PID-kontrolleri mõistmine

Esimene edukas PID juhtimisteooria hindamine kontrolliti praktiliselt laevade automaatse juhtimissüsteemi valdkonnas umbes 1920. aastal. Pärast seda rakendati seda erinevates tööstusautomaatse protsessi juhtimisseadmetes, mis nõuavad optimeeritud ja täpseid tootmistoodangu spetsifikatsioone. Tootmisüksuste jaoks rakendati PID-d populaarse täpse pneumaatilise juhtimise saavutamiseks ja lõpuks rakendati PID-teooriat tänapäeval elektroonilistes kontrollerites.

Mis on PID-kontroller

Termin PID on proportsionaalse integraalse tuletisregulaatori lühend, mis on tagasisideahela mehhanism, mis on ette nähtud erinevate tööstuslike juhtimisseadmete ja paljude teiste sarnaste rakenduste täpseks juhtimiseks, mis nõuavad kriitilisi ja automatiseeritud juhtimisseadmeid.

Selle teostamiseks jälgib PID-kontroller pidevalt süsteemi tööd ja arvutab indutseeritud veaelemendi. Seejärel hindab see seda hetkevea väärtust erinevuse kujul nõutava seadepunkti (SP) ja mõõdetud protsessimuutuja (PV) vahel.

Viidates ülaltoodule, viiakse läbi kohene ja automaatne tagasiside parandus proportsionaalsete (P), integraalsete (I) ja tuletiste (D) avaldiste ning sellest ka PID-kontrolleri nime järgi.

Lihtsamate sõnadega jälgib PID-kontroller pidevalt antud masinasüsteemi tööd ja korrigeerib määratud algoritmi kaudu selle väljundreaktsiooni sõltuvalt välistest mõjudest põhjustatud variatsioonidest. Seega tagab see, et masin töötab alati ettenähtud ideaalsetes tingimustes.

PID-plokkskeemi mõistmine

PID-regulaatorit peetakse mitmekülgseks juhtimissüsteemiks tänu oma võimele tuvastada ja hallata kolme juhtimisparameetrit: proportsionaalset, integraalset ja tuletatud ning rakendada kavandatud optimaalset juhtimist väljundile ülitäpselt, viidates neile 3 parameetrile.

Alloleval pildil on näidatud PID plokkskeem. Sellele plokkskeemile viidates saame PID-i töötamise põhiprintsiibist kiiresti aru.

pildi viisakus: en.wikipedia.org/wiki/File:PID_en.svg

Siin on võimalik näha muutujate komplekti nagu veaväärtusele vastav e (t), sihitud seadepunktile vastav r (t) ja mõõdetud protsessimuutujana y (t). PID-kontroller jälgib kogu töö vältel vea väärtust e (t), hinnates erinevust kavandatud seadeväärtuse r (t) või SP ja mõõdetud protsessiväärtuse y (t) või PV vahel ning teostab parameetrite abil tagasiside paranduse või optimeerimise nimelt: proportsionaalne, integraal ja tuletis.

Kontroller püüab jätkuvalt vähendada veaefekti kogu ulatuses, reguleerides kontrollmuutuja u (t) värsketele väärtustele, lähtudes juhtimisterminite analüüsitud kaalutud summast (p, I, d).

Näiteks võib klapi juhtimisseadise toimimisel PID-ga pidevalt muuta selle avanemist ja sulgemist keeruliste hindamiste abil, nagu eespool selgitatud.

Näidatud süsteemis saab erinevaid mõisteid mõista allpool selgitatult:

P- kontroller:

Mõiste P on proportsionaalne hetkevea väärtustega e (t), mis on saadud SP - PV tulemuse hindamisel. Olukorras, kus vea väärtus kipub suureks minema, suureneb ka kontrollväljund proportsionaalselt võimendusteguri “K” suhtes. Kompenseerimist nõudvas protsessis, näiteks temperatuuri reguleerimisel, võib proportsionaalne juhtimine üksinda põhjustada ebatäpsusi kogu seadepunktis ja tegelikus protsessi väärtuses, kuna see ei saa töötada proportsionaalse vastuse tekitamiseks ilma vea tagasisita. Siit järeldub, et ilma vea tagasisideta ei pruugi korrektne reageerimine olla võimalik.

Mina - kontroller:

Termin I vastutab varem hinnatud SP - PV vigade väärtuste eest ja integreerib need oma tööperioodi jooksul termini I loomiseks. Näiteks proportsionaalse kontrolli rakendamise ajal, kui SP - PV tekitab mingisugust viga, tuleb parameeter I muutub aktiivseks ja üritab selle jääkvea lõpetada. See juhtub tegelikult juhtimisvastusega, mis käivitatakse varem registreeritud vea kumulatiivse väärtuse tõttu. Niipea kui see juhtub, lakkab I-i tähtaeg veelgi enam võimendamast. See põhjustab veateguri vähenemisel proportsionaalse efekti minimeerimise, ehkki see kompenseeritakse integraalse efekti arenedes.

D- kontroller:

Termin D on kõige sobivam lähend, mis on tuletatud SP - PV vea arengusuundade jaoks, sõltuvalt veateguri muutumise hetkekiirusest. Kui see muutuste kiirus suureneb kiiresti, rakendub tagasiside juhtimine agressiivsemalt ja vastupidi.

Mis on PID-häälestus

Eespool arutatud parameetrid võivad optimaalse juhtimisfunktsiooni tagamiseks vajada õiget tasakaalustamist ja see saavutatakse protsessi abil, mida nimetatakse „silmuse häälestamiseks“. Kaasatud häälestuskonstandid tähistatakse tähega “K”, nagu on näidatud järgmistes deduktsioonides. Kõik need konstandid peavad olema valitud rakenduse jaoks eraldi tuletatud, kuna konstandid sõltuvad ja varieeruvad rangelt silmuses osalevate konkreetsete väliste parameetrite omaduste ja mõju järgi. Need võivad hõlmata antud parameetri mõõtmiseks kasutatavate andurite reaktsiooni, lõplikku drosselelementi, näiteks juhtventiili, võimalikku ajasignaali kulumist ja protsessi ennast jne.

Võib olla aktsepteeritav rakendamise alguses konstantide ligikaudsete väärtuste kasutamine, lähtudes rakenduse tüübist, kuid see võib lõppkokkuvõttes vajada tõsist täpsustamist ja kohandamist praktiliste katsete abil, sundides muutusi seadepunktides ja jälgides seejärel süsteemi juhtimine.

Ükskõik, kas see on matemaatiline mudel või praktiline silmus, võib mõlema jaoks kasutada otsest juhtimistoimingut määratud terminite jaoks. See tähendab, et kui tuvastatakse positiivse vea suurenemine, algatatakse vastavalt suurenenud positiivne kontroll olukorra kontrollimiseks kaasatud terminite jaoks.

Kuid see võib olla vajalik vastupidiseks muutmiseks rakendustes, kus väljundparameetril võib olla vastupidiselt konfigureeritud omadus, mis nõuab vastupidist parandusmeedet. Vaatleme vooluringi näidet, kus klapi avamisprotsess on määratud töötama 100% ja 0% väljundiga, kuid seda tuleb juhtida vastava 0% ja 100% väljundiga, sel juhul on hädavajalik vastupidine korrigeeriv juhtimine. Täpsemalt võtame arvesse vesijahutussüsteemi, millel on kaitsefunktsioon, milles selle klapp peab signaali kadumise ajal olema 100% avatud. Sellisel juhul peab regulaatori väljund signaali puudumisel olema võimeline muutuma 0% juhtimiseks, nii et klapp saaks täielikult 100% ulatuses avaneda, seda nimetatakse 'vastupidise toimega' juhtimiseks.

Juhtimisfunktsiooni matemaatiline mudel

Selles matemaatilises mudelis tähistavad kõik mitte-negatiivsed konstandid Kp, Ki ja Kd koefitsiente vastavalt proportsionaalsete, integraalsete ja tuletisterminite jaoks (mõnel juhul tähistatakse neid ka P, I ja D).

PID-kontrolli tingimuste kohandamine

Ülaltoodud aruteludest saime aru, et põhimõtteliselt töötab PID-juhtimissüsteem kolme juhtimisparameetriga, kuid mõned väiksemad rakendused võivad eelistada paari neist terminitest või isegi ühte terminit kolmest terminist.

Kohandamine toimub kasutamata termini nullseadeks muutmise ja paari termini PI, PD või üksikute terminite, näiteks P või I., lisamisega. PI-kontrolleri konfiguratsioon on nende hulgas levinum, kuna termin D on tavaliselt müraohtlik mõjutatud ja seetõttu enamikul juhtudel elimineeritud, välja arvatud juhul, kui see on rangelt kohustuslik. Termin I lisatakse tavaliselt, kuna see tagab süsteemile kavandatud optimaalse sihtväärtuse saavutamise väljundis.