Kaj je PID krmilnik: Delo in njegove aplikacije

Kaj je PID krmilnik: Delo in njegove aplikacije

Kot že ime pove, bo ta članek natančno predstavil strukturo in delovanje PID krmilnika. Ne glede na podrobnosti pa si oglejmo uvod o PID krmilnikih. PID krmilniki se nahajajo v številnih aplikacijah za nadzor industrijskih procesov. Približno 95% operacij zaprtega kroga industrijska avtomatizacija sektorja uporabljajo PID krmilnike. PID pomeni Proporcionalno-integralno-izvedeni finančni instrument. Ti trije krmilniki so kombinirani tako, da proizvajajo krmilni signal. Kot krmilnik s povratnimi informacijami zagotavlja krmilni izhod na želenih ravneh. Pred izumom mikroprocesorjev so analogne elektronske komponente izvajale nadzor PID. Toda danes vsi PID krmilniki obdelujejo mikroprocesorji. Programabilni logični krmilniki imajo tudi vgrajena navodila PID krmilnika. Zaradi prilagodljivosti in zanesljivosti regulatorjev PID se ti tradicionalno uporabljajo v aplikacijah za nadzor procesov.



Kaj je PID krmilnik?

Izraz PID pomeni sorazmerni integralni derivat in je ena vrsta naprave, ki se uporablja za nadzor različnih procesnih spremenljivk, kot so tlak, pretok, temperatura in hitrost v industrijskih aplikacijah. V tem krmilniku se za regulacijo vseh spremenljivk procesa uporablja krmilna naprava za povratno zanko.


Ta vrsta krmiljenja se uporablja za pogon sistema v smeri ciljne lokacije, ki je sicer ravna. Skoraj povsod je za nadzor temperature in se uporablja v znanstvenih procesih, avtomatizaciji in neštetih kemikalijah. V tem krmilniku se povratna zveza z zaprto zanko uporablja za vzdrževanje dejanskega izhoda iz metode, kot je blizu cilja, sicer, če je mogoče, izhod na fiksni točki. V tem članku je obravnavana zasnova PID krmilnika z načini krmiljenja, ki se uporabljajo v njih, kot so P, I & D.





Zgodovina

Zgodovina PID krmilnika je, da je leta 1911 Elmer Sperry razvil prvi PID krmilnik. Po tem je bil TIC (Taylor Instrumental Company) v letu 1933 uveden nekdanji pnevmatski krmilnik s popolnoma nastavljivim regulatorjem. Po nekaj letih so nadzorni inženirji odpravili napako ustaljenega stanja, ki jo najdemo v sorazmernih krmilnikih, tako da so konec ponovno postavili na neko napačno vrednost, dokler napaka ni bila nič.

Ta ponovna nastavitev je vključevala napako, ki je znana kot proporcionalno-integrirani krmilnik. Po tem je bil leta 1940 razvit prvi pnevmatski PID krmilnik z izvedenim ukrepom za zmanjšanje težav s pretiravanjem.



Leta 1942 so Ziegler & Nichols uvedli pravila uglaševanja, da bi inženirji odkrili in nastavili ustrezne parametre PID krmilnikov. Končno so se avtomatski PID-regulatorji v veliki meri uporabljali v industriji sredi leta 1950.


Blok diagram PID krmilnika

Sistem z zaprto zanko, kot je PID krmilnik, vključuje sistem za nadzor povratnih informacij. Ta sistem ovrednoti spremenljivko povratne informacije s fiksno točko, da ustvari signal napake. Na podlagi tega spremeni izhod sistema. Ta postopek se bo nadaljeval, dokler napaka ne doseže nič, sicer vrednost spremenljivke povratnih informacij postane enaka fiksni točki.

Ta krmilnik zagotavlja dobre rezultate v primerjavi s krmilnikom tipa ON / OFF. V krmilniku tipa ON / OFF sta za upravljanje sistema na voljo le dva pogoja. Ko je vrednost procesa nižja od fiksne točke, se bo vklopila. Podobno se izklopi, ko je vrednost višja od fiksne vrednosti. Izhod pri tej vrsti krmilnika ni stabilen in se bo v območju fiksne točke pogosto nihal. Vendar je ta krmilnik bolj stabilen in natančen v primerjavi s krmilnikom tipa ON / OFF.

Delovanje PID regulatorja

Delovanje PID regulatorja

Delovanje PID krmilnika

Z uporabo poceni enostavnega krmilnika ON-OFF sta mogoča le dva stanja krmiljenja, na primer popolnoma vklopljen ali popolnoma izklopljen. Uporablja se za omejeno aplikacijo nadzora, kadar sta ti dve kontrolni stanji dovolj za cilj nadzora. Vendar nihajoča narava tega nadzora omejuje njegovo uporabo in ga zato nadomeščajo PID krmilniki.

PID krmilnik vzdržuje izhod tako, da med spremenljivko procesa in nastavljeno vrednostjo / želenim izhodom pri operacijah z zaprto zanko ni nič napake. PID uporablja tri osnovna vedenja nadzora, ki so razložena spodaj.

P- krmilnik

Proporcionalni ali P-regulator daje izhod, ki je sorazmeren trenutni napaki e (t). Primerja želeno ali nastavljeno vrednost z dejansko vrednostjo ali vrednostjo procesa povratne informacije. Nastala napaka se pomnoži s sorazmerno konstanto, da dobimo izhod. Če je vrednost napake enaka nič, potem je ta izhod krmilnika enak nič.

P-krmilnik

P-krmilnik

Ta krmilnik zahteva pristranskost ali ročno ponastavitev, če se uporablja sam. To je zato, ker nikoli ne doseže stanja dinamičnega ravnovesja. Zagotavlja stabilno delovanje, vendar vedno ohranja napako v stanju dinamičnega ravnovesja. Hitrost odziva se poveča, ko se poveča proporcionalna konstanta Kc.

Odziv P-krmilnika

Odziv P-krmilnika

I-Controller

Zaradi omejitve p-regulatorja, kjer vedno obstaja odmik med spremenljivko procesa in nastavljeno vrednostjo, je potreben I-regulator, ki zagotavlja potrebne ukrepe za odpravo napake v stanju dinamičnega ravnovesja. Napako integrira v določenem časovnem obdobju, dokler vrednost napake ne doseže nič. Zadrži vrednost končne krmilne naprave, pri kateri napaka postane nič.

PI krmilnik

PI krmilnik

Integrirani nadzor zmanjša svojo moč, ko pride do negativne napake. Omejuje hitrost odziva in vpliva na stabilnost sistema. Hitrost odziva se poveča z zmanjšanjem integralnega ojačanja, Ki.

Odziv krmilnika PI

Odziv krmilnika PI

Na zgornji sliki, ko se ojačanje krmilnika I zmanjša, se tudi napaka v stanju dinamičnega ravnovesja zmanjšuje. V večini primerov se krmilnik PI uporablja zlasti tam, kjer odziv visoke hitrosti ni potreben.

Med uporabo PI krmilnika je izhod I-krmilnika omejen na nekoliko doseg za premagovanje integralni navitje pogoji, ko se integralna proizvodnja zaradi nelinearnosti v obratu še naprej povečuje tudi pri ničelnem stanju napake.

D-krmilnik

I-krmilnik ne more predvideti prihodnjega obnašanja napak. Po spremembi nastavljene vrednosti reagira normalno. D-regulator to težavo odpravi s predvidevanjem prihodnjega vedenja napake. Njegov izhod je odvisen od hitrosti spremembe napake glede na čas, pomnožene z izpeljano konstanto. Omogoča začetek izhoda in s tem povečuje odziv sistema.

PID krmilnik

PID krmilnik

Na zgornjem slikovnem odzivu D je krmilnik večji v primerjavi s krmilnikom PI, prav tako pa se zmanjša tudi čas poravnave izhoda. Izboljša stabilnost sistema s kompenzacijo faznega zamika, ki ga povzroča I-regulator. Povečanje izpeljave dobička poveča hitrost odziva.

Odziv krmilnika PID

Odziv krmilnika PID

Na koncu smo opazili, da lahko s kombinacijo teh treh krmilnikov dobimo želeni odziv sistema. Različni proizvajalci oblikujejo različne algoritme PID.

Vrste PID krmilnika

PID krmilniki so razvrščeni v tri vrste, kot so ON / OFF, proporcionalni in standardni regulatorji. Ti krmilniki se uporabljajo na podlagi krmilnega sistema, uporabnik pa lahko krmilnik uporabi za regulacijo metode.

ON / OFF nadzor

Način nadzora vklopa in izklopa je najpreprostejša vrsta naprave, ki se uporablja za nadzor temperature. Izhod naprave je lahko vklopljen / izklopljen brez osrednjega stanja. Ta regulator vklopi izhod preprosto, ko temperatura preseže fiksno točko. Omejevalni krmilnik je ena posebna vrsta ON / OFF regulatorja, ki uporablja zapah. Ta rele se ponastavi ročno in se uporablja za izklop metode, ko je dosežena določena temperatura.

Sorazmerni nadzor

Ta vrsta krmilnika je namenjena odstranjevanju kolesarjenja, ki je povezano s krmiljenjem ON / OFF. Ta PID regulator bo zmanjšal normalno moč, ki se dovaja do grelnika, ko temperatura doseže fiksno točko.

Ta krmilnik ima eno funkcijo za nadzor grelnika, da ne bo presegel fiksne točke, vendar bo dosegel fiksno točko, da bo ohranil enakomerno temperaturo.
To razmerje sorazmerja je mogoče doseči z vklopom in izklopom izhoda za majhna časovna obdobja. To časovno sorazmerje bo spremenilo razmerje med časom vklopa in časom izklopa za nadzor temperature.

Standardni tip PID krmilnik

Ta vrsta PID krmilnika bo združila sorazmerni nadzor z integriranim in izvedenim nadzorom, da bo enoti samodejno pomagal pri kompenzaciji sprememb v sistemu. Te spremembe, integral in izpeljanke so izražene v časovnih enotah.

Na te krmilnike se sklicuje tudi njihova vzajemnost, RATE & RESET. Pogoje PID je treba prilagoditi ločeno, sicer prilagoditi določenemu sistemu s preskusom in napako. Ti krmilniki bodo ponujali najbolj natančen in enakomeren nadzor nad 3 vrstami krmilnikov.

PID krmilniki v realnem času

Trenutno so na trgu na voljo različne vrste PID krmilnikov. Ti krmilniki se uporabljajo za industrijske regulacijske zahteve, kot so tlak, temperatura, nivo in pretok. Ko so ti parametri nadzorovani s PID, izbira vključuje uporabo ločenega PID krmilnika ali PLC.
Ti ločeni krmilniki se uporabljajo povsod, kjer je treba v nasprotnem primeru preveriti dve zanki in jih tudi drugače nadzorovati v pogojih, kjer je zapleten do pravice vstopa skozi večje sisteme.

Te krmilne naprave ponujajo različne izbire za samostojno in dvojno krmiljenje. Samostojni krmilniki PID nudijo več konfiguracij s fiksno točko za izdelavo več avtonomnih alarmov.
Ti samostojni krmilniki so v glavnem sestavljeni iz PID regulatorjev podjetja Honeywell, temperaturnih regulatorjev Yokogawa, regulatorjev samodejnega uravnavanja iz regulatorjev OMEGA, Siemens in ABB.

PLC-ji se uporabljajo kot PID-krmilniki v večini aplikacij za industrijsko krmiljenje. PID-bloke lahko postavite znotraj PAC-jev ali PLC-jev, da dobite odlične možnosti za natančen nadzor PLC-ja. Ti krmilniki so pametnejši in zmogljivejši v primerjavi z ločenimi krmilniki. Vsak PLC vključuje blok PID znotraj programskega programiranja.

Načini uglaševanja

Preden začne delovati PID-regulator, ga je treba prilagoditi dinamiki procesa, ki ga je treba nadzorovati. Oblikovalci podajo privzete vrednosti za izraze P, I in D, te vrednosti pa ne morejo dati želene zmogljivosti, včasih pa vodijo do nestabilnosti in počasnega upravljanja. Različne vrste nastavitvenih metod so razvite za nastavitev PID krmilnikov in zahtevajo veliko pozornosti operaterja, da izbere najboljše vrednosti sorazmernih, integralnih in izvedenih dobičkov. Nekatere od teh so podane spodaj.

PID krmilniki se uporabljajo v večini industrijskih aplikacij, vendar je treba vedeti nastavitve tega krmilnika, da ga pravilno prilagodite, da ustvari želeni izhod. Tu nastavitev ni nič drugega kot postopek prejemanja idealnega odgovora krmilnika z nastavitvijo najboljših sorazmernih dobičkov, integralnih in izvedenih faktorjev.

Želeni izhod PID regulatorja lahko dobite z uglasitvijo regulatorja. Na voljo so različne tehnike za pridobitev zahtevanega izhoda iz krmilnika, kot so poskusi in napake, Zeigler-Nicholsova in krivulja reakcije procesa. Najpogosteje uporabljene metode so poskusi in napake, Zeigler-Nichols itd.

Način preizkusa in napake: To je preprost način nastavitve PID regulatorja. Medtem ko sistem ali krmilnik deluje, ga lahko nastavimo. Pri tej metodi moramo najprej nastaviti vrednosti Ki in Kd na nič in povečati sorazmerni izraz (Kp), dokler sistem ne doseže nihajočega vedenja. Ko niha, nastavite Ki (integralni izraz) tako, da se nihanja ustavijo in na koncu prilagodite D, da dobite hiter odziv.

Tehnika reakcijske krivulje procesa: To je tehnika uglaševanja z odprto zanko. Ustvari odziv, ko se v sistem vnese korak vnosa. Sprva moramo na sistem ročno uporabiti nekaj kontrolnih izhodov in zabeležiti krivuljo odziva.

Po tem moramo izračunati naklon, mrtvi čas, čas vzpona krivulje in na koncu nadomestiti te vrednosti v enačbah P, I in D, da dobimo vrednosti dobička PID-izrazov.

Krivulja reakcijskega procesa

Krivulja reakcijskega procesa

Zeigler-Nicholsova metoda: Zeigler-Nichols je predlagal metode z zaprto zanko za nastavitev PID krmilnika. To sta metoda neprekinjenega kolesarjenja in metoda dušenega nihanja. Postopki za obe metodi so enaki, nihanje pa je različno. Pri tem moramo najprej nastaviti konstanto p-regulatorja, Kp, na določeno vrednost, medtem ko sta vrednosti Ki in Kd enaki nič. Sorazmerni dobiček se povečuje, dokler sistem niha s konstantno amplitudo.

Dobiček, pri katerem sistem proizvaja konstantna nihanja, se imenuje končni dobiček (Ku), obdobje nihanj pa končno obdobje (Pc). Ko je dosežen, lahko v tabelo Zeigler-Nichols vnesemo vrednosti P, I in D v PID krmilnik, odvisno od uporabljenega krmilnika, kot so P, PI ali PID, kot je prikazano spodaj.

Zeigler-Nicholsova miza

Zeigler-Nicholsova miza

Struktura PID krmilnika

PID krmilnik je sestavljen iz treh izrazov, in sicer sorazmernega, integralnega in izvedenega nadzora. Skupno delovanje teh treh krmilnikov daje nadzorno strategijo za nadzor procesa. PID krmilnik manipulira s spremenljivkami procesa, kot so tlak, hitrost, temperatura, pretok itd. Nekatere aplikacije uporabljajo PID krmilnike v kaskadnih omrežjih, kjer se za doseganje nadzora uporabljajo dva ali več PID.

Zgradba PID krmilnika

Zgradba PID krmilnika

Zgornja slika prikazuje strukturo PID regulatorja. Sestavljen je iz bloka PID, ki daje svoj izhod procesnemu bloku. Proces / obrat je sestavljen iz končnih krmilnih naprav, kot so aktuatorji, regulacijski ventili in druge krmilne naprave za nadzor različnih procesov v industriji / obratu.

Povratni signal iz procesne naprave se primerja z nastavljeno točko ali referenčnim signalom u (t) in ustrezen signal napake e (t) se napaja v algoritem PID. Glede na sorazmerne, integralne in izvedene krmilne izračune v algoritmu krmilnik proizvaja kombinirani odziv ali nadzorovani izhod, ki se uporablja za krmilne naprave naprave.

Vse krmilne aplikacije ne potrebujejo vseh treh nadzornih elementov. Kombinacije, kot so kontrole PI in PD, se zelo pogosto uporabljajo v praktičnih aplikacijah.

Aplikacije

Aplikacije PID krmilnika vključujejo naslednje.

Najboljša aplikacija PID regulatorja je nadzor temperature, kjer regulator uporablja vhod temperaturnega senzorja, njegov izhod pa je mogoče povezati s krmilnim elementom, kot sta ventilator ali grelec. Na splošno je ta regulator le en element v sistemu za nadzor temperature. Celoten sistem je treba preučiti in upoštevati pri izbiri pravega krmilnika.

Nadzor temperature peči

Običajno se v peče vključuje ogrevanje in zadržuje ogromno surovine pri visokih temperaturah. Običajno ima zaseden material veliko maso. Posledično je potrebna velika količina vztrajnosti in temperatura materiala se ne spreminja hitro, tudi če je uporabljena velika toplota. Ta lastnost povzroči zmerno stabilen PV signal in dovoli, da se obdobje izpeljave učinkovito popravi zaradi napake brez ekstremnih sprememb bodisi FCE bodisi CO.

MPPT krmilnik polnjenja

V-I značilnost fotonapetostne celice je odvisna predvsem od temperaturnega območja in obsevanosti. Glede na vremenske razmere se bosta trenutna in delovna napetost nenehno spreminjali. Tako je izjemno pomembno slediti najvišjemu PowerPointu učinkovitega fotovoltaičnega sistema. PID krmilnik se uporablja za iskanje MPPT tako, da daje PID krmilniku fiksne napetostne in tokovne točke. Ko se vremenske razmere spremenijo, sledilnik ohranja tok in napetost stabilni.

Pretvornik močnostne elektronike

Vemo, da je pretvornik aplikacija močnostne elektronike, zato se v pretvornikih večinoma uporablja PID krmilnik. Kadarkoli se pretvornik poveže s sistemom, ki temelji na spremembi v obremenitvi, se spremeni izhod pretvornika. Na primer, pretvornik je povezan z obremenitvijo, ki jo dobi velik tok, ko se obremenitve povečajo. Tako parameter napetosti kot tudi tok ni stabilen, vendar se bo spreminjal glede na zahteve.

V tem stanju bo ta krmilnik generiral PWM signale za aktiviranje IGBT pretvornika. Glede na spremembo znotraj obremenitve se odzivni signal posreduje regulatorju PID, tako da bo povzročil n napake. Ti signali se generirajo na podlagi signala napake. V tem stanju lahko s podobnim pretvornikom dobimo spremenljiv vhod in izhod.

Uporaba PID krmilnika: Zaprta zanka za brezkrtačni enosmerni motor

Vmesnik krmilnika PID

Oblikovanje in povezovanje PID krmilnika je mogoče izvesti z uporabo mikrokrmilnika Arduino. V laboratoriju je PID krmilnik, ki temelji na Arduinu, zasnovan z uporabo plošče Arduino UNO, elektronskimi komponentami, termoelektričnim hladilnikom, programski jeziki, ki se uporabljajo v tem sistemu, pa sta C ali C ++. Ta sistem se uporablja za nadzor temperature v laboratoriju.

Parametre PID za določen krmilnik najdemo fizično. Funkcijo različnih parametrov PID lahko izvedemo s poznejšim kontrastom med različnimi oblikami krmilnikov.
Ta sistem povezovanja lahko učinkovito izračuna temperaturo z napako ± 0,6 ℃, medtem ko se doseže konstantna temperatura z zgolj majhno razliko od želene vrednosti. Koncepti, uporabljeni v tem sistemu, bodo zagotovili poceni in natančne tehnike za upravljanje fizikalnih parametrov v želenem območju znotraj laboratorija.

Tako ta članek obravnava pregled PID krmilnika, ki vključuje zgodovino, blokovni diagram, strukturo, vrste, delovanje, načine uglaševanja, povezovanje, prednosti in aplikacije. Upamo, da smo lahko zagotovili osnovno, a natančno znanje o PID regulatorjih. Tu je preprosto vprašanje za vse vas. Katera metoda se med različnimi načini uglaševanja po možnosti uporablja za doseganje optimalnega delovanja PID regulatorja in zakaj?

Prosimo vas, da svoje odgovore odgovorite v spodnjem oddelku za komentarje.

Foto krediti

Blokovni diagram PID krmilnika wikimedia
Struktura PID regulatorja, P-regulator, P - odziv regulatorja in PID-regulator blog.opticontrols
P - odziv krmilnika s strani control.engin.umich
Odziv PI-krmilnika s strani m. jesti
Odziv PID krmilnika wikimedia
Zeigler-Nicholsova tabela avtorja control.engin