Razumevanje PID krmilnika

Prva uspešna ocena teorije PID nadzora je bila praktično preverjena na področju avtomatskih krmilnih sistemov za ladje že okoli leta 1920. Po tem je bila uporabljena v različnih industrijskih avtomatskih krmilnih procesih, ki so zahtevali optimizirane in natančne specifikacije proizvodnje. Za proizvodne enote je bil PID priljubljen za doseganje natančnega pnevmatskega nadzora, na koncu pa je bila teorija PID uporabljena v elektronskih krmilnikih v sodobnem času.

Kaj je PID krmilnik

Izraz PID je okrajšava za proporcionalni integralni izpeljani krmilnik, ki je mehanizem povratne zanke, namenjen natančnemu nadzoru različnih industrijskih krmilnih strojev in številnih drugih podobnih aplikacij, ki zahtevajo kritične in avtomatizirane modulacijske kontrole.

Da bi to lahko izvedel, krmilnik PID neprestano spremlja delovanje sistema in izračuna element inducirane napake. Nato to trenutno vrednost napake izračuna v obliki razlike med zahtevano nastavljeno vrednostjo (SP) in izmerjeno spremenljivko procesa (PV).

Glede na zgoraj navedeno se izvede takojšnja in samodejna korekcija povratnih informacij v smislu sorazmernih (P), integralnih (I) in izpeljanih (D) izrazov ter s tem tudi ime PID krmilnik.

Z enostavnimi besedami PID krmilnik neprekinjeno nadzira delovanje določenega strojnega sistema in s pomočjo določenega algoritma nenehno popravlja svoj izhodni odziv glede na spremembe, ki jih povzročajo zunanji vplivi. Tako zagotavlja, da stroj vedno deluje v predpisanih idealnih pogojih.

Razumevanje blokovnega diagrama PID

Regulator PID velja za vsestranski nadzorni sistem zaradi svoje zmožnosti zaznavanja in upravljanja treh regulacijskih parametrov: sorazmernega, integralnega in izvedenega ter z izredno natančnostjo uporablja predvideni optimalni nadzor na izhodu glede na te 3 parametre.

Spodnja slika prikazuje blokovni diagram PID. S sklicevanjem na ta blokovni diagram lahko hitro razumemo osnovno načelo delovanja PID.

slika vljudnost: en.wikipedia.org/wiki/File:PID_en.svg

Tu lahko vidimo nabor spremenljivk, kot so e (t), ki ustreza vrednosti napake, r (t), ki ustreza ciljni nastavljeni točki, in y (t) kot izmerjena spremenljivka procesa. PID-regulator ves čas svojega delovanja spremlja vrednost napake e (t) tako, da oceni razliko med predvideno nastavljeno vrednostjo r (t) ali SP in izmerjeno vrednostjo procesa y (t) ali PV in posledično izvede popravek povratnih informacij ali optimizacijo z uporabo parametrov in sicer: sorazmerni, integralni in izpeljani.

Krmilnik se še naprej trudi, da bi vseskozi zmanjšal učinek napake s prilagoditvijo krmilne spremenljivke u (t) na sveže vrednosti na podlagi analizirane tehtane vsote krmilnih izrazov (p, I, d).

Na primer, pri delovanju krmiljenja ventila lahko njegovo odpiranje in zapiranje neprekinjeno spreminja PID s pomočjo zapletenih ocen, kot je razloženo zgoraj.

V prikazanem sistemu lahko različne izraze razumemo, kot je razloženo spodaj:

P- krmilnik:

Izraz P je sorazmeren trenutnim vrednostim napak e (t), pridobljenih z oceno rezultata za SP - PV. V primeru, ko se vrednost napake nagiba k povečanju, postane tudi krmilna moč sorazmerno večja glede na faktor ojačanja 'K'. Vendar v procesu, ki zahteva kompenzacijo, na primer pri nadzoru temperature, lahko sorazmerno krmiljenje samostojno privede do netočnosti med nastavljeno vrednostjo in dejansko vrednostjo procesa, saj brez povratne informacije o napaki ne more delovati zadovoljivo, da ustvari sorazmerni odziv. To pomeni, da brez povratne informacije o napaki ustrezen korektivni odziv morda ne bo mogoč.

I- krmilnik:

Izraz I postane odgovoren za predhodno ovrednotene vrednosti napak SP - PV in jih v svojem operativnem obdobju integrira, da ustvari izraz I. Na primer, medtem ko se uporablja proporcionalni nadzor, če SP - PV povzroči napako, parameter I postane aktiven in poskuša odpraviti to preostalo napako. To se dejansko zgodi s kontrolnim odzivom, ki se sproži zaradi kumulativne vrednosti napake, zabeležene prej. Takoj, ko se to zgodi, se izraz I neha več krepiti. To povzroči, da se sorazmerni učinek ustrezno zmanjša, ko se faktor napake zmanjša, čeprav se to tudi kompenzira z razvojem integralnega učinka.

D- krmilnik:

Izraz D je najprimernejši približek, izračunan za spreminjajoče se trende napake SP - PV, odvisno od trenutne hitrosti spremembe faktorja napake. Če se ta hitrost sprememb hitro poveča, se nadzor povratnih informacij izvaja bolj agresivno in obratno.

Kaj je nastavitev PID

Zgoraj obravnavani parametri lahko zahtevajo pravilno uravnoteženje za zagotovitev optimalne krmilne funkcije, kar se doseže s postopkom, imenovanim 'nastavitev zanke'. Vključene konstante uglaševanja so označene kot 'K', kot je prikazano v naslednjih odbitkih. Vsako od teh konstant je treba za izbrano aplikacijo izpeljati posamično, saj so konstante strogo odvisne in se razlikujejo glede na značilnosti in vplive posebnih zunanjih parametrov, vključenih v zanko. Ti lahko vključujejo odziv senzorjev, uporabljenih za merjenje določenega parametra, končni dušilni element, kot je krmilni ventil, možen časovni pretek v signalu zanke in sam postopek itd.

Morda je sprejemljivo uporabiti približne vrednosti za konstante na začetku izvajanja glede na vrsto aplikacije, vendar bo to na koncu zahtevalo resno natančno uglaševanje in prilagajanje s praktičnim eksperimentiranjem, tako da bo vsiljeval spremembe nastavljenih točk in pozneje opazoval odziv nadzor sistema.

Naj gre za matematični model ali v praktični zanki, pri obeh je mogoče uporabiti 'neposredno' krmiljenje za določene izraze. Kar pomeni, ko se zazna povečanje pozitivne napake, se sproži ustrezno povečana pozitivna kontrola za nadzor stanja za povzete izraze.

Vendar pa bo to morda treba obrniti v aplikacijah, kjer ima lahko izhodni parameter nasprotno konfigurirano značilnost, ki zahteva povratni korekcijski ukrep. Oglejmo si primer pretočne zanke, pri kateri je postopek odpiranja ventila predviden za delovanje s 100% in 0% izhodom, vendar ga je treba nadzorovati z ustreznimi 0% in 100% izhodom, v tem primeru postane nujen povratni korekcijski nadzor. Natančneje razmislite o vodnem hladilnem sistemu z zaščitno funkcijo, pri kateri mora biti njegov ventil med izgubo signala 100% odprt. V tem primeru mora imeti izhod krmilnika možnost, da v odsotnosti signala preklopi na 0% krmiljenja, tako da se lahko ventil odpre s polnimi 100%, kar se imenuje krmiljenje z vzvratnim delovanjem.

Matematični model krmilne funkcije

V tem matematičnem modelu vse nenegativne konstante Kp, Ki in Kd pomenijo koeficiente za sorazmerne, integralne in izpeljane izraze (v nekaterih primerih so tudi P, I in D).

Prilagajanje pogojev nadzora PID

Iz zgornjih razprav smo razumeli, da nadzorni sistem PID v osnovi deluje s tremi nadzornimi parametri, vendar nekatere manjše aplikacije morda raje uporabljajo nekaj teh izrazov ali celo en izraz od treh izrazov.

Prilagoditev se izvede tako, da se neuporabljeni izraz postavi na nič in se vključi nekaj izrazov PI, PD ali posamezni izrazi, kot sta P ali I. Med temi so konfiguracije krmilnika PI pogostejše, saj je izraz D običajno nagnjen k hrupu vplivov in zato v večini primerov odpravljeni, razen če so strogo obvezni. Običajno je vključen izraz I, ki zagotavlja sistemu, da doseže predvideno optimalno ciljno vrednost na izhodu.