Odată cu dezvoltarea rapidă a electronicelor, computerelor, comunicațiilor, diagnosticului de erori, verificării redundanței și tehnologiei de afișare grafică, nivelul automatizării industriale crește și el. Cu toate acestea, în procesul de producție, calitatea produsului prin interferența mai multor factori și face ca avantajele nivelului de automatizare să fie inferioare. Teoria controlului PID a apărut de atunci.
Sistemele de control automat pot fi împărțite în sisteme de control cu buclă deschisă și sisteme de control cu buclă închisă. Un sistem de control include controlere, senzori, emițători, actuatoare, interfețe de intrare și ieșire folosind controlul PID pentru a atinge presiunea, temperatura, fluxul, controlerele de nivel, controlerele programabile care pot realiza funcția de control PID (PLC), precum și sisteme de PC care poate fi realizat controlul PID și așa mai departe.
Control PID
În practica de inginerie, cea mai utilizată lege de control a regulatorului pentru controlul proporțional, integral, diferențial, denumit control PID, cunoscut și sub denumirea de reglementare PID. A devenit una dintre principalele tehnologii de control industrial pentru structura sa simplă, stabilitate bună, funcționare fiabilă și ajustare ușoară.
Atunci când structura și parametrii obiectului controlat nu pot fi stăpâniți complet sau nu au acces la modele matematice precise, teoria controlului altor tehnologii este dificil de utilizat, structura și parametrii controlorului de sistem trebuie să se bazeze pe experiență și depanare pe teren Pentru a determina, atunci când aplicarea tehnologiei PID Control este cea mai convenabilă.
Controlul PID, controlul PI și PD În practică, controlerul PID se bazează pe eroarea sistemului, pe utilizarea calculului proporțional, integral, diferențial al volumului de control pentru control. Cel mai ideal control atunci când legea proporțională-integrală-derivată derivată, care combină punctele forte ale celor trei: atât rolul proporțional în timp util și rapid, dar și rolul integrării eliminării diferenței reziduale în capacitatea de a diferenția Rolul funcției de control de înlocuire.
Legăturile controlului PID
1, control proporțional (P)
Controlul proporțional este una dintre cele mai simple metode de control. Ieșirea controlerului său este proporțională cu semnalul de eroare de intrare. Există o eroare în stare constantă în ieșirea sistemului atunci când este disponibil doar un control proporțional. Semnalul de ieșire al controlerului este proporțional cu semnalul de abatere, adică, atâta timp cât există o abatere, ieșirea controlerului se va schimba imediat proporțional cu abaterea, astfel încât viteza de răspuns a reglării P este foarte rapidă .
Reglarea P poate reflecta modificările sistemului în timp, dar nu poate elimina complet abaterea sistemului, prin urmare, dacă se folosește doar reglarea P în procesul de control real, sistemul va produce reziduuri, creșterea K P poate face sistemul Abaterea este redusă, dar, de fapt, dacă k - d este prea mare va duce la instabilitatea sistemului.
2, Control integral (i)
În controlul integral, ieșirea controlerului este proporțională cu integrala semnalului de eroare de intrare. Pentru un sistem de control automat, dacă există o eroare în stare de echilibru după intrarea în starea de echilibru, se spune că sistemul de control are o eroare în stare de echilibru sau pur și simplu un sistem diferențial.
Pentru a elimina eroarea în stare de echilibru, un „termen integral” trebuie introdus în controler. Termenul integral integrează eroarea în funcție de timp și crește pe măsură ce timpul crește. Astfel, chiar dacă eroarea este mică, termenul integral crește odată cu timpul și determină ieșirea controlerului să crească, astfel încât eroarea în stare de echilibru să fie redusă în continuare până când este aproape de zero.
Prin urmare, controlerul proporțional + integral (PI) permite sistemului să intre în stare de echilibru, fără o eroare de stare de echilibru. Mărimea timpului integral determină puterea efectului integral, cu atât timpul integral este mai mare, cu atât este mai slab efectul integral, ceea ce duce la o creștere a cantității de depășire a sistemului; Cu cât efectul integral este mai puternic, dimpotrivă, este predispus să provoace oscilația sistemului.
3, Control diferențial (d)
În controlul diferențial, ieșirea controlerului și diferența de semnal de eroare de intrare (adică rata de schimbare a erorii) sunt proporționale cu relația. Sistemul de control automat pentru a depăși eroarea în procesul de reglare poate fi oscilant sau chiar destabilizare. Motivul pentru aceasta se datorează prezenței unei componente de inerție mari (Link) sau unei componente de histereză, care are ca efect suprimarea erorii și ale căror modificări rămân întotdeauna în urma modificărilor erorii.
Soluția este de a face modificarea suprimării erorii „înainte”, adică atunci când eroarea este aproape de zero, suprimarea erorii ar trebui să fie zero. Adică, în controlor, doar introducerea termenului „proporțional” nu este adesea suficient, rolul termenului proporțional este doar pentru a amplifica amploarea erorii și nevoia de a crește „termenul diferențial”, care poate Prezice tendința modificărilor de eroare, astfel încât controlerul cu un diferențial proporțional +, va putea face controlul suprimării erorilor înainte de timp. În acest fel, controlorul cu diferențial proporțional +, poate fi făcut în avans pentru a inhiba controlul erorii este egal cu zero, sau chiar negativ, evitând astfel depășirea gravă a cantității controlate.
Prin urmare, pentru obiectul controlat cu inerție mare sau histereză, controlerul proporțional+diferențial (PD) poate îmbunătăți caracteristicile dinamice ale sistemului în procesul de reglare. Oscilația ieșirii obiectului controlat și pentru a scurta timpul de răspuns al sistemului, ceea ce îmbunătățește caracteristicile dinamice ale sistemului. Cu toate acestea, un TD prea mare va reduce capacitatea de a suprima semnalele de interferență.
4, Controlul PID
Cel mai ideal control atunci când legea de control proporțională-integrală-diferențială, care stabilește lungimea celor trei: atât rolul proporțional Rolul funcției de control înainte de timp.
Când apar economii de abatere, diferențialul poate acționa imediat și foarte mult, inhibă abaterea acestui salt: proporțional în același timp joacă un rol în eliminarea abaterilor, astfel încât amplitudinea de deviere este redusă, deoarece rolul proporțional este persistent și joacă un major Rolul în legea controlului, astfel încât sistemul să fie mai stabil: și rolul integral al diferenței reziduale depășește lent. Atâta timp cât sunt selectate în mod corespunzător cele trei roluri ale parametrilor de control, puteți oferi joc complet avantajele celor trei legi de control, pentru a obține un efect de control mai ideal.
Prin urmare, atâta timp cât cele trei roluri pot fi potrivite în mod rezonabil, puteți obține o performanță de reglare rapidă și exactă și lină, pentru a obține rezultate excelente de control, care este farmecul reglării PID.
5, parametrizare
Parametrizarea controlerului PID este nucleul proiectării sistemului de control. Se bazează pe caracteristicile procesului care trebuie controlate pentru a determina factorul de scară al controlerului PID, timpul integral și dimensiunea timpului diferențial.
Metode de setare a parametrilor controlerului PID, rezumate în două categorii: una este calculul teoretic al metodei de setare. Se bazează în principal pe modelul matematic al sistemului, după calcule teoretice pentru a determina parametrii controlerului. Datele calculate obținute prin această metodă nu pot fi utilizate direct, ci și prin ajustările și modificările reale ale ingineriei. A doua este metoda de calibrare a ingineriei, care se bazează în principal pe experiența inginerească, direct în testul sistemului de control, iar metoda este simplă, ușor de înțeles, în practica de inginerie este utilizată pe scară largă.
Parametri de control PID ai metodei de reglare a ingineriei, în principal metoda raportului critic, metoda curbei de răspuns și metoda de atenuare. Cele două metode au propriile caracteristici, punctul comun este prin test, iar apoi în conformitate cu experiența de inginerie a formulei pentru ca parametrii controlerului să fie ajustați. Dar indiferent de metoda este utilizată pentru a obține parametrii controlerului, trebuie să fie în funcționarea efectivă a ajustării și îmbunătățirii finale. Metoda raportului critic este utilizată în general. Utilizarea acestei metode pentru pașii de reglare a parametrilor PID Controller sunt următoarele:
(1) mai întâi pre-selectați o perioadă de eșantionare suficient de scurtă pentru ca sistemul să funcționeze;
(2) Adăugați doar legătura de control proporțională până când apare o oscilație critică în răspunsul la pas al sistemului la intrare și notați factorul de amplificare proporțional și perioada de oscilație critică în acest moment;
(3) sub un anumit grad de control prin formulă pentru a obține parametrii controlerului PID.
În punerea în funcțiune efectivă, poate fi stabilită doar aproximativ o valoare empirică mai întâi, apoi modificată în funcție de efectul de reglementare.
Pentru sistemul de temperatură: p (%) {{0}}, i (puncte) 3 - 10, d (puncte) 0. 5 - 3
Pentru sistemul de flux: p (%) {{0}}, i (min) 0. 1--1
Pentru sisteme de presiune: p (%) {{0}}, i (min) 0. 4--3
Pentru sisteme de nivel lichid: p (%) 20--80, i (min) 1-5
Nu sună puțin greu de înțeles? Să cerem lui Ming să ne explice.
Ming a primit o sarcină: există o scurgere a rezervorului de apă, iar rata de scurgere este variabilă, dar suprafața apei este necesară pentru a menține înălțimea suprafeței apei într -o anumită poziție, odată ce suprafața apei este mai mică decât poziția necesară, trebuie să adăugați apă la rezervorul de apă.
Începutul Xiaoming cu un pumn pentru a adăuga apă, robinetul din rezervor are o distanță de mai mult de zece metri, de multe ori trebuie să funcționeze de mai multe ori pentru a adăuga suficientă apă, astfel încât Xiaoming și schimbat pentru a folosi o găleată pentru a adăuga o găleată, un plus este o găleată, rulează de mai puține ori, plus viteza apei este, de asemenea, rapidă, dar de mai multe ori se va da rezervorului pentru a adăuga revărsarea umedului accidental de câteva ori, Xiaoming și Brainstorming, i I Nu folosiți un pumn și nu o găleată, bătrânul cu un bazin, de mai multe ori în jos, a constatat că este corect, nu trebuie să alerge de prea multe ori și nu va lăsa apa să se revarsă. Am descoperit că este corect, nu trebuia să alerg de prea multe ori și nu am lăsat apăsarea apei. Acest timp de verificare se numește perioada de eșantionare.
La începutul Xiaoming cu un pumn pentru a adăuga apă, robinetul din rezervorul de apă are o distanță de mai mult de zece metri, de multe ori trebuie să funcționeze de mai multe ori pentru a adăuga suficientă apă, astfel încât Xiaoming și apoi schimbată pentru a folosi o găleată pentru a adăuga o găleată , un plus este o găleată, rulată de mai puține ori, viteza apei este, de asemenea, mai rapidă, dar de mai multe ori se va da rezervorului pentru a adăuga revărsarea umedului accidental de câteva ori, Xiaoming și Brainstorming, nu folosesc un pumn și nu am nevoie de butoaie, bătrânul cu un bazin, de mai multe ori, a descoperit că este corect, nu trebuie să alerge de prea multe ori, nu va lăsa apa revărsare. Nu trebuie să alerg de prea multe ori și nu vreau ca apa să se revarsă. Mărimea acestui instrument pentru adăugarea apei se numește coeficient de proporționalitate.
Xiaoming a constatat, de asemenea, că, deși apa nu se va revărsa, uneori ar fi mai mare decât poziția necesară și încă mai exista pericolul de a -și umezi pantofii. El a venit cu o modalitate de a instala o pâlnie pe rezervorul de apă, de fiecare dată când adăugați apă nu este turnată direct în rezervor, ci turnat în pâlnie pentru a -l lăsa să se adauge încet. Această problemă de revărsare s -a rezolvat, dar viteza de a adăuga apă și lent, și uneori nu se poate prinde cu viteza scurgerii. Așa că a încercat să schimbe pâlnia de diferite dimensiuni și diametre pentru a controla viteza de adăugare a apei și a găsit în cele din urmă o pâlnie satisfăcătoare. Timpul pâlniei se numește timpul integral.
În cele din urmă, Xiaoming a respirat un suspin de ușurare, dar cerințele sarcinii au fost brusc stricte, actualitatea cerințelor de control al nivelului apei s -au îmbunătățit foarte mult, odată ce nivelul apei este prea scăzut, trebuie să adăugați imediat apa la poziția necesară și nu puteți nu poate să fie prea mult mai mare sau nu plătiți salariile. Xiaoming din nou dificil! Așa că și -a deschis creierul, l -a lăsat în sfârșit să se gândească la o cale, de multe ori a pus o oală cu apă de rezervă în lateral, odată ce nivelul apei este scăzut, nu prin pâlnie este o oală cu apă în jos, astfel încât norocarea este garantat, dar nivelul apei va fi uneori mult mai mare. El a cerut, de asemenea, locația suprafeței apei deasupra unui punct va fi decupat o gaură în apă, apoi va conecta o țeavă la partea inferioară a găleții de rezervă, astfel încât mai multă apă să se scurgă din partea de sus a găurii. Viteza cu care se scurge această apă se numește timp diferențial.
Povestea experimentului lui Ming este un pas cu pas independent, dar instrumentele reale de apă, calibrul pâlniei, dimensiunea găurii de revărsare în același timp vor afecta viteza apei, dimensiunea nivelului de apă, faceți o depășire În spatele experimentului, trebuie să modifice adesea modificarea rezultatelor experimentului anterior.
Persoane cu control PID cu un ibric până la ceașca de apă imprimată cu o scară de o jumătate de cană de apă după oprirea
Valoarea setată: scara jumătate de cană a cupei de apă;
Valoarea reală: cantitatea reală de apă în cupa de apă;
Valori de ieșire: cantitatea de apă turnată din ceainică și cantitatea de apă scoasă din cupă;
Măsurare: ochi umani (echivalent cu senzori)
Obiect de execuție: uman
Execuție pozitivă: turnare
Contraexecuție: Scooping
1p control proporțional, adică oamenii văd cantitatea de apă din ceașcă nu atinge o jumătate de cană de scară a cupei de apă, în funcție de o anumită cantitate de apă din ceainică din regele cupei de apă turnată sau cantitatea de cantitate de Apa în ceașca de apă de pe scară, cu o anumită cantitate de apă din ceașca de apă scoasă, această acțiune poate duce la mai puțin de o jumătate de cană sau mai mult de o jumătate de cană la oprire.
Notă: P Controlul proporțional este una dintre cele mai simple metode de control. Ieșirea controlerului său este proporțională cu semnalul de eroare de intrare. Există o eroare în stare de echilibru în ieșirea sistemului atunci când este disponibil doar un control proporțional.
2Pi Control integral, adică în funcție de o anumită cantitate de apă în ceașca de apă, dacă descoperiți că cantitatea de apă din cană nu are o scară, continuați să vă turnați și apoi ați constatat că cantitatea de apă este mai mult Cu o jumătate de cană, apa a scos de la ceașcă la exterior și apoi nu este suficient pentru a turna apa și a scos mai mult până când cantitatea de apă ajunge la scară.
Notă: În controlul I Integral I, ieșirea controlerului este proporțională cu integrala semnalului de eroare de intrare. Pentru un sistem de control automat, dacă există o eroare în stare de echilibru după intrarea în starea de echilibru, se spune că sistemul de control are o eroare în stare de echilibru sau pur și simplu un sistem cu eroare în stare constantă (sistem cu eroare în stare constantă). Pentru a elimina eroarea în stare de echilibru, un „termen integral” trebuie introdus în controler. Termenul integral integrează eroarea în funcție de timp și crește cu timpul. Astfel, chiar dacă eroarea este mică, termenul integral crește odată cu timpul și determină ieșirea controlerului să crească, astfel încât eroarea în stare de echilibru să fie redusă în continuare până când este egală cu zero. Prin urmare, controlerul proporțional + integral (PI) permite sistemului să intre în stare constantă fără o eroare în stare constantă.
Controlul diferențial 3pid, adică ochiul uman privind cupa de apă și distanța de la scară, când decalajul este foarte mare, ceainicul cu o cantitate mare de apă care trebuie turnat, când oamenii văd cantitatea de apă este Aproape de scară, reduceți producția de apă a fierberii și apropiați -vă încet de scară, până când se oprește în cupa scării. Dacă apa se oprește în poziția exactă a scării, nu există un control diferențial static; Dacă se oprește aproape de scară, există un control diferențial static.
Notă: În controlul diferențial D, ieșirea controlerului este proporțională cu diferențialul semnalului de eroare de intrare (adică rata de modificare a erorii).
În practica de inginerie, cea mai utilizată lege de control al regulatorului pentru controlul proporțional, integral, diferențial, denumit control PID, cunoscut și sub denumirea de reglementare PID. Controlerul PID a fost introdus aproape 70 de ani de istorie, este o structură simplă, stabilitate bună, Fiabil, ușor de ajustat și a devenit una dintre principalele tehnologii ale controlului industrial.
Atunci când structura și parametrii obiectului controlat nu pot fi stăpâniți complet sau nu au acces la modele matematice precise, teoria controlului altor tehnologii este dificil de utilizat, structura și parametrii controlorului de sistem trebuie să se bazeze pe experiență și depanare pe teren Pentru a determina, când aplicarea tehnologiei PID Control este cea mai convenabilă.
Controler PID
Controlerele PID sunt utilizate pe scară largă în controlul proceselor industriale. Aproximativ 95% din operațiunile cu buclă închisă în automatizarea industrială utilizează controlere PID. Controlerul este combinat astfel încât să genereze un semnal de control. Ca controler de feedback, acesta oferă ieșirea de control la nivelul dorit. Înainte de inventarea microprocesoarelor, electronica analogică a implementat controlul PID. Dar astăzi toate controlerele PID sunt gestionate de microprocesoare. Controlerele logice programabile au, de asemenea, instrucțiuni de control PID încorporate.
Folosind un controler de comutare simplă cu costuri reduse, sunt posibile doar două stări de control, cum ar fi complet sau complet. Este utilizat pentru aplicații de control limitate în care aceste două stări de control sunt suficiente pentru a controla ținta. Cu toate acestea, natura oscilatorie a acestui control limitează utilizarea sa și, prin urmare, este înlocuită de controlerele PID.
Controlerele PID mențin ieșirea astfel încât să existe o eroare zero între variabila procesului și ieșirea de referință/dorită prin operația cu buclă închisă.PID folosește trei comportamente de control de bază, care sunt explicate mai jos.
P-controlor:
Proporțional sau P-controlor oferă o ieșire proporțională cu eroarea curentă e (t). Compara valoarea dorită sau setată cu valoarea procesului real sau de feedback. Eroarea obținută este înmulțită cu constanta de proporționalitate pentru a obține producția. Dacă valoarea de eroare este zero, această ieșire a controlerului este zero.
Acest controler trebuie să fie părtinitor sau resetat manual atunci când este utilizat pe cont propriu. Acest lucru se datorează faptului că nu ajunge niciodată într -o stare de echilibru. Oferă o funcționare stabilă, dar menține întotdeauna eroarea în stare de echilibru. Pe măsură ce proporționalitatea constantă KC crește, viteza de răspuns crește.
I-control
Deoarece P-Controller-ul are întotdeauna o abatere între variabila procesului și punctul setat, este nevoie de I-controlor, care oferă acțiunea necesară pentru a elimina eroarea în stare de echilibru. Integrează eroarea pentru o perioadă de timp până când valoarea erorii ajunge la zero. Menține valoarea erorii zero pentru unitatea de control finală.
Când apare o eroare negativă, controlul integral își reduce producția. Limitează viteza de răspuns și afectează stabilitatea sistemului. Viteza de răspuns este crescută prin scăderea KI a câștigului integral.
În cifra de mai sus, eroarea în stare de echilibru scade pe măsură ce câștigul controlerului I scade. În mare parte, controlerele PI sunt utile în special în situațiile în care nu este necesar un răspuns de mare viteză.
Atunci când se utilizează un controler PI, producția I-control este limitată la un grad care depășește saturația integrală, unde producția integrală este eliminată chiar și atunci când starea de eroare zero este crescută din cauza condiției de neliniaritate în planta menționată.
Controller D.
I-controlor nu are capacitatea de a prezice un comportament viitor greșit. Deci reacționează în mod normal odată ce punctul de setare este schimbat. D-controltorul D depășește această problemă, prezicând un comportament viitor eronat. Rezultatul său depinde de rata de modificare a erorilor în ceea ce privește timpul, înmulțit cu o constantă diferențială. Oferă pornire la ieșire care crește răspunsul sistemului.
În cifra de mai sus, controlerul D are mai mult răspuns decât controlerul PI și timpul de acumulare al producției este redus. Îmbunătățește stabilitatea sistemului prin compensarea decalajului de fază cauzat de controlerul I. Creșterea câștigului diferențial va îmbunătăți răspunsul.
Rolul controlerului PID
Rolul reglementării proporționale
Răspuns proporțional la abaterea sistemului, odată ce sistemul s -a abătut, reglementarea proporțională produce imediat regulament pentru a reduce abaterea. Proporționalitatea mare poate accelera ajustarea și poate reduce eroarea, dar o proporție prea mare face ca stabilitatea sistemului să scadă și chiar să provoace instabilitatea sistemului.
Reglementare integrală
Acesta face ca sistemul să elimine eroarea în stare de echilibru și să îmbunătățească gradul de non-diferență. Deoarece există o eroare, reglarea integrală este efectuată până când nu există nicio diferență, reglarea integrală se oprește, iar reglarea integrală rezultă o valoare constantă. Puterea efectului integral depinde de constantul de timp integral Ti, cu atât este mai mic, cu atât este mai puternic efectul integral. Dimpotrivă, dacă TI este mare, efectul integral este slab, iar adăugarea de reglare integrală poate face ca stabilitatea sistemului să scadă, iar răspunsul dinamic devine mai lent.
Reglementare diferențială
Acțiunea diferențială reflectă rata de schimbare a semnalului de abatere a sistemului, cu predictibilitatea, poate prevedea tendința schimbărilor de abatere, astfel încât poate produce înainte de regulamentul diferențial în abatere nu a fost format anterior, a fost eliminată de reglementarea diferențială. Acțiunea diferențială asupra interferenței zgomotului are un efect de amplificare, deci prea puternic, plus reglarea diferențială, sistemul nu este bun pentru anti-interferență.
Direcția de dezvoltare a aplicației PID Control
În procesul de producție pentru a îmbunătăți calitatea produsului, creșterea producției, economisirea materiilor prime, gestionarea producției și procesul de producție este întotdeauna în condiția de lucru optimă. Prin urmare, se produce o metodă de control optim, care se numește control adaptiv. În acest tip de control, sistemul este obligat să poată ajusta automat sistemul în funcție de modificările parametrilor măsurați, a mediului și a costurilor materiilor prime, astfel încât sistemul să fie întotdeauna într -o stare optimă. Controlul adaptiv constă din trei componente: estimarea performanței (discriminare), luarea deciziilor și modificarea. Este direcția de dezvoltare a sistemului de control al microcomputerului. Cu toate acestea, deoarece legea controlului este dificil de înțeles, astfel încât promovarea unora dificil de rezolvat problema. În controlul adaptiv PID vine cu unele caracteristici inteligente, cum ar fi creaturile vii se pot adapta la modificările condițiilor externe. Există, de asemenea, un sistem de auto-învățare, este mai inteligent.