З швидким розвитком електроніки, комп'ютерів, комунікацій, діагностики несправностей, перевірки надмірності та технології графічного відображення рівень промислової автоматизації також зростає. Однак у виробничому процесі якість продукту шляхом перешкод декількох факторів і робить переваги рівня автоматизації неповноцінним. З того часу з'явилася теорія контролю PID.
Автоматичні системи управління можна розділити на системи управління відкритим циклом та системи управління закритою петлею. Система управління включає контролери, датчики, передавачі, приводи, вхідні та вихідні інтерфейси з використанням управління PID для досягнення тиску, температури, потоку, контролерів рівня, програмованих контролерів, які можуть реалізувати функцію управління PID (PLC), а також системи ПК, які може бути реалізований контроль PID тощо.
Управління PID
В інженерній практиці найбільш широко використовуваний закон регулятора для пропорційного, інтегрального, диференціального контролю, який називається контролем PID, також відомим як регулювання PID. Він став однією з головних технологій промислового контролю для його простої структури, хорошої стабільності, надійної роботи та легкого регулювання.
Коли структура та параметри контрольованого об'єкта не можуть бути повністю освоєні або не мають доступу до точних математичних моделей, теорія управління іншими технологіями важко використовувати, структура та параметри системного контролера повинні покладатися на досвід та налагодження поля Для визначення, коли застосування технології управління PID є найбільш зручним.
Контроль PID, PI та PD на практиці, контролер PID заснований на помилці системи, використанні пропорційного, інтегрального, диференціального розрахунку об'єму управління для контролю. Найбільш ідеальний контроль, коли пропорційно-інтегрально-похідний закон контролю, який поєднує в собі сильні сторони трьох: обидві пропорційні ролі у своєчасній та швидкій, але також ролі інтеграції усунення залишкової різниці у здатності до диференціації роль функції контролю переоцінки.
Посилання управління PID
1, пропорційний (P) контроль
Пропорційний контроль - один з найпростіших методів управління. Вихід його контролера пропорційний сигналу помилок вводу. У системі є постійна помилка стану, коли доступний лише пропорційний контроль. Вихідний сигнал контролера пропорційний сигналу відхилення, тобто до тих пір .
P Регулювання може відображати зміни в системі в часі, але не може повністю усунути відхилення системи, отже, якщо в процесі фактичного контролю використовується лише регулювання P, система буде виробляти залишки, K P збільшення може зробити систему Відхилення зменшується, але насправді, якщо K - D занадто велике призведе до нестабільності системи.
2, інтегральний (i) управління
У інтегральному контролі вихід контролера пропорційний інтегралі сигналу вхідної помилки. Для автоматичної системи управління, якщо після входу в стаціонарний стан спостерігається стабільна помилка стану, система управління, як кажуть, має постійну помилку стану або просто диференціальну систему.
Для усунення помилки стаціонарного стану в контролер повинен бути введений "інтегральний термін". Інтегральний термін інтегрує помилку залежно від часу, і збільшується у міру збільшення часу. Таким чином, навіть якщо помилка невелика, інтегральний термін збільшується з часом, і він змушує вихід контролера збільшуватись, щоб похибка стійкої стану ще більше зменшувалася, поки вона не буде близькою до нуля.
Таким чином, пропорційний + інтегральний (PI) контролер дозволяє системі входити в стаціонарний стан майже без стійкої помилки стану. Розмір інтегрального часу визначає міцність інтегрального ефекту, тим більший інтегральний час, тим слабший інтегральний ефект, що призводить до збільшення кількості системної перемикання; Чим сильніший інтегральний ефект, навпаки, схильний викликати коливання системи.
3, диференціальний (d) контроль
У диференціальному контролі вихід контролера та диференціал сигналу помилок вводу (тобто швидкість зміни помилки) пропорційна відносинах. Автоматична система управління для подолання помилки в процесі регулювання може бути коливальною або навіть дестабілізацією. Причина цього пов'язана з наявністю великого інерційного компонента (посилання) або компонента гістерезису, який впливає на придушення помилки, і зміни яких завжди відстають від змін у помилці.
Рішення полягає в тому, щоб змінити придушення помилок "попереду", тобто, коли помилка близька до нуля, придушення помилки повинно бути нульовим. Тобто в контролері лише введення "пропорційного" терміна часто недостатньо, роль пропорційного терміна полягає лише в тому Прогнозуйте тенденцію змін помилок, так що контролер з пропорційним + диференціалом зможе зробити контроль придушення помилок достроково. Таким чином, контролер з пропорційним + диференціалом може бути зроблений заздалегідь, щоб інгібувати контроль похибки, дорівнює нулю або навіть негативу, тим самим уникаючи серйозного переопрацювання контрольованої кількості.
Отже, для контрольованого об'єкта з великою інерцією або гістерезисом пропорційний+диференціальний (ПД) контролер може покращити динамічні характеристики системи в процесі регуляції. Коливання виходу контрольованого об'єкта та скорочення часу відповіді системи, що покращує динамічні характеристики системи. Однак занадто великий TD зменшить здатність придушити інтерференційні сигнали.
4, управління PID
Найбільш ідеальний контроль, коли пропорційно-інтегрально-диференціальний закон про контроль, який встановлює тривалість трьох: обидві пропорційні ролі у своєчасній та швидкій, але також цілісній ролі усунення залишкової різниці у здатності мати диференціал роль контрольної функції достроково.
Коли з’являються економія відхилення, диференціал може негайно і значно діяти, гальмує відхилення цього стрибка: пропорційно в той же час відіграє роль у усуненні відхилень, так що амплітуда відхилення зменшується, оскільки пропорційна роль є стійкою і відіграє головну Роль у законі про контроль, щоб система була більш стабільною: і невід'ємна роль залишкової різниці повільно подолала. Поки три ролі параметрів управління належним чином обрані, ви можете дати повну гру перед перевагами трьох законів управління, щоб отримати більш ідеальний ефект контролю.
Тому, поки три ролі можуть бути обґрунтовано узгоджені, ви можете досягти швидких і точних та плавних показників регулювання, щоб отримати відмінні результати контролю, що є принадністю регулювання PID.
5, параметризація
Параметризація контролера PID - це ядро проектування системи управління. Він заснований на характеристиках процесу, який слід контролювати для визначення коефіцієнта шкали контролера PID, інтегрального часу та розміру диференціального часу.
Методи налаштування параметрів контролера PID, узагальнені у двох категоріях: один - теоретичний розрахунок методу налаштування. В основному заснований на математичній моделі системи, після теоретичних розрахунків для визначення параметрів контролера. Обчислені дані, отримані цим методом, можуть використовуватися не безпосередньо, а також через фактичні інженерні коригування та модифікації. Другий - метод інженерної калібрування, який в основному покладається на інженерний досвід, безпосередньо в тесті системи управління, і метод простий, простий у розумінні, в інженерній практиці широко використовується.
Параметри контролера PID методу інженерної настройки, в основному критичний метод співвідношення, метод кривої відповіді та метод загасання. Два методи мають власні характеристики, загальна точка - через тест, а потім відповідно до інженерного досвіду формули для параметрів контролера, що підлягають коригуванню. Але незалежно від того, який метод використовується для отримання параметрів контролера, повинен бути в фактичній роботі остаточного коригування та вдосконалення. Зазвичай використовується метод критичного співвідношення. Використовуючи цей метод для етапів налаштування параметрів PID -контролера наступним чином:
(1) спочатку попередньо вибирати досить короткий період відбору проб для роботи системи;
(2) Додати лише пропорційну контрольну ланку, поки критичні коливання не відбудуться у ступінчастої реакції системи до входу, і не відзначте пропорційний коефіцієнт посилення та критичний період коливання в цей час;
(3) За певного ступеня контролю через формулу для отримання параметрів контролера PID.
У фактичному введенні в експлуатацію спочатку можна лише встановити емпіричне значення, а потім модифікувати відповідно до ефекту регулювання.
Для системи температури: P (%) {{0}}, i (точки) 3 - 10, d (точки) 0. 5 - 3
Для системи потоку: P (%) {{0}}, i (min) 0. 1--1
Для систем тиску: P (%) {{0}}, i (min) 0. 4--3
Для систем рівня рідини: P (%) 20--80, i (min) 1-5
Хіба це не звучить трохи важко зрозуміти? Давайте попросимо Мін пояснити це нам.
Мін було надано завдання: є протікання резервуара для води, а швидкість витоку змінна, але поверхня води потрібна для підтримки висоти поверхні води в певному положенні, як тільки поверхня води буде виявлена нижчою ніж необхідне положення, ви повинні додати воду в резервуар для води.
Початок Xiaoming з ковшами, щоб додати воду, кран з бака має відстань понад десять метрів, часто доводиться бігати кілька разів, щоб додати достатню кількість води, тому Xiaming і змінено, щоб використовувати відро, щоб додати відро, плюс це відро, бігає менше разів, плюс швидкість води також швидка, але кілька разів буде надано резервуар, щоб додати перелив випадкового мокрого кілька разів, Xiaming та мозковий штурм, я не маю Використовуйте ковзанку, а не відро, старий з басейном, кілька разів вниз, виявив, що це правильно, не потрібно бігати занадто багато разів, і не дозволять воді переповнювати. Я виявив, що це правильно, мені не довелося бігати занадто багато разів, і я не дозволяв воді переповнювати. Цей час перевірки називається періодом вибірки.
На початку Xiaoming з ковшною для додавання води змішувач з резервуара з водою має відстань понад десять метрів, часто доводиться бігати кілька разів, щоб додати достатню кількість води, тому Xiaming, а потім змінювати, щоб використовувати відро, щоб додати відро , плюс - це відро, пробігає менше разів, швидкість води також швидша, але кілька разів буде надано резервуар, щоб додати перелив випадково вологого кілька разів, Xiaming та мозковий штурм, Я не використовую ковшів і не потрібно до бочок, старий з тазом, кілька разів, виявив, що це правильно, не потрібно бігати занадто багато разів, також не дозволять воді переповнювати. Мені не потрібно бігати занадто багато разів, і я не хочу, щоб вода переповнювалася. Розмір цього інструменту для додавання води називається коефіцієнтом пропорційності.
Сяомінг також встановив, що хоча вода не переповнюється, іноді вона буде вище, ніж необхідне положення, і все ж була небезпека змочити його взуття. Він придумав спосіб встановити воронку на резервуар для води, кожен раз, коли ви додаєте воду, не виливається безпосередньо в бак, але виливається в воронку, щоб дозволити їй повільно додати. Ця проблема переповнення вирішується, але швидкість додавання води і повільної, а іноді не може наздогнати швидкість витоку. Тож він намагався змінити воронку різних розмірів та діаметрів для контролю швидкості додавання води, і нарешті знайшов задовільну воронку. Час воронки називається інтегральним часом.
Сяомінг нарешті зітхнув з полегшенням, але вимоги завдання раптово суворі, своєчасність вимог до контролю за рівнем води значно покращилася, після того Будьте занадто вищими, або не платите заробітну плату. Сяомінг знову важко! Тож він відкрив свій мозок, нарешті дозволив йому подумати про спосіб, часто ставив горщик із запасною водою збоку, як тільки рівень води виявиться низьким, а не через воронку - це горщик з водою вниз, так що своєчасність гарантується, але рівень води іноді буде набагато вищим. Він також попросив місце розташування поверхні води над точкою буде вирізано отвір у воді, а потім з'єднує трубу до дна запасного відра, щоб з верху отвору просочилося більше води. Швидкість, з якою витікає ця вода, називається різним часом.
Історія експерименту Мінга-це покроковий незалежний Назад експерименту часто доводиться змінювати зміни результатів попереднього експерименту.
Люди з контролем PID з чайником до чашки води, надрукованої з шкалою половини склянки води після зупинки
Встановити значення: Шкала напівкласної чашки чашки води;
Фактична вартість: фактична кількість води у водній чашці;
Вихідні значення: кількість води вилита з чайника та кількість води, викинута з чашки;
Вимірювання: очі людини (еквівалентні датчиком)
Об'єкт виконання: людина
Позитивне виконання: наливання
Контрзекуція: зачинка
1p пропорційний контроль, тобто люди бачать, що кількість води в чашці не сягає половини склянки шкали чашки води, згідно з певною кількістю води з чайника в королі чашки води або кількості Вода в чашці води над шкалою, з певною кількістю води з чашки води, що вичерпається, ця одна дія може призвести до менш ніж половини склянки або більше півсклянки на зупинці.
ПРИМІТКА: P Пропорційне управління - один з найпростіших методів управління. Вихід його контролера пропорційний сигналу помилок вводу. Помилка стаціонарного стану існує у виводі системи, коли доступний лише пропорційний контроль.
2PI інтегральний контроль, тобто, відповідно до певної кількості води в чашку води, якщо ви виявите, що кількість води в чашці не має шкали, ви продовжуєте виливати, а потім виявили, що кількість води більше ніж половину склянки, вода вичерпала з чашки назовні, а потім неодноразово недостатньо, щоб налити воду, і більше зачерпнулася, поки кількість води не досягне шкали.
Примітка. У інтегралі I контролю вихід контролера пропорційний інтегралі сигналу вхідної помилки. Для автоматичної системи управління, якщо після введення в стаціонарний стан є стабільна помилка стану, система управління має постійну помилку стану або просто система з стаціонарною помилкою (система з стаціонарною помилкою). Для усунення помилки стаціонарного стану в контролер повинен бути введений "інтегральний термін". Інтегральний термін інтегрує помилку залежно від часу та збільшується з часом. Таким чином, навіть якщо помилка невелика, інтегральний термін збільшується з часом, і він змушує вихід контролера збільшуватись, щоб похибка стаціонарного стану ще більше зменшилася, поки вона не дорівнює нулю. Таким чином, пропорційний + інтегральний (PI) контролер дозволяє системі вступати в стаціонарний стан без помилок стаціонарного стану.
3PID диференціальний контроль, тобто людське око, що дивиться на чашку води та відстань від шкали, коли зазор дуже великий, чайник з великою кількістю води, що вилиться, коли люди бачать кількість води Близько до шкали, зменшуйте вихід води та повільно наближається до шкали, поки він не зупиниться в чашці шкали. Якщо вода зупиняється в точному положенні шкали, не існує статичного диференціального контролю; Якщо він зупиняється біля шкали, існує статичний диференціальний контроль.
Примітка: У диференційованому контролі D вихід контролера пропорційний диференціалі сигналу вхідної помилки (тобто швидкість зміни помилки).
У інженерній практиці, найбільш широко використовуваного закону регулятора для пропорційного, інтегрального, диференціального контролю, який називається контролем PID, також відомим як регулювання PID. Контролер PID був введений майже 70 років історії, це проста структура, хороша стабільність, Надійний, простий у коригуванні і став однією з головних технологій промислового контролю.
Коли структура та параметри контрольованого об'єкта не можуть бути повністю освоєні або не мають доступу до точних математичних моделей, теорія управління іншими технологіями важко використовувати, структура та параметри системного контролера повинні покладатися на досвід та налагодження поля Для визначення, коли застосування технології управління PID є найбільш зручним.
PID -контролер
Контролери PID широко використовуються в контролі промислових процесів. Близько 95% операцій із закритим циклом у промисловому автоматизації використовують контролери PID. Контролер поєднується таким чином, що він генерує контрольний сигнал. Як контролер зворотного зв'язку, він забезпечує вихідний вихід до потрібного рівня. Перед винаходом мікропроцесорів аналогова електроніка реалізувала управління PID. Але сьогодні всі контролери PID обробляють мікропроцесори. Програмовані логічні контролери також мають вбудовані інструкції щодо контролера PID.
Використовуючи недорогий простий контролер комутації, можливі лише два стани управління, такі як повне включення або повне вимкнення. Він використовується для обмежених контрольних програм, де ці два контрольні стани достатні для контролю цілі. Однак коливальна природа цього контролю обмежує його використання і тому замінюється контролерами PID.
Контролери PID підтримують вихід таким чином, що між змінною процесу існує нульова помилка та задана точка/бажаний вихід за допомогою операції із закритою циклом.
P-контролер:
Пропорційний або P-контролер дає вихід, пропорційний поточній помилці e (t). Він порівнює бажане або встановлене значення зі значенням фактичного або зворотного зв'язку. Отримана помилка множиться на постійну пропорційності для отримання виходу. Якщо значення помилки дорівнює нулю, цей вихід контролера дорівнює нулю.
Цей контролер повинен бути упередженим або скинути вручну при використанні самостійно. Це тому, що він ніколи не досягає стійкого стану. Він забезпечує стабільну роботу, але завжди підтримує помилку стаціонарного стану. Зі збільшенням постійної пропорційності KC збільшується швидкість реакції.
I-Контролер
Оскільки P-контролер завжди має відхилення між змінною процесу та встановленою точкою, необхідний I-контролер, що забезпечує необхідні дії для усунення помилки стаціонарного стану. Він інтегрує помилку протягом певного періоду часу, поки значення помилки не досягне нуля. Він підтримує значення нульової помилки для кінцевого блоку управління.
Коли виникає негативна помилка, інтегральний контроль зменшує його вихід. Це обмежує швидкість реакції і впливає на стабільність системи. Швидкість реакції збільшується за рахунок зменшення інтегрального посилення KI.
На наведеному вище малюнку похибка стаціонарного стану зменшується у міру зменшення посилення контролера I. Здебільшого контролери PI особливо корисні в ситуаціях, коли швидкісна реакція не потрібна.
Коли використовується контролер PI, вихід I-контролера обмежується ступенем, який долає інтегральну насиченість, де інтегральний вихід підштовхується навіть тоді, коли стан нульової помилки збільшується через стан нелінійності в зазначеній рослині.
D-контролер
I-Контролер не має здатності передбачити неправильну майбутню поведінку. Таким чином, він реагує нормально після того, як встановлена точка буде змінена. D-контролер долає цю проблему шляхом прогнозування помилкової майбутньої поведінки. Його вихід залежить від швидкості зміни похибки щодо часу, помноженого на диференціальну константу. Він забезпечує запуск виходу, що збільшує реакцію системи.
На наведеному малюнку контролер D має більше реакції, ніж контролер PI, а час накопичення виходу скорочується. Це покращує стабільність системи шляхом компенсації фазового відставання, спричиненого контролером I. Збільшення диференціального посилення покращить реакцію.
Роль контролера PID
Роль пропорційного регулювання
Пропорційна реакція на відхилення системи, як тільки система відхилиться, пропорційне регулювання негайно виробляє регулювання для зменшення відхилення. Велика пропорційність може прискорити коригування та зменшити помилку, але занадто велика пропорція робить стабільність зниження системи і навіть спричиняє нестабільність системи.
Інтегральне регулювання
Це змушує систему усунути помилку стаціонарного стану та покращує ступінь непомітності. Оскільки є помилка, інтегральна регуляція проводиться до тих пір, поки не буде різниці, інтегральна регуляція не припиняється, а інтегральна регуляція виводить постійне значення. Сила інтегрального ефекту залежить від інтегральної постійної Ti, тим меншим є Ti, тим сильніший інтегральний ефект. Навпаки, якщо Ti великий, інтегральний ефект слабкий, а додавання інтегральної регуляції може змусити стабільність системи знизити, а динамічна реакція стає повільнішою.
Диференціальне регулювання
Диференціальна дія відображає швидкість зміни сигналу відхилення системи з передбачуваності, може передбачити тенденцію змін відхилення, тому він може призвести до попередньої контрольної ролі у відхиленні раніше не було усунено диференціальним регулюванням. Диференціальна дія на перешкоди шуму має посилення ефекту, тому занадто сильна плюс диференціальна регуляція, система не корисна для анти-інтерференції.
Напрямок розробки додатків PID
У виробничому процесі з метою покращення якості продукції, збільшення виробництва, економити сировину, управління виробництвом та виробничий процес завжди в оптимальному робочому стані. Тому виробляється метод оптимального контролю, який називається адаптивним управлінням. У цьому типі управління система зобов’язана мати можливість автоматично регулювати систему відповідно до змін вимірюваних параметрів, середовища та вартості сировини, щоб система завжди була в оптимальному стані. Адаптивний контроль складається з трьох компонентів: оцінка ефективності (дискримінація), прийняття рішень та модифікація. Це напрямок розробки системи управління мікрокомп'ютерами. Однак, оскільки закон про контроль важко зрозуміти, тому сприяє вирішенню проблеми. У адаптивному контролі PID поставляється з деякими розумними рисами, як живі істоти можуть адаптуватися до змін у зовнішніх умовах. Також є система самостійного навчання, вона більш розумна.