.

Disse kontrollenhetene gir forskjellige valg for solo- og tvillingsløyfekontroll. De frittstående PID-kontrollerne gir flere faste punktkonfigurasjoner for å produsere autonome flere alarmer.
Disse frittstående kontrollerne består hovedsakelig av PID-regulatorer fra Honeywell, temperaturkontroller fra Yokogawa, autotune-kontrollere fra OMEGA, Siemens og ABB-kontrollere.

PLCer brukes som PID-kontrollere i de fleste industrielle kontrollapplikasjoner. Arrangementet av PID-blokker kan gjøres innenfor PACer eller PLCer for å gi overlegne valg for en nøyaktig PLC-kontroll. Disse kontrollerne er smartere så vel som kraftige sammenlignet med separate kontrollere. Hver PLC inkluderer PID-blokken i programvareprogrammeringen.

Innstillingsmetoder

Før arbeidet til PID-kontrolleren foregår, må den innstilles slik at den passer til dynamikken i prosessen som skal kontrolleres. Designere angir standardverdiene for P-, I- og D-termer, og disse verdiene kunne ikke gi ønsket ytelse og fører noen ganger til ustabilitet og langsomme kontrollytelser. Forskjellige typer innstillingsmetoder er utviklet for å stille inn PID-kontrollerne og krever mye oppmerksomhet fra operatøren for å velge de beste verdiene for proporsjonal, integral og derivatgevinst. Noen av disse er gitt nedenfor.

PID-kontrollere brukes i de fleste industrielle applikasjoner, men man bør vite innstillingene til denne kontrolleren for å justere den riktig for å generere den foretrukne utgangen. Her er tuning ingenting annet enn prosedyren for å motta et ideelt svar fra kontrolleren gjennom å sette de beste proporsjonale gevinstene, integrerte og avledede faktorer.

Den ønskede utgangen fra PID-kontrolleren kan oppnås ved å stille inn kontrolleren. Det er forskjellige teknikker tilgjengelig for å få ønsket produksjon fra kontrolleren som prøving og feiling, Zeigler-Nichols & prosessreaksjonskurve. De mest brukte metodene er prøving og feiling, Zeigler-Nichols, etc.

Prøve- og feilmetode: Det er en enkel metode for innstilling av PID-kontroller. Mens systemet eller kontrolleren fungerer, kan vi stille inn kontrolleren. I denne metoden må vi først sette Ki- og Kd-verdiene til null og øke proporsjonal term (Kp) til systemet når oscillerende oppførsel. Når den har svingt, justerer du Ki (integrert betegnelse) slik at svingningene stopper og til slutt justerer D for å få en rask respons.

Prosessreaksjonskurveteknikk: Det er en åpen-sløyfetuningsteknikk. Det gir et svar når en trinninngang brukes til systemet. I utgangspunktet må vi bruke noe kontrollutgang til systemet manuelt og må registrere responskurven.

Etter det må vi beregne helling, dødtid, stigningstid for kurven, og til slutt erstatte disse verdiene i P-, I- og D-ligninger for å få forsterkningsverdiene til PID-termer.

Prosessreaksjonskurve

Prosessreaksjonskurve

Zeigler-Nichols metode: Zeigler-Nichols foreslo lukkede metoder for innstilling av PID-kontrolleren. Dette er metoden for kontinuerlig sykling og dempet svingningsmetode. Prosedyrene for begge metodene er de samme, men svingningsatferd er forskjellig. I dette, først, må vi sette p-kontrolleren konstant, Kp til en bestemt verdi mens Ki og Kd-verdiene er null. Proporsjonal forsterkning økes til systemet svinger med konstant amplitude.

Gevinst ved hvilket system produserer konstante svingninger kalles ultimate gevinst (Ku) og svingningsperioden kalles den ultimate perioden (Pc). Når den er nådd, kan vi legge inn verdiene til P, I og D i PID-kontrolleren av Zeigler-Nichols-tabellen, avhengig av kontrolleren som brukes som P, PI eller PID, som vist nedenfor.

Zeigler-Nichols bord

Zeigler-Nichols bord

PID-kontrollerstruktur

PID-kontroller består av tre termer, nemlig proporsjonal, integrert og derivatkontroll. Den kombinerte driften av disse tre kontrollerne gir en kontrollstrategi for prosesskontroll. PID-kontroller manipulerer prosessvariablene som trykk, hastighet, temperatur, strømning, etc. Noen av applikasjonene bruker PID-regulatorer i kaskadenettverk der to eller flere PID-er brukes for å oppnå kontroll.

Struktur av PID-kontroller

Struktur av PID-kontroller

Ovenstående figur viser strukturen til PID-kontrolleren. Den består av en PID-blokk som gir utdataene til prosessblokken. Prosess / anlegg består av sluttkontrollanordninger som aktuatorer, reguleringsventiler og andre kontrollenheter for å kontrollere forskjellige prosesser i industrien / anlegget.

Et tilbakemeldingssignal fra prosessanlegget sammenlignes med et settpunkt eller referansesignal u (t) og det tilsvarende feilsignalet e (t) blir matet til PID-algoritmen. I henhold til proporsjonale, integrerte og avledede kontrollberegninger i algoritmen produserer kontrolleren en kombinert respons eller kontrollert utgang som blir brukt på anleggskontrollenheter.

Alle kontrollapplikasjoner trenger ikke alle tre kontrollelementene. Kombinasjoner som PI og PD-kontroller brukes ofte i praktiske bruksområder.

applikasjoner

PID-kontrollerapplikasjonene inkluderer følgende.

Den beste PID-regulatorapplikasjonen er temperaturkontroll der kontrolleren bruker en inngang fra en temperatursensor, og utgangen kan allieres til et kontrollelement som en vifte eller varmeapparat. Generelt er denne kontrolleren bare et element i et temperaturkontrollsystem. Hele systemet må undersøkes så vel som vurderes mens du velger riktig kontroller.

Temperaturkontroll av ovnen

Generelt brukes ovner til å omfatte oppvarming, så vel som holder en enorm mengde råvarer ved enorme temperaturer. Det er vanlig at det okkuperte materialet inkluderer en enorm masse. Derfor tar det en høy mengde treghet, og temperaturen på materialet endres ikke raskt selv når det påføres enorm varme. Denne funksjonen resulterer i et moderat stabilt PV-signal og tillater at derivatperioden effektivt korrigerer feil uten ekstreme endringer i verken FCE eller CO.

MPPT Charge Controller

V-I-karakteristikken til en solcellecelle avhenger hovedsakelig av temperaturområdet så vel som bestrålingen. Basert på værforholdene vil strøm- og driftsspenningen endres konstant. Så det er ekstremt viktig å spore den høyeste PowerPoint av et effektivt solcelleanlegg. PID-kontroller brukes til å finne MPPT ved å gi PID-kontrolleren fast spenning og strømpunkter. Når værforholdene er endret, holder trackeren strøm og spenning stabil.

Omformeren av kraftelektronikk

Vi vet at omformer er en applikasjon av kraftelektronikk, så en PID-kontroller brukes mest i omformere. Når en omformer allieres gjennom et system basert på endringen i lasten, vil omformerens utgang endres. For eksempel er en omformer alliert med belastning, den enorme strømmen tilføres når belastningen økes. Dermed er ikke spenningsparameteren så vel som strømmen stabil, men den vil endres basert på kravet.

I denne tilstanden vil denne kontrolleren generere PWM-signaler for å aktivere IGBT-ene til omformeren. Basert på endringen i belastningen, blir responssignalet gitt til PID-kontrolleren slik at den vil gi n feil. Disse signalene genereres basert på feilsignalet. I denne tilstanden kan vi få utskiftbare innganger og utganger via en lignende inverter.

Påføring av PID-kontroller: Lukket sløyfekontroll for en børsteløs DC-motor

PID-kontrollergrensesnitt

Utformingen og grensesnittet til PID-kontrolleren kan gjøres ved hjelp av Arduino-mikrokontrolleren. I laboratoriet er den Arduino-baserte PID-kontrolleren designet med Arduino UNO-kortet, elektroniske komponenter, termoelektrisk kjøler, mens programvarens programmeringsspråk som brukes i dette systemet er C eller C ++. Dette systemet brukes til å kontrollere temperaturen i laboratoriet.

Parametrene til PID for en bestemt kontroller blir funnet fysisk. Funksjonen til forskjellige PID-parametere kan implementeres gjennom den påfølgende kontrasten mellom forskjellige former for kontrollere.
Dette grensesnittsystemet kan effektivt beregne temperaturen gjennom en feil på ± 0,6 ℃, mens en konstant temperatur reguleres gjennom ganske enkelt en liten forskjell fra den foretrukne verdien oppnås. Konseptene som brukes i dette systemet vil gi både billige og eksakte teknikker for å håndtere fysiske parametere i et foretrukket område innen laboratoriet.

Dermed diskuterer denne artikkelen en oversikt over PID-kontrolleren som inkluderer historie, blokkdiagram, struktur, typer, arbeid, innstillingsmetoder, grensesnitt, fordeler og applikasjoner. Vi håper vi har vært i stand til å gi grunnleggende, men likevel presis kunnskap om PID-kontrollere. Her er et enkelt spørsmål til dere alle. Blant de forskjellige innstillingsmetodene, hvilken metode brukes fortrinnsvis for å oppnå optimal bruk av PID-kontrolleren, og hvorfor?

Du bes om å gi svarene dine i kommentarfeltet nedenfor.

Fotokreditter

PID-kontrollerblokkdiagram av wikimedia
PID-kontrollerstruktur, P-kontroller, P - kontrollerrespons og PID-kontroller av blog.opticontrols
P - kontrollerrespons av kontroller.engin.umich
PI-kontrollerens respons av kjøtt
PID-kontrollerens respons av wikimedia
Zeigler-Nichols bord av kontroller. motor