PID-ohjaimen ymmärtäminen

Ensimmäinen onnistunut PID-ohjausteorian arviointi varmistettiin käytännössä alusten automaattisten ohjausjärjestelmien alalla noin vuonna 1920. Sen jälkeen sitä sovellettiin erilaisissa teollisissa automaattisissa prosessisäätöissä, jotka edellyttivät optimoituja ja tarkkoja valmistustuotantomäärityksiä. Valmistusyksiköille PID toteutettiin yleisesti tarkan pneumaattisen ohjauksen saavuttamiseksi, ja lopulta PID-teoriaa sovellettiin elektronisissa säätimissä nykyaikana.

Mikä on PID-ohjain

Termi PID on lyhenne suhteellisesta integraalijohdannainenohjaimesta, joka on takaisinkytkentäsilmukamekanismi, joka on suunniteltu ohjaamaan tarkasti erilaisia ​​teollisuuden säätölaitteita ja monia muita vastaavia sovelluksia, jotka edellyttävät kriittisiä ja automatisoituja modulaatio-ohjauksia.

Tämän toteuttamiseksi PID-ohjain valvoo jatkuvasti järjestelmän toimintaa ja laskee indusoidun virheelementin. Sitten se arvioi tämän hetkellisen virhearvon vaaditun asetusarvon (SP) ja mitatun prosessimuuttujan (PV) välisenä erona.

Viitaten yllä olevaan suoritetaan välitön ja automaattinen palautekorjaus suhteellisten (P), integraalisten (I) ja johdannaisten (D) lausekkeiden ja siten nimen PID-ohjain suhteen.

Yksinkertaisesti sanottuna PID-ohjain valvoo jatkuvasti tietyn konejärjestelmän toimintaa ja korjaa jatkuvasti lähtövastettaan riippuen ulkoisten vaikutusten aiheuttamista vaihteluista määritetyn algoritmin avulla. Siten se varmistaa, että kone toimii aina määrätyissä ihanteellisissa olosuhteissa.

PID-lohkokaavion ymmärtäminen

PID-ohjainta pidetään monipuolisena ohjausjärjestelmänä, koska se kykenee havaitsemaan ja hallitsemaan 3 ohjausparametriä: suhteellinen, integraali ja johdannainen sekä soveltamaan tarkoitettua optimaalista ohjausta lähtöön äärimmäisen tarkasti näiden 3 parametrin perusteella.

Alla olevassa kuvassa näkyy PID: n lohkokaavio. Voimme nopeasti ymmärtää PID: n toiminnan perusperiaatteen viittaamalla tähän lohkokaavioon.

Kuva: en.wikipedia.org/wiki/File:PID_en.svg

Tässä voimme nähdä joukon muuttujia, kuten e (t), joka vastaa virhearvoa, r (t), joka vastaa kohdennettua asetuspistettä, ja y (t) mitattuna prosessimuuttujana. PID-säädin valvoo virhearvoa e (t) koko toimintansa ajan arvioimalla eron suunnitellun asetusarvon r (t) tai SP ja mitatun prosessiarvon y (t) tai PV välillä, ja suorittaa näin ollen palautekorjauksen tai optimoinnin parametrien avulla nimittäin: suhteellinen, integraali ja johdannainen.

Ohjain pyrkii edelleen vähentämään virhevaikutusta koko ajan säätämällä säätömuuttujan u (t) uusiin arvoihin ohjaustermien (p, I, d) analysoidun painotetun summan perusteella.

Esimerkiksi venttiilin ohjausta käytettäessä sen avaamista ja sulkemista voidaan jatkuvasti muuttaa PID: llä monimutkaisten arviointien avulla, kuten edellä on selitetty.

Esitetyssä järjestelmässä eri termit voidaan ymmärtää seuraavasti:

P- Ohjain:

Termi P on verrannollinen hetkellisiin virhearvoihin e (t), jotka saadaan arvioimalla tulos SP - PV: lle. Tilanteessa, jossa virhearvo pyrkii kasvamaan suureksi, myös ohjauslähtö kasvaa suhteellisesti vahvistuskertoimen 'K' perusteella. Kompensaatiota vaativassa prosessissa, kuten lämpötilan säätelyssä, verrannollinen säätely yksin voi johtaa epätarkkuuksiin ohjearvon ja prosessin todellisen arvon välillä, koska se ei voi toimia tyydyttävästi ilman virhepalautetta suhteellisen vasteen tuottamiseksi. Tarkoittaa, että ilman virhepalautetta asianmukainen korjaava vastaus ei ehkä ole mahdollista.

Minä- Ohjain:

Termi I on vastuussa aiemmin arvioiduista SP - PV-virheiden arvoista ja integroi ne toimintajaksonsa aikana termin I luomiseksi. Esimerkiksi kun suhteellista ohjausta käytetään, jos SP - PV tuottaa jonkin virheen, parametri I aktivoituu ja yrittää lopettaa tämän jäännösvirheen. Tämä tapahtuu tosiasiassa ohjausvasteen kanssa, joka laukaistaan ​​aikaisemmin kirjatun virheen kumulatiivisen arvon vuoksi. Heti kun tämä tapahtuu, I-termi lakkaa parantamasta enää. Tämä saa suhteellisen vaikutuksen vastaavasti minimoimaan virhetekijän vähentyessä, vaikka tämä kompensoidaan myös integraalivaikutuksen kehittyessä.

D- Ohjain:

Termi D on sopivin likiarvo, joka on johdettu SP - PV-virheen kehittyville trendeille virhetekijän hetkellisen muutosnopeuden mukaan. Jos tämä muutosnopeus kasvaa nopeasti, takaisinkytkentäohjaus toimii aggressiivisemmin ja päinvastoin.

Mikä on PID-viritys

Edellä mainitut parametrit saattavat edellyttää oikeaa tasapainotusta optimaalisen ohjaustoiminnon varmistamiseksi, ja tämä saavutetaan prosessilla, jota kutsutaan 'silmukan viritykseksi'. Mukana olevat viritysvakiot on merkitty nimellä 'K', kuten seuraavissa vähennyksissä on esitetty. Kukin näistä vakioista on johdettava erikseen valitulle sovellukselle, koska vakiot riippuvat ja vaihtelevat tiukasti silmukassa olevien erityisten ulkoisten parametrien ominaisuuksien ja vaikutusten mukaan. Näihin voi sisältyä tietyn parametrin mittaamiseen käytettyjen anturien vaste, lopullinen kuristuselementti, kuten säätöventtiili, mahdollinen silmukkasignaalin kuluminen ja itse prosessi jne.

Voi olla hyväksyttävää käyttää likiarvoja vakioille toteutuksen alkaessa sovellustyypin perusteella, mutta tämä voi viime kädessä vaatia vakavaa hienosäätöä ja säätämistä käytännön kokeiden avulla pakottamalla muutoksia asetettuihin pisteisiin ja tarkkailemalla sen jälkeen vastausta järjestelmän ohjaus.

Olipa matemaattinen malli tai käytännön silmukka, molemmat voidaan nähdä käyttävän 'suoraa' ohjaustoimintoa määritetyille termeille. Kun positiivisen virheen kasvu havaitaan, vastaavasti lisääntynyt positiivinen kontrolli aloitetaan tilanteen hallitsemiseksi mukana olevien termien osalta.

Tämä voidaan kuitenkin vaatia päinvastaiseksi sovelluksissa, joissa lähtöparametrilla voi olla vastakkaisesti määritetty ominaisuus, joka edellyttää käänteistä korjaavaa toimenpidettä. Tarkastellaan esimerkkiä virtaussilmukasta, jossa venttiilin avausprosessin on määritelty toimivan käyttämällä 100%: n ja 0%: n lähtöä, mutta sitä on ohjattava vastaavalla 0%: n ja 100%: n teholla, tässä tapauksessa käänteinen korjaava säätö on välttämätöntä. Tarkemmin sanottuna harkitse vesijäähdytysjärjestelmää, jolla on suojaominaisuus, jossa sen venttiilin on oltava 100% auki signaalihäviön aikana. Tässä tapauksessa säätimen lähdön on kyettävä vaihtamaan 0%: n ohjaukseen signaalin puuttuessa, jotta venttiili voi avautua täydellä 100%: lla, tätä kutsutaan 'käänteisvaikutteiseksi' ohjaukseksi.

Ohjaustoiminnon matemaattinen malli

Tässä matemaattisessa mallissa kaikki ei-negatiiviset vakiot Kp, Ki ja Kd merkitsevät kertoimia vastaaville, integraaleille ja johdannaisille termeille (joskus niitä merkitään myös P: llä, I: llä ja D: llä).

PID-hallinnan ehtojen mukauttaminen

Yllä olevista keskusteluista ymmärsimme, että PID-ohjausjärjestelmä toimii pohjimmiltaan kolmella säätöparametrilla, mutta jotkut pienemmät sovellukset saattavat mieluummin käyttää pari näistä termeistä tai jopa yhden termin kolmesta termistä.

Mukautus tehdään tekemällä käyttämätön termi nolla-asetukseen ja sisällyttämällä pari termiä PI, PD tai yksittäisiä termejä, kuten P tai I. Näistä PI-ohjaimen kokoonpano on yleisempää, koska termi D on yleensä altis melulle vaikutukset ja siten eliminoitu useimmissa tapauksissa, ellei se ole ehdottomasti pakollista. Termi I sisältyy normaalisti, koska se varmistaa järjestelmän saavuttavan tavoitellun optimaalisen tavoitearvon lähdössä.