Ahogy a neve is sugallja, ez a cikk pontos képet fog adni a PID vezérlő felépítéséről és működéséről. Azonban a részletekbe menve tegyünk egy bevezetőt a PID vezérlőkről. A PID szabályozók az ipari folyamatok szabályozásának széles körében találhatók. A Zárt hurkú műveletek körülbelül 95% -a ipari automatizálás szektor használja a PID vezérlőket. A PID az Arányos-Integrál-Származtatott rövidítést jelenti. Ez a három vezérlő úgy van kombinálva, hogy vezérlőjelet generál. Visszacsatolás-vezérlőként a kívánt kimeneti szintre juttatja a vezérlő kimenetet. Mielőtt a mikroprocesszorokat feltalálták volna, a PID vezérlést az analóg elektronikus alkatrészek hajtották végre. De ma az összes PID vezérlőt a mikroprocesszorok dolgozzák fel. Programozható logikai vezérlők a beépített PID vezérlő utasításait is. A PID-szabályozók rugalmassága és megbízhatósága miatt ezeket hagyományosan a folyamatirányítási alkalmazásokban használják.
Mi az a PID-vezérlő?
A PID kifejezés az arányos integrál származékot jelenti, és ez egyfajta eszköz, amelyet különböző folyamatváltozók, például nyomás, áramlás, hőmérséklet és sebesség szabályozására használnak ipari alkalmazásokban. Ebben a vezérlőben egy vezérlő hurok visszacsatoló eszközt használnak az összes folyamatváltozó szabályozására.
Ezt a típusú vezérlést arra használják, hogy a rendszert egy objektív hely irányába haladják. Szinte mindenhol hőmérséklet-szabályozásra szolgál, és tudományos folyamatokban, automatizálásban és számtalan vegyi anyagban használják. Ebben a vezérlőben a zárt hurkú visszacsatolás arra szolgál, hogy egy módszer valós kimenetét megtartsa, mint például az objektívhez közeli kimenet, ha lehetséges, a fixpontban. Ebben a cikkben a PID vezérlő kialakítását és az azokban használt vezérlési módokat, például P, I és D tárgyaljuk.
Történelem
A PID vezérlő története 1911-ben Elmer Sperry fejlesztette ki az első PID vezérlőt. Ezt követően a TIC (Taylor Instrumental Company) egy korábbi, 1933-ban teljesen hangolható pneumatikus vezérlőt valósított meg. Néhány év elteltével az irányítómérnökök eltávolították az egyensúlyi hibát, amely az arányos vezérlőkön belül megtalálható, és a végét valamilyen hamis értékre hangolták, amíg a hiba nem volt nulla.
Ez az újrabeszélés tartalmazta azt a hibát, amely az arányos-integrál vezérlő néven ismert. Ezt követően, 1940-ben, az első pneumatikus PID-szabályozót származtatott művelettel fejlesztették ki a túllövési problémák csökkentése érdekében.
1942-ben a Ziegler & Nichols hangolási szabályokat vezetett be, hogy a mérnökök felfedezzék és beállítsák a PID-szabályozók megfelelő paramétereit. Végül 1950 közepén az ipari PID-szabályozókat széles körben alkalmazták.
PID vezérlő blokk diagram
A PID-vezérlőhöz hasonló zárt hurkú rendszer visszacsatoló vezérlő rendszert tartalmaz. Ez a rendszer egy fix pont felhasználásával értékeli a visszacsatoló változót egy hibajel előállításához. Ennek alapján megváltoztatja a rendszer kimenetét. Ez az eljárás addig folytatódik, amíg a hiba el nem éri a nullát, különben a visszacsatoló változó értéke egyenértékűvé válik egy fix ponttal.
Ez a vezérlő jó eredményeket nyújt az ON / OFF típusú vezérlőkhöz képest. Az ON / OFF típusú vezérlőben egyszerűen két feltétel áll rendelkezésre a rendszer kezeléséhez. Ha a folyamat értéke alacsonyabb, mint a rögzített pont, akkor bekapcsol. Hasonlóképpen kikapcsol, ha az érték magasabb, mint egy rögzített érték. A kimenet nem stabil ebben a fajta vezérlőben, és gyakran ingadozik a rögzített pont tartományában. Ez a vezérlő azonban stabilabb és pontosabb, mint az ON / OFF típusú vezérlő.
A PID vezérlő működése
A PID vezérlő működése
Olcsó egyszerű ON-OFF vezérlő használatával csak két vezérlési állapot lehetséges, például teljesen BE vagy teljesen KI. Korlátozott vezérlési alkalmazásokhoz használják, ahol ez a két vezérlési állapot elegendő a vezérlés céljához. Ennek a vezérlésnek az oszcilláló jellege azonban korlátozza annak használatát, ezért PID-vezérlők váltják fel.
A PID vezérlő úgy tartja a kimenetet, hogy nulla hiba legyen a folyamatváltozó és az alapjel / kívánt kimenet között zárt hurkú műveletekkel. A PID három alapvető vezérlési viselkedést alkalmaz, amelyeket az alábbiakban ismertetünk.
P- Vezérlő
Az arányos vagy a P-vezérlő az e (t) áramhibával arányos kimenetet ad. Összehasonlítja a kívánt vagy beállított pontot a tényleges értékkel vagy a visszacsatolási folyamat értékével. Az eredményül kapott hibát megszorozzuk egy arányos állandóval a kimenet megszerzéséhez. Ha a hiba értéke nulla, akkor ez a vezérlő kimenete nulla.
P-vezérlő
Ez a vezérlő előfeszítést vagy kézi visszaállítást igényel, ha egyedül használja. Ez azért van, mert soha nem éri el az egyensúlyi állapotot. Stabil működést biztosít, de mindig fenntartja az egyensúlyi hibát. A válasz sebessége nő, ha a Kc arányos állandó növekszik.
P-vezérlő válasza
Én-vezérlő
A p-vezérlő korlátozása miatt, ahol a folyamatváltozó és az alapérték között mindig van eltolás, I-vezérlőre van szükség, amely szükséges intézkedéseket biztosít az egyensúlyi állapot hibájának kiküszöbölésére. Integrálja a hibát egy ideig, amíg a hibaérték el nem éri a nullát. A végső vezérlőeszköz értékét tartja, amelynél a hiba nulla lesz.
PI vezérlő
Az integrált vezérlés negatív hiba esetén csökkenti a kimenetét. Korlátozza a válasz sebességét és befolyásolja a rendszer stabilitását. A válasz sebességét növeli az integrálerősítés csökkenése, Ki.
PI vezérlő válasza
A fenti ábrán az I-vezérlő erősítésének csökkenésével az egyensúlyi hiba is csökken. Az esetek többségében a PI vezérlőt különösen akkor használják, ha nincs szükség nagy sebességű válaszra.
A PI vezérlő használata közben az I-vezérlő kimenete valamilyen tartományra korlátozódik a szerves felszámolás olyan körülmények, amelyekben az integrált kimenet nulla hibaállapotban is növekszik, a berendezés nemlineáris volta miatt.
D-vezérlő
Az I-vezérlő nem képes megjósolni a hiba jövőbeli viselkedését. Tehát normálisan reagál, ha az alapjel megváltozik. A D-controller leküzdi ezt a problémát azáltal, hogy előre jelzi a hiba jövőbeli viselkedését. Kimenete függ a hiba időbeli változásának sebességétől, szorozva a derivált állandóval. Ez megadja a kimenet indítását, ezáltal növelve a rendszer válaszát.
PID vezérlő
D fenti ábrareakciójában a vezérlő több, mint a PI vezérlő, és a kimenet beállási ideje is csökken. Javítja a rendszer stabilitását az I-vezérlő által okozott fáziskésés kompenzálásával. A derivatív nyereség növelése növeli a válasz sebességét.
PID vezérlő válasza
Végül megfigyeltük, hogy e három vezérlő kombinálásával megkapjuk a rendszer kívánt válaszát. A különböző gyártók különböző PID algoritmusokat terveznek.
A PID vezérlő típusai
A PID vezérlőket három típusba sorolják, mint például ON / OFF, proporcionális és standard típusú szabályozók. Ezeket a vezérlőket a vezérlőrendszer alapján használják, a felhasználó a vezérlővel szabályozhatja a módszert.
BE / KI vezérlés
Az on-off szabályozási módszer a legegyszerűbb típusú hőmérséklet-szabályozás. Lehet, hogy az eszköz kimenete BE vagy KI állapotban van, középső állapot nélkül. Ez a vezérlő csak akkor kapcsolja be a kimenetet, ha a hőmérséklet átlépi a rögzített pontot. A határvezérlő egy bizonyos típusú BE / KI vezérlő, amely reteszelő relét használ. Ezt a relét manuálisan nullázzák, és egy módszer kikapcsolására használják, ha egy bizonyos hőmérsékletet elérnek.
Arányos ellenőrzés
Ez a fajta vezérlő az ON / OFF vezérléssel összekapcsolt ciklus eltávolítására szolgál. Ez a PID szabályozó csökkenti a fűtés felé táplált normál teljesítményt, amint a hőmérséklet eléri a rögzített pontot.
Ennek a vezérlőnek egy funkciója van a fűtés vezérlésére, hogy az ne lépje túl a rögzített pontot, ugyanakkor az állandó hőmérséklet fenntartása érdekében eléri a rögzített pontot.
Ezt az arányosítást a kimenet kis időre történő be- és kikapcsolásával érhetjük el. Ez az időarányosítás megváltoztatja az ON idő és az OFF idő arányát a hőmérséklet szabályozásához.
Standard típusú PID vezérlő
Ez a fajta PID-vezérlő az integrált és derivatív vezérléssel egyesíti az arányos szabályozást, hogy automatikusan segítse az egységet a rendszeren belüli módosítások kompenzálásában. Ezeket a módosításokat, az integrált és a deriváltakat időalapú egységekben fejezzük ki.
Ezeket a vezérlőket a kölcsönös kapcsolataik, a RATE és a RESET szerint is hivatkozják. A PID feltételeit külön kell beállítani, különben egy adott rendszerhez kell igazítani a próbával, valamint a hibával. Ezek a vezérlők kínálják a legpontosabb és legbiztonságosabb vezérlést a 3 típusú vezérlő közül.
Valós idejű PID-vezérlők
Jelenleg különféle típusú PID szabályozók állnak rendelkezésre a piacon. Ezeket a vezérlőket olyan ipari szabályozási követelményekhez használják, mint a nyomás, a hőmérséklet, a szint és az áramlás. Miután ezeket a paramétereket PID-n keresztül vezérelték, a választások külön PID-vezérlőt vagy PLC-t tartalmaznak.
Ezeket a külön vezérlőket ott alkalmazzák, ahol különben két hurok ellenőrzésére van szükség, és más módon is vezérelni kell azokat a körülményeket, ahol a nagyobb rendszereken keresztül történő belépés joga összetett.
Ezek a vezérlőeszközök különböző választási lehetőségeket kínálnak a szóló és iker hurok vezérléséhez. Az önálló PID-vezérlők több rögzítettpontos konfigurációt biztosítanak az autonóm több riasztás előállításához.
Ezek az önálló szabályozók főként a Honeywell PID-szabályozóit, a Yokogawa hőmérséklet-szabályozóit, az OMEGA, a Siemens és az ABB vezérlőit szabályozzák.
A PLC-ket a PID-vezérlőkhöz hasonlóan használják a legtöbb ipari vezérlési alkalmazásban. A PID-blokkok elrendezése történhet PAC-okon vagy PLC-ken belül, hogy kiváló választási lehetőségeket nyújtson a pontos PLC-vezérléshez. Ezek a vezérlők intelligensebbek és hatékonyabbak, mint a különálló vezérlők. Minden PLC tartalmazza a PID blokkot a szoftver programozásban.
Hangolási módszerek
Mielőtt a PID vezérlő működne, azt úgy kell beállítani, hogy megfeleljen az irányítandó folyamat dinamikájának. A tervezők megadják a P, I és D kifejezések alapértelmezett értékeit, és ezek az értékek nem tudták elérni a kívánt teljesítményt, és néha instabilitást és lassú vezérlési teljesítményt eredményeznek. Különböző típusú hangolási módszereket fejlesztettek ki a PID vezérlők hangolásához, és nagy figyelmet igényelnek az üzemeltetőtől az arányos, integrális és derivatív nyereség legjobb értékeinek kiválasztásához. Ezek közül néhányat az alábbiakban adunk meg.
A legtöbb ipari alkalmazásban PID-szabályozókat használnak, de ismerni kell ennek a szabályozónak a beállításait, hogy helyesen állítsák be a kívánt kimenet előállításához. Itt a hangolás nem más, mint az az eljárás, amikor ideális választ kapunk a vezérlőtől a legjobb arányos nyereség, integrál és derivatív tényezők beállításával.
A PID vezérlő kívánt kimenetét a vezérlő hangolásával lehet elérni. Különböző technikák állnak rendelkezésre a szükséges kimenet megszerzéséhez a vezérlőtől, például próba és hiba, Zeigler-Nichols és folyamatreakció görbe. A leggyakrabban használt módszerek a próba és hiba, a Zeigler-Nichols stb.
Próba- és hibamódszer: Ez egy egyszerű módszer a PID vezérlő hangolásához. Amíg a rendszer vagy a vezérlő működik, beállíthatjuk a vezérlőt. Ebben a módszerben először a Ki és Kd értékeket kell nulla értékre állítanunk, és növelnünk kell az arányos tagot (Kp), amíg a rendszer el nem éri az oszcilláló viselkedést. Amint oszcillál, állítsa be a Ki (Integral tag) értéket úgy, hogy az oszcillációk megálljanak, és végül állítsa be a D-t, hogy gyors reakciót kapjon.
Folyamat reakciógörbe technika: Ez egy nyílt hurkú hangolási technika. Választ ad, ha egy lépésbemenetet alkalmaznak a rendszerre. Kezdetben néhány vezérlő kimenetet manuálisan kell alkalmaznunk a rendszerre, és rögzítenünk kell a válaszgörbét.
Ezt követően ki kell számolnunk a meredekséget, a holtidőt, a görbe emelkedési idejét, és végül ezeket az értékeket P, I és D egyenletekbe kell helyettesítenünk, hogy megkapjuk a PID tagok erősítési értékeit.
A folyamat reakciógörbéje
Zeigler-Nichols módszer: Zeigler-Nichols zárt hurkú módszereket javasolt a PID vezérlő hangolásához. Ezek a folyamatos ciklusos módszer és a csillapított oszcillációs módszerek. Mindkét módszer eljárása ugyanaz, de az oszcillációs viselkedés más. Ebben először a p-vezérlő állandóját, a Kp-t kell beállítanunk egy adott értékre, míg a Ki és a Kd értéke nulla. Az arányos erősítést addig növeljük, amíg a rendszer állandó amplitúdójú oszcillál.
Az erősítést, amelynél a rendszer állandó rezgéseket produkál, végső nyereségnek (Ku), a rezgések periódusát pedig végső periódusnak (Pc) nevezünk. Amint eléri, beírhatjuk a P, I és D értékeket a PID vezérlőbe a Zeigler-Nichols táblában, attól függően, hogy milyen vezérlőt használunk, például P, PI vagy PID, az alábbiak szerint.
Zeigler-Nichols táblázat
PID vezérlő felépítése
A PID vezérlő három kifejezésből áll, nevezetesen az arányos, az integrális és a derivatív szabályozásból. E három vezérlő együttes működése vezérlési stratégiát ad a folyamatszabályozáshoz. A PID-szabályozó manipulálja a folyamatváltozókat, például nyomást, sebességet, hőmérsékletet, áramlást stb. Néhány alkalmazás PID-szabályozókat használ kaszkád hálózatokban, ahol két vagy több PID-t használnak a vezérlés elérésére.
A PID vezérlő felépítése
A fenti ábra a PID szabályozó felépítését mutatja. Ez egy PID blokkból áll, amely a kimenetet a folyamatblokknak adja. A folyamat / üzem végső vezérlőeszközökből áll, például működtetőkből, vezérlőszelepekből és egyéb vezérlőeszközökből az ipar / üzem különböző folyamatainak vezérlésére.
A folyamatüzem visszacsatoló jelét összehasonlítjuk az u (t) beállított ponttal vagy referenciajellel, és a megfelelő e (t) hibajelet a PID algoritmusba vezetjük. Az algoritmusban szereplő arányos, integrális és derivált szabályozási számítások szerint a vezérlő kombinált választ vagy vezérelt kimenetet produkál, amelyet az üzem vezérlő készülékeire alkalmaznak.
Minden vezérlő alkalmazásnak nincs szüksége mindhárom vezérlőelemre. Az olyan kombinációkat, mint a PI és a PD kontrollokat, gyakran használják a gyakorlati alkalmazásokban.
Alkalmazások
A PID vezérlő alkalmazásai a következőket tartalmazzák.
A legjobb PID-szabályozó alkalmazás a hőmérséklet-szabályozás, ahol a szabályozó egy hőmérséklet-érzékelő bemenetét használja, és annak kimenete összekapcsolható egy vezérlőelemmel, például ventilátorral vagy fűtéssel. Általában ez a szabályozó egyszerűen a hőmérséklet-szabályozó rendszer egyik eleme. Meg kell vizsgálni az egész rendszert, és figyelembe kell venni azt a megfelelő vezérlő kiválasztásakor.
A kemence hőmérséklet-szabályozása
Általában a kemencéket fűtésre használják, valamint hatalmas mennyiségű nyersanyagot tárolnak hatalmas hőmérsékleten. Szokás, hogy a lefoglalt anyag hatalmas tömeget tartalmaz. Következésképpen nagy mennyiségű tehetetlenséget igényel, és az anyag hőmérséklete még akkor sem változik gyorsan, ha hatalmas hőt alkalmazunk. Ez a funkció mérsékelten stabil PV jelet eredményez, és lehetővé teszi, hogy a Derivált periódus hatékonyan kijavítsa a hibát, az FCE vagy a CO szélsőséges változásai nélkül.
MPPT töltésvezérlő
A fotovoltaikus cella V-I jellemzője elsősorban a hőmérséklet tartományától és a besugárzástól függ. Az időjárási viszonyok alapján az áram és az üzemi feszültség folyamatosan változik. Tehát rendkívül fontos a hatékony fotovoltaikus rendszer legmagasabb PowerPoint-jának nyomon követése. A PID-szabályozó megszokta az MPPT megtalálását azzal, hogy fix feszültség- és árampontokat ad a PID-vezérlőnek. Miután megváltozott az időjárási viszonyok, a nyomkövető stabilan tartja az áramot és a feszültséget.
A Power Electronics átalakítója
Tudjuk, hogy az átalakító a teljesítményelektronika egyik alkalmazása, ezért a konverterekben többnyire PID-szabályozót használnak. Amikor egy átalakítót egy rendszeren keresztül kötnek össze a terhelésen belüli változás alapján, akkor az átalakító kimenete megváltozik. Például egy inverter terheléssel van összekapcsolva, a hatalmas áram a terhelés növelése után táplálkozik. Így a feszültség és az áram paramétere nem stabil, de a követelmény alapján változni fog.
Ebben az állapotban ez a vezérlő PWM jeleket generál az inverter IGBT-jének aktiválásához. A terhelésen belüli változás alapján a válaszjelet eljuttatjuk a PID vezérlőhöz, hogy n hibát eredményezzen. Ezeket a jeleket a hibajel alapján generálják. Ebben az állapotban változtatható bemenetet és kimenetet kaphatunk egy hasonló inverteren keresztül.
A PID vezérlő alkalmazása: Zárt hurok vezérlés kefe nélküli egyenáramú motorhoz
PID vezérlő interfész
A PID vezérlő megtervezése és összekapcsolása az Arduino mikrovezérlő segítségével történhet. A laboratóriumban az Arduino alapú PID vezérlőt az Arduino UNO kártya, az elektronikus alkatrészek, a termoelektromos hűtő felhasználásával tervezték, míg az ebben a rendszerben használt szoftver programozási nyelvek C vagy C ++. Ezt a rendszert használják a laboratóriumi hőmérséklet szabályozására.
A PID paraméterei egy adott vezérlő számára fizikailag megtalálhatók. A különféle PID paraméterek funkciója a vezérlők különböző formái közötti későbbi kontraszt révén valósítható meg.
Ez az összekötő rendszer hatékonyan képes kiszámítani a hőmérsékletet ± 0,6 ℃ hibával, míg az állandó hőmérséklet az előnyös értéktől való kis különbség révén szabályozható. Az ebben a rendszerben használt fogalmak olcsó és pontos technikákat fognak nyújtani a fizikai paraméterek kezelésére a laboratóriumban egy előnyös tartományban.
Így ez a cikk a PID vezérlő áttekintését tárgyalja, amely tartalmazza az előzményeket, a blokkdiagramot, a struktúrát, a típusokat, a munkát, a hangolási módszereket, az interfészt, az előnyöket és az alkalmazásokat. Reméljük, hogy alapvető, mégis pontos ismereteket tudtunk nyújtani a PID vezérlőkről. Itt van egy egyszerű kérdés mindannyiuk számára. A különböző hangolási módszerek közül melyiket alkalmazzák előnyösen a PID vezérlő optimális működésének elérésére és miért?
Kérjük, hogy válaszait az alábbi megjegyzés részben adja meg.
Fotók
PID vezérlő blokkvázlata wikimedia
PID vezérlő felépítése, P-vezérlő, P - vezérlő válasza és PID vezérlője blog.opticontrols
P - vezérlő válasza ellenőrzi.motor.umich
PI- vezérlő válasza hús
PID vezérlő válasza wikimedia
Zeigler-Nichols táblázata vezérlések.motor
