Pid kontrolieri: darba, struktūras un regulēšanas metodes

Pirms izskaidrot PID kontrolieri, pārskatīsim vadības sistēmu. Ir divu veidu sistēmas; atvērta cikla sistēma un slēgta cikla sistēma. Atvērtā cikla sistēma ir pazīstama arī kā nekontrolēta sistēma, un slēgtas cilpas sistēma ir pazīstama kā kontrolēta sistēma. Atvērtās cilpas sistēmā izeja netiek kontrolēta, jo šai sistēmai nav atgriezeniskās saites, un ciešas cilpas sistēmā izeju kontrolē ar kontroliera palīdzību, un šai sistēmai ir nepieciešams viens vai vairāki atgriezeniskās saites ceļi. Atvērtā cikla sistēma ir ļoti vienkārša, bet nav noderīga rūpnieciskās vadības lietojumos, jo šī sistēma ir nekontrolēta. Aizvērtā cikla sistēma ir sarežģīta, bet visnoderīgākā rūpnieciskai lietošanai, jo šajā sistēmā izeja var būt stabila ar vēlamo vērtību, PID ir slēgtas cilpas sistēmas piemērs. Šīs sistēmas blokshēma ir parādīta 1. attēlā.

Tuvās cilpas sistēma ir pazīstama arī kā atgriezeniskās saites vadības sistēma, un šāda veida sistēmu izmanto, lai automātiski izveidotu stabilu sistēmu pie vēlamās izejas vai atsauces. Šī iemesla dēļ tas ģenerē kļūdas signālu. Kļūdas signāls e (t) ir starpība starp izeju y (t) un atskaites signālu u (t) . Ja šī kļūda ir nulle, tas nozīmē, ka ir sasniegta vēlamā izeja, un šajā stāvoklī izeja ir tāda pati kā atskaites signāls.

Piemēram, žāvētājs darbojas vairākas reizes, kas ir iepriekš iestatīta vērtība. Kad žāvētājs ir ieslēgts, taimeris sāk darboties, un tas darbosies, līdz taimeris beigsies, un tas nodrošinās izvadi (sausu drānu). Šī ir vienkārša atvērtās cilpas sistēma, kurā izejai nav jākontrolē un nav nepieciešama atgriezeniskā saite. Ja šajā sistēmā mēs izmantojām mitruma sensoru, kas nodrošina atgriezenisko saiti un salīdzina to ar iestatīto punktu un rada kļūdu. Žāvētājs darbojas, līdz šī kļūda ir nulle. Tas nozīmē, kad drānas mitrums ir tāds pats kā iestatītais punkts, žāvētājs pārtrauks darboties. Jo atvērta cilpa sistēmā, žāvētājs darbosies noteiktu laiku neatkarīgi no tā, drēbes ir sausas vai slapjas. Bet ciešā cikla sistēmā žāvētājs nedarbosies noteiktu laiku, tas darbosies, kamēr drēbes nebūs sausas. Šī ir tuvās cilpas sistēmas un kontroliera izmantošanas priekšrocība.

PID kontrolieris un tā darbība:

Kas tad ir PID kontrolieris? PID kontrolieris ir vispārpieņemts un visbiežāk tiek izmantots kontrolieris rūpniecībā, jo PID kontrolieris ir vienkāršs, nodrošina labu stabilitāti un ātru reakciju. PID apzīmē proporcionālu, integrālu, atvasinātu. Katrā lietojumā šo trīs darbību koeficients tiek mainīts, lai iegūtu optimālu reakciju un kontroli. Kontroliera ieeja ir kļūdas signāls, un izeja tiek piešķirta iekārtai / procesam. Regulatora izejas signāls tiek ģenerēts tā, ka iekārtas izeja mēģina sasniegt vēlamo vērtību.

PID kontrolieris ir Close loop sistēma, kurai ir atgriezeniskās saites vadības sistēma, un tā salīdzina procesa mainīgo (atgriezenisko mainīgo) ar iestatīto punktu un ģenerē kļūdas signālu un atbilstoši tam pielāgo sistēmas izvadi. Šis process turpinās, līdz šī kļūda nonāk nulles vērtībā vai procesa mainīgā vērtība kļūst vienāda ar iestatīto punktu.

PID kontrolieris dod labākus rezultātus nekā ON / OFF kontrolleris. Ieslēgšanas / izslēgšanas regulatorā sistēmas vadībai ir pieejami tikai divi stāvokļi. To var ieslēgt vai izslēgt. Tas ieslēgsies, kad procesa vērtība būs mazāka par iestatīto punktu, un tā tiks izslēgta, kad procesa vērtība būs lielāka par iestatīto. Šajā kontrolierī izeja nekad nebūs stabila, tā vienmēr svārstīsies ap iestatīto vērtību. Bet PID kontrolieris ir stabilāks un precīzāks salīdzinājumā ar ON / OFF kontrolieri.

PID kontrolieris ir trīs terminu kombinācija; Proporcionāls, integrāls un atvasināts. Ļaujiet mums saprast šos trīs terminus atsevišķi.

PID vadības režīmi:

Proporcionāla (P) atbilde:

Termins “P” ir proporcionāls kļūdas faktiskajai vērtībai. Ja kļūda ir liela, arī vadības izeja ir liela un, ja kļūda ir maza, arī vadības izeja ir maza, bet palielinājuma koeficients (K _p) ir

Arī ņemot vērā. Reakcijas ātrums ir tieši proporcionāls proporcionālajam pieauguma koeficientam (K _p). Tātad, ātrums atbildes tiek palielināts, palielinot vērtību K _p bet, ja K _p ir palielināts ārpus normas robežās, process mainīgs sāk svārstīgas augstā ātrumu un padarīt sistēmu nestabilu.

y (t) ∝ e (t) y (t) = k _i * e (t)

Šeit iegūtā kļūda tiek reizināta ar proporcionalitātes pieauguma koeficientu (proporcionālā konstante), kā parādīts iepriekšējā vienādojumā. Ja tajā laikā tiek izmantots tikai P kontrolieris, tam ir nepieciešama manuāla atiestatīšana, jo tā saglabā līdzsvara stāvokļa kļūdu (nobīdi).

Neatņemama (I) atbilde:

Lai samazinātu līdzsvara stāvokļa kļūdu, parasti tiek izmantots iebūvēts kontrolieris. Termins “I” ir integrēts (attiecībā uz laiku) kļūdas faktiskajā vērtībā . Integrācijas dēļ ļoti maza kļūdu vērtība rada ļoti augstu neatņemamu reakciju. Integrētā kontroliera darbība turpina mainīties, līdz kļūda kļūst nulle.

y (t) ∝ ∫ e (t) y (t) = k _i ∫ e (t)

Integrālais pieaugums ir apgriezti proporcionāls reakcijas ātrumam, palielinot k _i, samazinot reakcijas ātrumu. Lai nodrošinātu labu reakcijas ātrumu un līdzsvara stāvokļa reakciju, tiek izmantoti proporcionālie un integrālie kontrolieri (PI kontrolieris).

Atvasinātā (D) atbilde:

Atvasinātais kontrolieris ir pieradis pie PD vai PID kombinācijas. To nekad neizmantoja atsevišķi, jo, ja kļūda ir nemainīga (nav nulle), kontroliera izeja būs nulle. Šajā situācijā kontrolieris izturas pret nulles dzīves kļūdu, bet patiesībā ir kāda kļūda (nemainīga). Atvasinātā kontroliera izeja ir tieši proporcionāla kļūdas izmaiņu ātrumam attiecībā pret laiku, kā parādīts vienādojumā. Noņemot proporcionalitātes zīmi, mēs iegūstam atvasinātā pieauguma konstanti (k _d). Parasti atvasināto kontrolieri izmanto, kad procesora mainīgie sāk svārstīties vai mainās ar ļoti lielu ātrumu. D-kontrolieris tiek izmantots arī, lai paredzētu turpmāko kļūdas uzvedību pēc kļūdas līknes. Matemātiskais vienādojums ir tāds, kā parādīts zemāk;

y (t) ∝ de (t) / dt y (t) = K _d * de (t) / dt

Proporcionāls un integrāls kontrolieris:

Šī ir P un I kontroliera kombinācija. Kontroliera rezultāts ir abu (proporcionālo un integrālo) atbilžu summēšana. Matemātiskais vienādojums ir tāds, kā parādīts zemāk;

y (t) ∝ (e (t) + ∫ e (t) dt) y (t) = k _p * e (t) + k _i ∫ e (t) dt

Proporcionālais un atvasinātais kontrolieris: Šī ir P un D kontroliera kombinācija. Kontroliera rezultāts ir proporcionālo un atvasināto atbilžu summēšana. PD kontroliera matemātiskais vienādojums ir parādīts zemāk;

y (t) ∝ (e (t) + de (t) / dt) y (t) = k _p * e (t) + k _d * de (t) / dt

Proporcionālais, integrālais un atvasinātais kontrolieris: šī ir P, I un D kontroliera kombinācija. Kontroliera rezultāts ir proporcionālo, integrālo un atvasināto atbilžu summēšana. PD kontroliera matemātiskais vienādojums ir parādīts zemāk;

y (t) ∝ (e (t) + ∫ e (t) dt + de (t) / dt) y (t) = k _p * e (t) + k _i ∫ e (t) dt + k _d * de (t) / dt

Tādējādi, apvienojot šo proporcionālo, integrālo un atvasināto vadības reakciju, izveidojiet PID kontrolieri.

PID kontroliera regulēšanas metodes:

Lai iegūtu vēlamo izvadi, šim kontrollerim jābūt pareizi noregulētam. Procesu, kā iegūt ideālu reakciju no PID kontroliera, izmantojot PID iestatījumu, sauc par kontrollera noregulēšanu. PID iestatījums nozīmē proporcionālās (k _p), atvasinātās (k _d) un integrālās (k _i) reakcijas ieguvuma optimālās vērtības iestatīšanu. PID kontrolieris ir noregulēts uz traucējumu noraidīšanu, tas nozīmē, ka jāpaliek pie noteiktās iestatītās vērtības un komandu izsekošana, tas nozīmē, ka, ja mainās iestatītā vērtība, kontrollera izeja sekos jaunajai iestatītajai vērtībai. Ja regulators ir pareizi noregulēts, kontrollera izeja sekos mainīgajai iestatītajai vērtībai, ar mazāku svārstību un mazāku amortizāciju.

Ir vairākas metodes, kā pielāgot PID kontrolieri un iegūt vēlamo reakciju. Vadītāja regulēšanas metodes ir šādas;

1. Izmēģinājumu un kļūdu metode
2. Procesa reakcijas līknes tehnika
3. Zīglera-Nikolsa metode
4. Releja metode
5. Programmatūras izmantošana

1. Izmēģinājumu un kļūdu metode:

Izmēģinājumu un kļūdu metode ir pazīstama arī kā manuālās iestatīšanas metode, un šī metode ir vienkāršākā metode. Izmantojot šo metodi, vispirms palieliniet kp vērtību, līdz sistēma sasniedz svārstību reakciju, taču sistēmai nevajadzētu padarīt nestabilu un saglabāt kd un ki vērtību nulli. Pēc tam iestatiet ki vērtību tā, lai tiktu pārtraukta sistēmas svārstība. Pēc tam ātrai reakcijai iestatiet kd vērtību.

2. Procesa reakcijas līknes tehnika:

Šī metode ir pazīstama arī kā Koena-Kūna tūninga metode. Šajā metodē vispirms tiek ģenerēta procesa reakcijas līkne, reaģējot uz traucējumiem. Ar šo līkni mēs varam aprēķināt kontroliera pastiprinājuma, integrālā laika un atvasinātā laika vērtību. Šī līkne tiek identificēta, manuāli veicot procesa atvērto ciklu. Modeļa parametrs pēc sākotnējā soļa var noteikt traucējumu procentuālo daudzumu. No šīs līknes mums jāatrod līknes slīpums, miris laiks un pieauguma laiks, kas nav nekas cits kā kp, ki un kd vērtība.

3. Zeiglera-Nikolsa metode:

Šajā metodē vispirms arī iestatiet ki un kd nulles vērtību. Proporcionālais pieaugums (kp) tiek palielināts, līdz tas sasniedz galīgo pieaugumu (ku). galīgais pieaugums nav nekas cits, bet tas ir pieaugums, pie kura cilpas izeja sāk svārstīties. Šo ku un svārstību periodu Tu izmanto, lai atvasinātu PID kontroliera pieaugumu no tabulas apakšdaļas.

Kontroliera tips	kp	k i	kd
P	0,5 k u
PI	0,45 k u	0,54 k u / T u
PID	0,60 k u	1,2 k u / T u	3 k u T u / 40

4. Releja metode:

Šī metode ir pazīstama arī kā Astrom-Hugglund metode. Šeit izeja tiek pārslēgta starp divām vadības mainīgā vērtībām, bet šīs vērtības tiek izvēlētas tā, ka procesam jāšķērso iestatītā vērtība. Ja procesa mainīgais ir mazāks par iestatīto, vadības izeja tiek iestatīta uz augstāku vērtību. Kad procesa vērtība ir lielāka par iestatīto, vadības izeja tiek iestatīta uz zemāko vērtību un tiek izveidota izejas viļņu forma. Šīs svārstību viļņu formas periodu un amplitūdu mēra un izmanto, lai noteiktu galīgo pieaugumu ku un periodu Tu, kas tiek izmantots iepriekš minētajā metodē.

5. Programmatūras izmantošana:

PID regulēšanai un cilpu optimizēšanai ir pieejamas programmatūras paketes. Šīs programmatūras paketes apkopo datus un izveido sistēmas matemātisko modeli. Izmantojot šo modeli, programmatūra atrod optimālu pielāgošanas parametru no atsauces izmaiņām.

PID kontroliera struktūra:

PID kontrolieri ir izstrādāti, pamatojoties uz mikroprocesoru tehnoloģiju. Dažādi ražotāji izmanto atšķirīgu PID struktūru un vienādojumu. Visbiežāk izmantotie PID vienādojumi ir; paralēlais, ideālais un sērijveida PID vienādojums.

Jo paralēli PID vienādojumā, proporcionālās, neatņemamas un atvasinātie darbības atsevišķi strādā ar otru un apvienotu ietekmi šīm trim darbībām ir darbojas sistēmā. Šāda veida PID blokshēma ir parādīta zemāk;

Jo ideāla PID vienādojumā, pieaugums konstante k _p tiek izplatīts visiem termiņā. Tātad izmaiņas k _p ietekmē visus citus vienādojuma nosacījumus.

Pēc sērijas PID vienādojumā, pieaugums konstante k _p tiek izplatīts visiem noteikumiem paši kā ideāls PID vienādojumu, bet šajā vienādojuma integrālis un atvasināto konstanti ir ietekme uz proporcionālu rīcību.

PID kontroliera lietojumprogrammas:

Temperatūras regulēšana:

Ņemsim jebkura auga / procesa maiņstrāvas (gaisa kondicioniera) piemēru. Sākotnējā vērtība ir temperatūra (20 ° C) un pašreizējā mērītā temperatūra pēc sensora ir 28 ° C. Mūsu mērķis ir darbināt maiņstrāvu vēlamajā temperatūrā (20 ° C). Tagad, maiņstrāvas kontrolieris, ģenerē signālu atbilstoši kļūdai (8 ° C), un šis signāls tiek piešķirts maiņstrāvai. Saskaņā ar šo signālu maiņstrāvas izeja tiek mainīta un temperatūra pazeminās līdz 25 ° C. Turpmākais process atkārtosies, līdz temperatūras sensors izmērīs vēlamo temperatūru. Kad kļūda ir nulle, kontrolieris dos apturēšanas komandu maiņstrāvai un atkal temperatūra paaugstināsies līdz noteiktai vērtībai, un atkal radīsies kļūda, un tas pats process tiks atkārtots nepārtraukti.

MPPT (maksimālā jaudas punkta izsekošana) lādiņa kontroliera projektēšana saules PV:

PV šūnas IV raksturojums ir atkarīgs no temperatūras un izstarojuma līmeņa. Tātad darba spriegums un strāva nepārtraukti mainīsies attiecībā uz atmosfēras apstākļu izmaiņām. Tāpēc ir ļoti svarīgi izsekot maksimālo jaudas punktu efektīvai PV sistēmai. Lai atrastu MPPT, tiek izmantots PID kontrolieris, kuram regulatoram tiek piešķirta strāvas un sprieguma iestatītā vērtība. Ja atmosfēras apstākļi mainīsies, šis izsekotājs uztur spriegumu un strāvu nemainīgu.

Spēka elektronikas pārveidotājs:

PID kontrolieris ir visnoderīgākais enerģijas elektronikas lietojumprogrammās, piemēram, pārveidotājos. Ja pārveidotājs ir savienots ar sistēmu, atbilstoši slodzes izmaiņām ir jāmaina pārveidotāja jauda. Piemēram, invertors ir savienots ar slodzi, ja slodzes pieaugums no invertora plūst vairāk strāvas. Tātad, sprieguma un strāvas parametrs nav fiksēts, tas mainīsies atbilstoši prasībām. Šajā stāvoklī PID kontrolieris tiek izmantots, lai ģenerētu PWM impulsus invertora IGBT pārslēgšanai. Saskaņā ar slodzes izmaiņām kontrolierim tiek dots atgriezeniskais signāls, un tas radīs kļūdu. PWM impulsi tiek ģenerēti atbilstoši kļūdas signālam. Tātad, šajā stāvoklī mēs varam iegūt mainīgu ievadi un mainīgu izeju ar to pašu invertoru.