Förstå PID Controller

Den första framgångsrika bedömningen av PID-styrteorin verifierades praktiskt taget inom området automatiska styrsystem för fartyg, ända tillbaka till år 1920. Därefter tillämpades den i olika industriella automatiska processkontroller som krävde optimerade och exakta tillverkningsspecifikationer. För tillverkningsenheter implementerades PID populärt för att uppnå exakt pneumatisk kontroll, och i slutändan tillämpades PID-teorin i elektroniska styrenheter i modern tid.

Vad är PID Controller

Termen PID är förkortningen för proportionell integrerad derivatstyrenhet, som är en återkopplingsslingmekanism, utformad för att noggrant styra olika industriella styrmaskiner, och många andra liknande applikationer som kräver kritiska och automatiserade moduleringskontroller.

För att implementera detta övervakar en PID-styrning kontinuerligt systemets funktion och beräknar det inducerade felelementet. Därefter utvärderar detta momentana felvärde i form av skillnad mellan önskat börvärde (SP) och den uppmätta processvariabeln (PV).

Med hänvisning till ovan utförs en omedelbar och automatisk återkopplingskorrigering i termer av proportionella (P), integrala (I) och derivata (D) -uttryck, och därav namnet PID-styrenhet.

Med enkla ord övervakar en PID-styrare kontinuerligt arbetet i ett visst maskinsystem och håller på att korrigera sitt utgångssvar beroende på variationer orsakade av yttre påverkan, genom en specificerad algoritm. Således säkerställer den att maskinen alltid arbetar inom de angivna idealförhållandena.

Förstå PID-blockdiagram

En PID-kontroller anses vara ett mångsidigt styrsystem på grund av dess förmåga att detektera och hantera tre kontrollparametrar: proportionell, integrerad och derivat, och tillämpa den avsedda optimala kontrollen på utgången med extrem noggrannhet, med hänvisning till dessa 3 parametrar.

Bilden nedan visar blockdiagrammet för PID. Vi kan snabbt förstå den grundläggande principen för att arbeta med en PID genom att hänvisa till detta blockschema.

bild med tillstånd: en.wikipedia.org/wiki/File:PID_en.svg

Här kan vi se en uppsättning variabler som e (t) som motsvarar felvärdet, r (t) som motsvarar det riktade börvärdet och y (t) som den uppmätta processvariabeln. PID-styrenheten övervakar under hela sin drift felvärdet e (t) genom att bedöma skillnaden mellan det avsedda börvärdet r (t) eller SP och det uppmätta processvärdet y (t) eller PV, och utför följaktligen en återkopplingskorrigering eller optimering med hjälp av parametrarna nämligen: proportionell, integrerad och derivat.

Styrenheten fortsätter att anstränga sig för att minska feleffekten genom att justera styrvariabeln u (t) till nya värden baserat på den analyserade viktade summan av styrtermerna (p, I, d).

Till exempel vid drift av en ventilstyrning kan dess öppning och stängning varieras kontinuerligt av en PID genom komplexa bedömningar, såsom förklarats ovan.

I det visade systemet kan de olika termerna förstås såsom förklaras nedan:

P- styrenhet:

Termen P är proportionell mot de momentana felvärdena e (t) som erhållits genom att utvärdera resultatet för SP - PV. I situationer då felvärdet tenderar att bli stort blir styrutgången också proportionellt större med hänvisning till förstärkningsfaktorn 'K'. I en process som kräver kompensation, t.ex. vid temperaturkontroll, kan proportionell kontroll ensamt leda till felaktigheter över börvärdet och det faktiska processvärdet, eftersom det inte kan fungera tillfredsställande utan en felåterkoppling för att generera det proportionella svaret. Antyder att utan felåterkoppling kanske korrekt korrigerande svar inte är möjligt.

I- Controller:

Termen I blir ansvarig för de tidigare utvärderade värdena för SP - PV-fel och integrerar dem under sin operativa period för att skapa termen I. Till exempel medan den proportionella kontrollen tillämpas om SP-PV producerar något fel, är parametern I blir aktiv och försöker avsluta detta kvarvarande fel. Detta händer faktiskt med ett kontrollsvar utlöst på grund av det kumulativa värdet av felet som registrerats vid en tidigare tidpunkt. Så snart detta händer slutar jag-termen att förbättras ytterligare. Detta gör att den proportionella effekten på motsvarande sätt minimeras när felfaktorn minskar, även om detta också kompenseras när den integrerade effekten utvecklas.

D-styrenhet:

Termen D är en lämpligaste uppskattning som dras för de utvecklande trenderna för SP - PV-felet, beroende på den momentana förändringshastigheten för felfaktorn. Om denna förändringshastighet förbättras snabbt implementeras feedbackkontrollen mer aggressivt och vice versa.

Vad är PID Tuning

Ovan diskuterade parametrar kan kräva korrekt balansering för att säkerställa optimal kontrollfunktion, och detta uppnås genom en process som kallas 'loop-tuning'. De involverade avstämningskonstanterna betecknas som “K” som visas i följande avdrag. Var och en av dessa konstanter måste härledas individuellt för en vald applikation, eftersom konstanterna strikt beror på och varierar beroende på egenskaperna och påverkningarna av de specifika externa parametrarna som är involverade i slingan. Dessa kan inkludera svaret från de sensorer som används för att mäta en given parameter, det slutliga strypningselementet såsom en styrventil, en möjlig tid som går i slingans signal och själva processen etc.

Det kan vara acceptabelt att använda ungefärliga värden för konstanterna i början av implementeringen baserat på typ av applikation, men detta kan i slutändan kräva en del allvarlig finjustering och justering genom praktiskt experiment genom att tvinga ändringar i börvärden och därefter observera svaret från systemkontroll.

Oavsett om en matematisk modell eller i praktisk slinga kan båda ses med en 'direkt' kontrollåtgärd för de angivna termerna. Betydelse när en ökning av ett positivt fel detekteras, initieras en motsvarande ökad positiv kontroll för att kontrollera situationen för de sammanlagda termerna.

Detta kan emellertid krävas för att vändas i applikationer där utmatningsparametern kan ha en motsatt konfigurerad egenskap som kräver en omvänd korrigerande åtgärd. Låt oss överväga exemplet på en flödesslinga där ventilöppningsprocessen är specificerad för att fungera med 100% och 0% uteffekt, men måste styras med motsvarande 0% och 100% utgång, i detta fall blir en omvänd korrigerande styrning nödvändig. För att vara mer exakt, överväga ett vattenkylsystem med en skyddsfunktion där ventilen måste vara 100% öppen under en signalförlust. I detta fall måste styrenhetens utgång kunna ändra till 0% -kontroll i frånvaro av en signal, så att ventilen kan öppnas med hela 100%, detta kallas 'omvändverkande' styrning.

Matematisk modell för kontrollfunktionen

I denna matematiska modell betyder alla icke-negativa konstanter Kp, Ki och Kd koefficienter för de proportionella, integrala respektive derivata termerna (vid vissa tillfällen betecknas dessa också P, I och D).

Anpassa PID-kontrollvillkor

Från ovanstående diskussioner förstod vi att i grunden PID-styrsystem fungerar med tre kontrollparametrar, men vissa mindre applikationer kan föredra att använda ett par av dessa termer eller till och med en enda term av de tre termerna.

Anpassningen görs genom att återställa den oanvända termen till en nollinställning och införliva de två termerna PI, PD eller enstaka termer, såsom P eller I. Bland dessa är PI-kontrollerkonfiguration vanligare eftersom termen D vanligtvis är benägen för brus påverkar och elimineras därför i de flesta fall, såvida det inte är strikt obligatoriskt. Term I ingår normalt eftersom det säkerställer att systemet uppnår det avsedda optimala målvärdet vid utgången.