Som namnet antyder kommer den här artikeln att ge en exakt uppfattning om PID-styrenhetens struktur och funktion. Men gå in i detaljer, låt oss få en introduktion om PID-kontroller. PID-regulatorer finns i ett brett spektrum av applikationer för industriell processkontroll. Cirka 95% av verksamhetens slutna kretslopp industriell automation använder PID-styrenheter. PID står för Proportional-Integral-Derivative. Dessa tre styrenheter kombineras på ett sådant sätt att de producerar en styrsignal. Som feedbackkontroll levererar den kontrollutgången på önskade nivåer. Innan mikroprocessorer uppfanns implementerades PID-kontroll av de analoga elektroniska komponenterna. Men idag bearbetas alla PID-regulatorer av mikroprocessorerna. Programmerbara logiska styrenheter har också de inbyggda PID-kontrollinstruktionerna. På grund av PID-styrenheternas flexibilitet och tillförlitlighet används dessa traditionellt i processkontrollapplikationer.
Vad är en PID-kontroller?
Termen PID står för proportionellt integralt derivat och det är en typ av anordning som används för att styra olika processvariabler som tryck, flöde, temperatur och hastighet i industriella applikationer. I denna styrenhet används en återkopplingsanordning för kontrollslinga för att reglera alla processvariabler.
Denna typ av styrning används för att driva ett system i riktning mot en objektiv plats i annat fall nivå. Det finns nästan överallt för temperaturkontroll och används i vetenskapliga processer, automatisering och otaliga kemikalier. I denna styrenhet används återkoppling med sluten slinga för att upprätthålla den verkliga utgången från en metod som ligger nära målet, annars om det går ut vid fixpunkten. I den här artikeln diskuteras PID-kontrollerns design med kontrolllägen som används som P, I & D.
Historia
PID-regulatorns historia är, År 1911 utvecklades den första PID-regulatorn av Elmer Sperry. Därefter implementerades TIC (Taylor Instrumental Company) en tidigare pneumatisk styrenhet med helt avstämbar år 1933. Efter några år tog kontrollingenjörerna bort felet i steady-state som finns i proportionella styrenheter genom att justera slutet till något falskt värde tills felet inte var noll.
Denna justering inkluderade felet som är känt som proportionell-integrerad styrenhet. Därefter utvecklades den första pneumatiska PID-regulatorn 1940 genom en derivatåtgärd för att minska överskridande problem.
1942 har Ziegler & Nichols infört inställningsregler för att upptäcka och ställa in lämpliga parametrar för PID-styrenheter av ingenjörerna. Äntligen användes automatiska PID-regulatorer i stor utsträckning i industrier i mitten av 1950.
PID-kontrollblockblockdiagram
Ett system med sluten slinga som en PID-styrenhet innehåller ett återkopplingsstyrsystem. Detta system utvärderar återkopplingsvariabeln med hjälp av en fast punkt för att generera en felsignal. Baserat på det ändrar det systemutmatningen. Denna procedur fortsätter tills felet når noll, annars blir värdet på återkopplingsvariabeln ekvivalent med en fast punkt.
Denna styrenhet ger bra resultat jämfört med ON / OFF-styrenheten. I PÅ / AV-styrenheten är det bara två villkor som är tillgängliga för att hantera systemet. När processvärdet är lägre än den fasta punkten slås det på. På samma sätt stängs den av när värdet är högre än ett fast värde. Utgången är inte stabil i denna typ av styrenhet och den kommer att svänga ofta i området för den fasta punkten. Denna kontroller är dock mer stabil och korrekt jämfört med ON / OFF-typkontrollen.
Arbetar med PID-regulator
Arbeta med PID Controller
Med användning av en låg kostnad enkel ON-OFF-styrenhet är endast två kontrolltillstånd möjliga, som helt PÅ eller helt AV. Den används för en begränsad kontrollapplikation där dessa två kontrolltillstånd är tillräckliga för kontrollmålet. Emellertid oscillerande karaktär av denna kontroll begränsar dess användning och därför ersätts den av PID-regulatorer.
PID-styrenheten upprätthåller utgången så att det finns nollfel mellan processvariabeln och börvärdet / önskad utgång genom slutna slingoperationer. PID använder tre grundläggande kontrollbeteenden som förklaras nedan.
P-styrenhet
Proportionell eller P-styrenhet ger en utgång som är proportionell mot strömfel e (t). Den jämför det önskade eller börvärdet med det verkliga värdet eller återkopplingsprocessvärdet. Det resulterande felet multipliceras med en proportionell konstant för att få utdata. Om felvärdet är noll är denna kontrollerutgång noll.
P-styrenhet
Denna styrenhet kräver förspänning eller manuell återställning när den används ensam. Detta beror på att det aldrig når steady-state-tillståndet. Det ger stabil drift men upprätthåller alltid steady-state-felet. Svarets hastighet ökas när den proportionella konstanten Kc ökar.
P-Controller-svar
I-Controller
På grund av begränsningen av p-controller där det alltid finns en förskjutning mellan processvariabeln och börvärdet behövs I-controller, vilket ger nödvändiga åtgärder för att eliminera steady-state-felet. Det integrerar felet över en tidsperiod tills felvärdet når noll. Det håller värdet till den slutliga styrenheten vid vilken felet blir noll.
PI-styrenhet
Integrerad kontroll minskar sin produktion när ett negativt fel inträffar. Det begränsar svarets hastighet och påverkar systemets stabilitet. Svarets hastighet ökas genom att integralförstärkningen minskar, Ki.
PI-kontrollersvar
I figuren ovan, då förstärkningen av I-regulatorn minskar, fortsätter även steady-state-felet att minska. I de flesta fall används PI-styrenheten särskilt när höghastighetsrespons inte krävs.
När du använder PI-styrenheten är I-styrenhetens utgång begränsad till något intervall för att övervinna integrerad avveckling förhållanden där den integrerade produktionen fortsätter att öka även vid nollfeletillstånd på grund av olinjäriteter i anläggningen.
D-Controller
I-controller har inte möjlighet att förutsäga framtida felbeteende. Så det reagerar normalt när börvärdet har ändrats. D-controller löser detta problem genom att förutse felets framtida beteende. Dess uteffekt beror på hastigheten för förändring av fel med avseende på tid, multiplicerat med derivatkonstant. Det ger kickstart för utdata och ökar därmed systemets respons.
PID-styrenhet
I figuren ovan svaret för D är styrenheten mer, jämfört med PI-styrenheten, och dessutom minskar utmatningstiden för utsignalen. Det förbättrar systemets stabilitet genom att kompensera för fasfördröjning orsakad av I-controller. Ökning av derivatförstärkningen ökar svarets hastighet.
PID-kontrollens svar
Så slutligen observerade vi att genom att kombinera dessa tre styrenheter kan vi få önskat svar för systemet. Olika tillverkare utformar olika PID-algoritmer.
Typer av PID-kontroller
PID-regulatorer klassificeras i tre typer som PÅ / AV, proportionella och standardstyrenheter. Dessa styrenheter används baserat på styrsystemet, användaren kan använda styrenheten för att reglera metoden.
PÅ / AV-kontroll
En on-off-kontrollmetod är den enklaste typen av enhet som används för temperaturkontroll. Enhetsutgången kan vara PÅ / AV utan mittläge. Denna styrenhet slår på utgången helt enkelt när temperaturen passerar den fasta punkten. En gränsregulator är en speciell typ av PÅ / AV-styrenhet som använder ett spärrrelä. Detta relä återställs manuellt och används för att stänga av en metod när en viss temperatur uppnåtts.
Proportionell kontroll
Denna typ av styrenhet är utformad för att ta bort cykeln som är ansluten via ON / OFF-kontroll. Denna PID-styrenhet minskar den normala effekten som tillförs värmaren när temperaturen når den fasta punkten.
Denna styrenhet har en funktion för att styra värmaren så att den inte överskrider den fasta punkten men den når den fasta punkten för att upprätthålla en stabil temperatur.
Denna proportioneringsåtgärd kan uppnås genom att slå på och stänga av utgången under små tidsperioder. Denna tidsproportionering kommer att ändra förhållandet från PÅ-tid till AV-tid för att kontrollera temperaturen.
Standard typ PID-styrenhet
Denna typ av PID-styrenhet kommer att slå samman proportionell kontroll genom integrerad och derivatstyrning för att automatiskt hjälpa enheten att kompensera modifieringar i systemet. Dessa modifieringar, integraler och derivat uttrycks i tidsbaserade enheter.
Dessa styrenheter hänvisas också genom deras ömsesidiga, RATE & RESET på motsvarande sätt. Villkoren för PID måste justeras separat i annat fall anpassas till ett specifikt system med testet samt fel. Dessa styrenheter kommer att erbjuda den mest exakta och stadiga kontrollen av de tre typerna av styrenheter.
PID-kontroller i realtid
För närvarande finns det olika typer av PID-regulatorer tillgängliga på marknaden. Dessa regulatorer används för industriella kontrollkrav som tryck, temperatur, nivå och flöde. När dessa parametrar väl har kontrollerats genom PID, innefattar val att använda en separat PID-styrenhet eller antingen PLC.
Dessa separata styrenheter används varhelst en annan två slingor måste kontrolleras såväl som kontrolleras på annat sätt under de förhållanden där det är komplext till höger om inresa genom större system.
Dessa styrenheter ger olika val för solo- och dubbelslingkontroll. De fristående PID-styrenheterna tillhandahåller flera konfigurationer för fasta punkter för att producera flera autonoma larm.
Dessa fristående kontroller består huvudsakligen av PID-regulatorer från Honeywell, temperaturregulatorer från Yokogawa, autotune-kontroller från OMEGA, Siemens och ABB-regulatorer.
PLC: er används som PID-styrenheter i de flesta industriella styrapplikationer. Arrangemanget av PID-block kan göras inom PAC: er eller PLC: er för att ge överlägsna val för en exakt PLC-kontroll. Dessa styrenheter är smartare och kraftfullare jämfört med separata styrenheter. Varje PLC inkluderar PID-blocket i programvaruprogrammeringen.
Justeringsmetoder
Innan PID-regulatorn arbetar måste den ställas in så att den passar dynamiken i processen som ska styras. Designers anger standardvärdena för P-, I- och D-termer, och dessa värden kunde inte ge önskad prestanda och leder ibland till instabilitet och långsam kontrollprestanda. Olika typer av avstämningsmetoder utvecklas för att ställa in PID-styrenheterna och kräver mycket uppmärksamhet från operatören för att välja de bästa värdena för proportionella, integrerade och derivata vinster. Några av dessa ges nedan.
PID-styrenheter används i de flesta industriella applikationer men man bör känna till inställningarna för denna styrenhet för att justera den korrekt för att generera önskad utgång. Här är inställning inget annat än proceduren för att få ett perfekt svar från styrenheten genom att ställa in bästa proportionella vinster, integrerade och derivata faktorer.
Den önskade utgången från PID-styrenheten kan erhållas genom att ställa in styrenheten. Det finns olika tekniker tillgängliga för att få den erforderliga utmatningen från styrenheten som test & error, Zeigler-Nichols & process reaktionskurva. De mest använda metoderna är trial & error, Zeigler-Nichols, etc.
Test- och felmetod: Det är en enkel metod för inställning av PID-kontroller. Medan systemet eller styrenheten fungerar kan vi ställa in styrenheten. I den här metoden måste vi först ställa in Ki- och Kd-värden till noll och öka den proportionella termen (Kp) tills systemet når oscillerande beteende. När den väl har svängit, justera Ki (integrerad term) så att svängningarna stannar och justera slutligen D för att få ett snabbt svar.
Processreaktionskurvteknik: Det är en stämningsteknik med öppen slinga. Det ger ett svar när en stegingång tillämpas på systemet. Inledningsvis måste vi tillämpa en del kontrollutgångar till systemet manuellt och måste registrera svarskurvan.
Efter det måste vi beräkna lutning, dödtid, stigningstiden för kurvan och slutligen ersätta dessa värden i P-, I- och D-ekvationer för att få förstärkningsvärdena för PID-termer.
Processreaktionskurva
Metoden Zeigler-Nichols: Zeigler-Nichols föreslog metoder för sluten slinga för att ställa in PID-styrenheten. Dessa är den kontinuerliga cykelmetoden och den dämpade svängningsmetoden. Förfarandena för båda metoderna är desamma men svängningsbeteendet är annorlunda. I detta måste vi först ställa in p-kontrollerkonstanten, Kp till ett visst värde medan Ki- och Kd-värdena är noll. Proportionell förstärkning ökas tills systemet oscillerar med konstant amplitud.
Förstärkning vid vilket system producerar konstanta svängningar kallas slutlig förstärkning (Ku) och perioden för svängningar kallas den ultimata perioden (Pc). När den väl har uppnåtts kan vi ange värdena för P, I och D i PID-styrenheten av Zeigler-Nichols-tabellen beror på styrenheten som används som P, PI eller PID, som visas nedan.
Zeigler-Nichols bord
PID-kontrollerstruktur
PID-styrenhet består av tre termer, nämligen proportionell, integrerad och derivatstyrning. Den kombinerade driften av dessa tre styrenheter ger en kontrollstrategi för processkontroll. PID-styrenheten manipulerar processvariablerna som tryck, hastighet, temperatur, flöde etc. Några av applikationerna använder PID-styrenheter i kaskadnät där två eller flera PID används för att uppnå kontroll.
Struktur för PID-styrenhet
Ovanstående figur visar strukturen för PID-regulatorn. Den består av ett PID-block som ger sin output till processblocket. Process / anläggning består av slutliga styrenheter som ställdon, styrventiler och andra styrenheter för att styra olika processer inom industrin / anläggningen.
En återkopplingssignal från processanläggningen jämförs med en börvärde eller referenssignal u (t) och motsvarande felsignal e (t) matas till PID-algoritmen. Enligt beräkningarna av proportionell, integrerad och derivatstyrning i algoritmen producerar styrenheten ett kombinerat svar eller kontrollerad utgång som appliceras på anläggningsstyrenheter.
Alla kontrollapplikationer behöver inte alla tre kontrollelement. Kombinationer som PI- och PD-kontroller används ofta i praktiska tillämpningar.
Applikationer
PID-styrapplikationerna inkluderar följande.
Den bästa PID-regulatorapplikationen är temperaturkontroll där regulatorn använder en ingång från en temperatursensor och dess utgång kan kopplas till ett kontrollelement som en fläkt eller värmare. Generellt är denna styrenhet helt enkelt ett element i ett temperaturkontrollsystem. Hela systemet måste undersökas och övervägas när man väljer rätt styrenhet.
Ugns temperaturkontroll
Vanligtvis används ugnar för att inkludera uppvärmning och rymmer en enorm mängd råvara vid enorma temperaturer. Det är vanligt att materialet som upptas innehåller en enorm massa. Följaktligen tar det höga tröghetsmängder och materialets temperatur ändras inte snabbt även när enorm värme appliceras. Den här funktionen resulterar i en måttligt stabil PV-signal och tillåter att derivatperioden effektivt korrigerar för fel utan extrema ändringar av antingen FCE eller CO.
MPPT laddningsregulator
V-I-karakteristiken för en solcell beror huvudsakligen på temperaturområdet och på bestrålningen. Baserat på väderförhållandena kommer ström- och driftsspänningen att förändras ständigt. Så det är extremt viktigt att spåra den högsta PowerPoint i ett effektivt solcellssystem. PID-styrenhet används för att hitta MPPT genom att ge PID-styrenheten fast spänning och strömpunkter. När väderförhållandena har ändrats håller trackern ström och spänning stabil.
Omvandlaren till kraftelektronik
Vi vet att omvandlare är en tillämpning av kraftelektronik, så en PID-styrenhet används mest i omvandlare. När en omvandlare allieras genom ett system baserat på förändringen inom lasten, kommer omvandlarens utgång att ändras. Till exempel är en växelriktare allierad med belastning, den enorma strömmen matas när belastningarna ökas. Således är såväl spänningsparametern som strömmen inte stabil, men den kommer att förändras baserat på kravet.
I detta tillstånd genererar denna styrenhet PWM-signaler för att aktivera omvandlarens IGBT. Baserat på förändringen inom belastningen tillhandahålls svarsignalen till PID-styrenheten så att den producerar n-fel. Dessa signaler genereras baserat på felsignalen. I detta tillstånd kan vi få utbytbar ingång och utgång via en liknande inverter.
Tillämpning av PID-styrenhet: Stängd loopkontroll för en borstlös likströmsmotor
PID-styrenhetsgränssnitt
PID-styrenhetens design och gränssnitt kan göras med Arduino-mikrokontrollern. I laboratoriet är den Arduino-baserade PID-styrenheten konstruerad med hjälp av Arduino UNO-kortet, elektroniska komponenter, termoelektrisk kylare, medan programvarans programmeringsspråk som används i detta system är C eller C ++. Detta system används för att kontrollera temperaturen i laboratoriet.
Parametrarna för PID för en specifik styrenhet finns fysiskt. Funktionen hos olika PID-parametrar kan implementeras genom efterföljande kontrast mellan olika former av styrenheter.
Detta gränssnittssystem kan effektivt beräkna temperaturen genom ett fel på ± 0,6 ℃ medan en konstant temperatur regleras genom helt enkelt en liten skillnad från det föredragna värdet uppnås. De begrepp som används i detta system ger både billiga och exakta tekniker för att hantera fysiska parametrar inom ett föredraget intervall inom laboratoriet.
Således diskuterar den här artikeln en översikt över PID-styrenheten som inkluderar historik, blockschema, struktur, typer, arbete, inställningsmetoder, gränssnitt, fördelar och applikationer. Vi hoppas att vi har kunnat ge grundläggande men ändå exakt kunskap om PID-regulatorer. Här är en enkel fråga till er alla. Bland de olika inställningsmetoderna, vilken metod används helst för att uppnå en optimal funktion av PID-styrenheten och varför?
Du ombeds vänligen ge dina svar i kommentarfältet nedan.
Fotokrediter
PID-styrblock blockdiagram av wikimedia
PID-kontrollerstruktur, P-controller, P - controller-respons & PID-controller av blog.opticontrols
P - styrenhetens svar genom controls.engin.umich
PI-regulatorns svar med kött
PID Controller-svar av wikimedia
Zeigler-Nichols bord av kontrolls.motor
