Разбиране на PID контролера

Разбиране на PID контролера

Първата успешна оценка на теорията за PID управление е практически проверена в областта на автоматичните системи за управление на кораби, още около 1920 г. След това тя е приложена в различни индустриални автоматични контролни процеси, изискващи оптимизирани и точни производствени спецификации. За производствените единици PID е широко прилаган за постигане на прецизен пневматичен контрол и в крайна сметка теорията PID е приложена в електронните контролери в съвремието.



Какво е PID контролер

Терминът PID е съкращението за пропорционален интегрален деривативен контролер, който е механизъм за обратна връзка, предназначен за точен контрол на различни машини за индустриален контрол и много други подобни приложения, които изискват критични и автоматизирани модулационни контроли.

За да се приложи това, PID контролер непрекъснато наблюдава работата на системата и изчислява елемента на индуцирана грешка. След това оценява тази моментна стойност на грешка под формата на разлика между необходимата зададена точка (SP) и измерената променлива на процеса (PV).





Във връзка с горното се извършва незабавна и автоматична корекция на обратната връзка по отношение на пропорционални (P), интегрални (I) и производни (D) изрази, а оттам и името PID контролер.

С прости думи PID контролерът непрекъснато наблюдава работата на дадена машинна система и поддържа коригиране на нейната изходна реакция в зависимост от вариациите, причинени от външни влияния, чрез определен алгоритъм. По този начин той гарантира, че машината винаги работи в предвидените идеални условия.



Разбиране на блоковата диаграма на PID

PID контролерът се счита за универсална система за управление поради способността му да открива и управлява 3 контролни параметъра: пропорционален, интегрален и производен и да прилага предвидения оптимален контрол върху изхода с изключителна точност, по отношение на тези 3 параметъра.

Изображението по-долу показва блок-схемата на PID. Можем бързо да разберем основния принцип на работа на PID, като се позовем на тази блокова схема.

Блокова схема на PID контролера

изображение с любезност: en.wikipedia.org/wiki/File:PID_en.svg

Тук можем да видим набор от променливи като e (t), съответстващ на стойността на грешката, r (t), съответстващ на целевата зададена точка, и y (t) като измерена променлива на процеса. PID контролерът по време на своята работа следи стойността на грешката e (t), като оценява разликата между предвидената зададена стойност r (t) или SP и измерената стойност на процеса y (t) или PV, и следователно изпълнява корекция или оптимизация на обратната връзка, използвайки параметрите а именно: пропорционални, интегрални и производни.

Контролерът продължава да полага усилия да намали ефекта на грешката през цялото време, чрез регулиране на управляващата променлива u (t) на свежи стойности въз основа на анализираната претеглена сума от контролните термини (p, I, d).

Например, при работата на клапанен контрол, неговото отваряне и затваряне може непрекъснато да се променя от PID чрез сложни оценки, както е обяснено по-горе.

В показаната система различните термини могат да бъдат разбрани, както е обяснено по-долу:

P- контролер:

Терминът P е пропорционален на моментните стойности на грешки e (t), получени чрез оценка на резултата за SP - PV. В ситуация, когато стойността на грешката има тенденция да се увеличава, управляващият изход също става пропорционално по-голям по отношение на коефициента на усилване „K“. Въпреки това, в процес, изискващ компенсация, като например контрол на температурата, пропорционалното управление самостоятелно може да доведе до неточности в зададената точка и действителната стойност на процеса, тъй като не може да работи задоволително без обратна връзка за грешка, за да генерира пропорционален отговор. Подсказва, че без обратна връзка за грешка, правилната корективна реакция може да не е възможна.

I- контролер:

Терминът I става отговорен за предварително оценените стойности на SP - PV грешки и ги интегрира по време на своя оперативен период, за да създаде термина I. Например, докато пропорционалният контрол се прилага, ако SP - PV произвежда някаква грешка, параметърът I се активира и се опитва да прекрати тази остатъчна грешка. Това всъщност се случва с контролен отговор, задействан поради кумулативна стойност на грешката, записана по-рано. Веднага щом това се случи, терминът I спира да се увеличава допълнително. Това кара пропорционалният ефект да се сведе до минимум, тъй като факторът на грешката намалява, въпреки че това също се компенсира с развитието на интегралния ефект.

D- контролер:

Терминът D е най-подходящото приближение, изведено за развиващите се тенденции за грешката SP - PV, в зависимост от моментната скорост на промяна на фактора на грешката. Ако този темп на промяна се засили бързо, контролът за обратна връзка се прилага по-агресивно и обратно.

Какво е PID настройка

Обсъдените по-горе параметри може да изискват правилно балансиране за осигуряване на оптимална функция за управление и това се постига чрез процес, наречен „настройка на контура“. Включените константи за настройка се означават като „K“, както е показано в следващите дедукции. Всяка от тези константи трябва да бъде изведена индивидуално за избрано приложение, тъй като константите строго зависят и варират според характеристиките и влиянията на специфичните външни параметри, включени в цикъла. Те могат да включват реакцията на сензорите, използвани за измерване на даден параметър, крайния дроселиращ елемент като контролен клапан, евентуално изтичане на времето в контурния сигнал и самия процес и т.н.

Може да е приемливо да се използват приблизителни стойности за константите в началото на изпълнението въз основа на вида на приложението, но в крайна сметка това може да изисква сериозна фина настройка и настройка чрез практически експерименти, като се налагат промени в зададените точки и впоследствие се наблюдава реакцията на контрол на системата.

Независимо дали става дума за математически модел или в практически цикъл, и двете могат да се видят, използвайки „директно“ действие за управление за посочените термини. Това означава, че когато се открие увеличаване на положителна грешка, се инициира съответно повишен положителен контрол, за да се контролира ситуацията за обобщените термини.

Това обаче може да се наложи да бъде обърнато в приложения, където изходният параметър може да има противоположно конфигурирана характеристика, изискваща обратна корективна мярка. Нека разгледаме примера на контур на потока, при който процесът на отваряне на клапана е определен, за да работи с използване на 100% и 0% изход, но трябва да се контролира със съответните 0% и 100% изход, в този случай обратното коригиращо управление става от съществено значение. За да бъдете по-точни, помислете за система за водно охлаждане, имаща защитна функция, при която нейният клапан трябва да е 100% отворен по време на загуба на сигнал. В този случай изходът на контролера трябва да може да се промени на 0% управление при липса на сигнал, така че клапанът да може да се отвори при пълни 100%, това се нарича управление с обратно действие.

Математически модел на управляващата функция

математически за PID контролер

В този математически модел всички неотрицателни константи Kp, Ki и Kd означават коефициенти съответно за пропорционалния, интегралния и производния член (в някои случаи те също се означават P, I и D).

Персонализиране на условията за PID контрол

От горните дискусии разбрахме, че основно PID системата за управление работи с три контролни параметъра, но някои по-малки приложения може да предпочетат да използват няколко от тези термини или дори един термин от трите термина.

Персонализацията се извършва чрез превръщане на неизползвания термин в нулева настройка и включване на двойката термини PI, PD или единични термини като P или I. Сред тях конфигурацията на PI контролера е по-често срещана, тъй като терминът D обикновено е склонен към шум влияния и следователно елиминирани в повечето случаи, освен ако не са строго задължителни. Обикновено се включва термин I, тъй като осигурява системата да постигне предвидената оптимална целева стойност на изхода.




Предишен: Как да проектираме Flyback Converter - изчерпателен урок Напред: 5 KVA до 10 KVA автоматичен стабилизатор на напрежение - 220 волта, 120 волта