Pid-kontroller: arbets-, struktur- och tuningmetoder

Innan vi förklarar PID Controller, låt oss se över Control System. Det finns två typer av system; öppet loop-system och close loop-system. Ett öppet loop-system är också känt som ett okontrollerat system och system med nära loop kallas ett kontrollerat system. I ett öppet loop-system styrs inte utgången eftersom detta system inte har någon återkoppling och i ett system med sluten slinga styrs utgången med hjälp av styrenheten och detta system kräver en eller flera återkopplingsvägar. Ett system med öppen slinga är mycket enkelt men inte användbart i industriella kontrollapplikationer eftersom detta system är okontrollerat. System med slutna slingor är komplicerade men mest användbara för industriell användning, eftersom PID i detta system kan vara stabilt vid ett önskat värde är ett exempel på Closed Loop System. Blockdiagram för dessa system är som visas i figur 1 nedan.

Ett nära loop-system kallas också återkopplingsstyrsystem och denna typ av system används för att utforma automatiskt stabilt system vid önskad utgång eller referens. Av denna anledning genererar den en felsignal. Felsignalen e (t) är en skillnad mellan utgången y (t) och referenssignalen u (t) . När detta fel är noll betyder det att önskad utgång uppnås och i detta tillstånd är utsignalen densamma som en referenssignal.

Till exempel går en torktumlare igång flera gånger, vilket är ett förinställt värde. När torktumlaren är PÅ startar timern och den kommer att gå tills timern slutar och ger utmatning (torr trasa). Detta är ett enkelt system med öppen slinga, där utdata inte behöver styras och inte kräver någon återkopplingsväg. Om i detta system använde vi en fuktsensor som ger återkopplingsväg och jämför denna med börvärdet och genererar ett fel. Torktumlare körs tills detta fel är noll. Det betyder att när torkfuktigheten är samma som börvärdet slutar torken att fungera. I ett öppet loop-system kommer torkaren att gå under fast tid oavsett om kläderna är torra eller våta. Men i systemet med slutna slingor kommer torkaren inte att köra under fast tid, den kommer att köras tills kläderna är torra. Detta är fördelen med nära kretssystem och användning av styrenhet.

PID-kontroller och dess arbete:

Så vad är PID-styrenhet? PID-styrenhet är allmänt accepterad och oftast används styrenhet i industriell applikation eftersom PID-styrenhet är enkel, ger bra stabilitet och snabb respons. PID står för proportionellt, integrerat, derivat. I varje applikation varierar koefficienten för dessa tre åtgärder för att få optimal respons och kontroll. Styrenhetens ingång är felsignal och utgången ges till anläggningen / processen. Kontrollens utgångssignal genereras på ett sådant sätt att anläggningens utgång försöker uppnå önskat värde.

PID-styrenhet är ett system med nära kretsar som har återkopplingsstyrsystem och det jämför processvariabeln (återkopplingsvariabel) med börvärdet och genererar en felsignal och justerar enligt detta systemets utgång. Denna process fortsätter tills detta fel blir noll eller processvariabelvärde blir lika med börvärdet.

PID-styrenhet ger bättre resultat än PÅ / AV-styrenhet. I PÅ / AV-styrenhet är endast två tillstånd tillgängliga för att styra systemet. Den kan antingen PÅ eller AV. Den kommer att PÅ när processvärdet är mindre än börvärdet och det kommer att AV när processvärdet är större än börvärdet. I denna styrenhet kommer utgången aldrig att vara stabil, den kommer alltid att svänga runt börvärdet. Men PID-styrenheten är mer stabil och exakt jämfört med PÅ / AV-styrenhet.

PID-styrenhet är en kombination av tre termer; Proportionellt, integrerat och härledt. Låt oss förstå dessa tre termer individuellt.

PID-lägen för kontroll:

Proportionellt (P) svar:

Termen 'P' är proportionell mot det faktiska värdet av felet. Om felet är stort är kontrollutgången också stor och om felet är litet är kontrollutgången också liten, men förstärkningsfaktorn (_Kp) är

Tar också in till konto. Svarets hastighet är också direkt proportionell mot proportionell förstärkningsfaktor (_Kp). Så, svarets hastighet ökas genom att öka värdet på _Kp, men om _Kp ökas utöver det normala intervallet, börjar processvariabelen att oscillera med hög hastighet och göra systemet instabilt.

y (t) ∝ e (t) y (t) = k _i * e (t)

Här multipliceras det resulterande felet med proportionalitetsförstärkningsfaktorn (proportionell konstant) som visas i ovanstående ekvation. Om endast P-kontroller används vid den tiden, måste den manuellt återställas eftersom den bibehåller steady state-fel (offset).

Integrerat (I) svar:

Integrerad styrenhet används vanligtvis för att minska steady state-felet. Termen 'I' är integrerad (med avseende på tid) till det faktiska värdet av felet . På grund av integration ger mycket litet felvärde mycket högt integralt svar. Integrerad styrenhetsåtgärd fortsätter att ändras tills felet blir noll.

y (t) ∝ ∫ e (t) y (t) = k _i ∫ e (t)

Integrerad förstärkning är omvänt proportionell mot hastigheten av respons, ökar k _i, minska hastigheten på responsen. Proportionella och integrerade styrenheter används kombinerade (PI-styrenhet) för god responshastighet och steady state-respons.

Derivat (D) svar:

Derivatregulator används för att kombinera PD eller PID. Det användes aldrig ensamt, för om felet är konstant (icke-noll) kommer utgången från styrenheten att vara noll. I den här situationen uppför sig regulatorn livets nollfel, men i själva verket finns det något fel (konstant). Utgången från derivatstyrenheten är direkt proportionell mot felförändringshastigheten med avseende på tid som visas i ekvation. Genom att ta bort tecken på proportionalitet får vi derivatförstärkningskonstant (k _d). Generellt används derivatstyrenhet när processorvariabler börjar oscilleras eller ändras med mycket hög hastighet. D-controller används också för att förutse felets framtida beteende per felkurva. Matematisk ekvation är som visas nedan;

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

Proportionell och integrerad styrenhet:

Detta är en kombination av P- och I-styrenhet. Output från styrenheten är summering av båda (proportionella och integrerade) svar. Matematisk ekvation är som visas nedan;

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

Proportionell och derivatstyrenhet: Detta är en kombination av P- och D-styrenhet. Output av controller är summering av proportionella och derivata svar. Matematisk ekvation för PD-styrenhet är som visas nedan;

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

Proportionell, integrerad och derivat controller: Detta är en kombination av P, I och D controller. Output av controller är summering av proportionella, integrerade och derivata svar. Matematisk ekvation för PD-styrenhet är som visas nedan;

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

Genom att kombinera detta proportionella, integrerade och derivata kontrollsvar bildar du således en PID-styrenhet.

Inställningsmetoder för PID-styrenhet:

För önskad utgång måste denna styrenhet vara korrekt inställd. Processen för att få perfekt svar från PID-styrenheten med PID-inställning kallas inställning av styrenheten. PID-inställningsmedel anger det optimala förstärkningsvärdet för proportionellt (k _p), derivat (k _d) och integralt (k _i) -svar. PID-styrenheten är inställd för störningsavvisning betyder att man stannar vid ett givet börvärde och kommandospårning, betyder att om börvärdet ändras kommer utgången från styrenheten att följa det nya börvärdet. Om regulatorn är korrekt inställd följer regulatorns utgång variabelt börvärde, med mindre svängning och mindre dämpning.

Det finns flera metoder för att ställa in PID-styrenheten och få önskat svar. Metoder för inställning av styrenheten är som nedan;

1. Försök och felmetod
2. Processreaktionskurvteknik
3. Ziegler-Nichols-metoden
4. Relämetod
5. Använda programvara

1. Försök och felmetod:

Trial and error-metoden är också känd som manuell inställningsmetod och den här metoden är den enklaste metoden. I den här metoden ska du först öka värdet på kp tills systemet når ett oscillerande svar men systemet ska inte göra instabilt och hålla värdet på kd och ki noll. Därefter ställ in värdet på ki på ett sådant sätt att svängningen av systemet stoppas. Därefter ställer du in värdet på kd för snabb respons.

2. Teknik för processreaktionskurva:

Denna metod är också känd som Cohen-Coon tuning metod. I denna metod genererar du först en processreaktionskurva som svar på en störning. Med denna kurva kan vi beräkna värdet på styrningsförstärkning, integraltid och derivattid. Denna kurva identifieras genom att manuellt utföra stegetestet med öppen slinga av processen. Modellparametern kan hitta efter initial stegprocent störning. Från denna kurva måste vi hitta slop, dödtid och stigningstid för kurvan som inte är något annat än värdet på kp, ki och kd.

3. Zeigler-Nichols-metod:

I denna metod ställer du också först in värdet på ki och kd noll. Den proportionella förstärkningen (kp) ökar tills den når den ultimata förstärkningen (ku). ultimata förstärkningen är ingenting men det är en förstärkning där slingans utgång börjar svänga. Denna ku och svängningsperioden Tu används för att hämta förstärkning av PID-styrenhet från nedanstående tabell.

Typ av styrenhet	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. Relämetod:

Denna metod är också känd som Astrom-Hugglund-metoden. Här växlas utgången mellan två värden i styrvariabeln men dessa värden väljs så att processen måste passera börvärdet. När processvariabeln är mindre än börvärdet ställs styrutgången till det högre värdet. När processvärdet är större än börvärdet ställs styrutgången till det lägre värdet och utgångsvågform bildas. Perioden och amplituden för denna oscillerande vågform mäts och används för att bestämma slutlig förstärkning ku och period Tu som används i ovanstående metod.

5. Använda programvara:

För PID-inställning och loopoptimering finns programvarupaket tillgängliga. Dessa programvarupaket samlar in data och skapar en matematisk modell av systemet. Med den här modellen hittar programvaran en optimal inställningsparameter från referensändringar.

Struktur för PID-styrenhet:

PID-regulatorer är utformade baserat på mikroprocessortekniken. Olika tillverkare använder olika PID-strukturer och ekvationer. De vanligaste PID-ekvationerna är; parallell, ideal och serie PID-ekvation.

I parallell PID-ekvationen, är proportionella, integrala och derivat åtgärder arbetar separat med varandra och kombinera effekten av dessa tre åtgärder är handling i systemet. Blockdiagram för denna typ av PID är som visas nedan;

I ideal PID-ekvation fördelas förstärkningskonstanten k _p till hela termen. Så förändringar i k _p påverkar alla andra termer i ekvationen.

I serie PID-ekvation fördelas förstärkningskonstanten k _p till alla termer samma som ideal PID-ekvation, men i denna ekvation har integral och derivatkonstant en effekt på proportionell verkan.

Tillämpningar av PID-styrenhet:

Temperaturkontroll:

Låt oss ta ett exempel på AC (luftkonditionering) för alla anläggningar / processer. Börvärdet är temperatur (20 ͦ C) och den aktuella uppmätta temperaturen med sensorn är 28 ͦ C. Vårt mål är att köra växelström vid önskad temperatur (20 ͦ C). Nu, AC-styrenhet, generera signal enligt fel (8 ͦ C) och denna signal ges till växelströmmen. Enligt denna signal ändras utgången av växelström och temperaturen sänks till 25 ° C. Samma process kommer att upprepas tills temperaturgivaren mäter önskad temperatur. När felet är noll kommer styrenheten att stoppa kommandot till AC och igen kommer temperaturen att öka upp till ett visst värde och igen genereras felet och samma process upprepas kontinuerligt.

Design av MPPT (Maximum power point tracking) laddningsregulator för solceller:

IV-karaktären hos en PV-cell beror på temperatur och bestrålningsnivå. Så, driftspänning och ström kommer att förändras kontinuerligt med avseende på förändringar i atmosfäriska förhållanden. Därför är det mycket viktigt att spåra maximal effektpunkt för ett effektivt solcellssystem. För att hitta MPPT används PID-regulator och för detta ges börvärdet till styrenheten. Om atmosfäriska förhållanden ändras, håller denna tracker spänning och ström konstant.

Effektelektronikomvandlare:

PID-styrenhet är mest användbar i kraftelektronikapplikationer som omvandlare. Om en omvandlare är ansluten till systemet, måste utgången från omvandlaren ändras beroende på belastningsförändring. Till exempel är en växelriktare ansluten till belastning, om belastningen ökar kommer mer ström att strömma från växelriktaren. Så, spännings- och strömparametern är inte fixad, den kommer att ändras enligt kravet. I detta tillstånd används PID-styrenhet för att generera PWM-pulser för omkoppling av IGBT för omformaren. Enligt förändring i belastning ges återkopplingssignal till styrenheten och den genererar fel. PWM-pulser genereras enligt felsignalen. Så i detta tillstånd kan vi få variabel ingång och variabel utgång med samma växelriktare.