S rýchlym vývojom elektroniky, počítačov, komunikácií, diagnostiky porúch, kontroly redundancie a technológie grafického zobrazenia sa zvyšuje aj úroveň priemyselnej automatizácie. Vo výrobnom procese však kvalita produktu rušením viacerých faktorov a zvýšením výhod úrovne automatizácie. Odvtedy sa objavila teória riadenia PID.
Automatické riadiace systémy možno rozdeliť do riadiacich systémov s otvorenou slučkou a riadiace systémy s uzavretou slučkou. Riadiaci systém zahŕňa regulátory, senzory, vysielače, ovládače, vstupné a výstupné rozhrania pomocou regulácie PID na dosiahnutie tlaku, teploty, prietoku, úrovne regulátorov, programovateľných regulátorov, ktoré môžu realizovať funkciu riadenia PID (PLC), ako aj počítačové systémy, ako aj počítačové systémy je možné realizovať ovládanie PID a tak ďalej.
Ovládanie PID
V inžinierskej praxi najpoužívanejší zákon regulátora pre proporcionálnu, integrálnu, diferenciálnu kontrolu, označovaný ako kontrola PID, známa tiež ako regulácia PID. Stala sa jednou z hlavných technológií priemyselnej kontroly pre svoju jednoduchú štruktúru, dobrú stabilitu, spoľahlivú prevádzku a ľahké nastavenie.
Ak sa štruktúra a parametre riadeného objektu nemôžu úplne zvládnuť alebo nemajú prístup k presným matematickým modelom, teória riadenia iných technológií je ťažké použiť, štruktúra a parametre ovládača systému sa musia spoliehať na skúsenosti a ladenie poľa Aby sme určili, kedy je aplikácia technológie riadenia PID najpohodlnejšia.
Ovládanie PID, riadenie PI a PD V praxi je regulátor PID založený na chybe systému, použití proporcionálneho, integrálneho, diferenciálneho výpočtu riadiaceho objemu pre reguláciu. Najdôležitejšia kontrola, keď proporcionálny a integrálny zákon o deriváte kontroly, ktorý kombinuje silné stránky troch: proporcionálnu úlohu v včasnom a rýchlom, ale aj úlohe integrácie eliminácie zvyškového rozdielu v schopnosti rozlíšiť Úloha funkcie riadenia potlačenia.
Odkazy na riadenie PID
1, proporcionálna (P) kontrola
Proporcionálna kontrola je jednou z najjednoduchších metód riadenia. Výstup jeho radiča je úmerný signálu vstupu chyby. Vo výstupe systému je chyba stabilného stavu, keď je k dispozícii iba proporcionálne ovládanie. Výstupný signál ovládača je úmerný signálu odchýlky, to znamená, že pokiaľ dôjde k odchýlke, výstup regulátora sa okamžite zmení v pomere k odchýlke, takže rýchlosť odozvy regulácie P je veľmi rýchla .
Regulácia P môže odrážať zmeny v systéme v čase, ale nemôže úplne eliminovať odchýlku systému, preto, ak sa použije iba regulácia P v skutočnom riadiacich procesoch, systém vytvorí zvyšky, zvýšenie K p môže tento systém dosiahnuť Odchýlka je znížená, ale v skutočnosti, ak je K - D príliš veľký, povedie k nestabilite systému.
2, integrál (i) riadenie
V integrálnom riadení je výstup regulátora úmerný integrálu signálu vstupnej chyby. V prípade automatického riadiaceho systému, ak po vstupe do ustáleného stavu dôjde k chybe stabilného stavu, je údajne riadiaci systém chybu v ustálenom stave alebo jednoducho diferenciálny systém.
Na odstránenie chyby v ustálenom stave sa musí do radiča zaviesť „integrálny termín“. Integrovaný termín integruje chybu v závislosti od času a zvyšuje sa so zvyšujúcim sa časom. Teda, aj keď je chyba malá, integrálny termín sa časom zvyšuje a riadi výstup ovládača na zvýšenie, aby sa chyba ustáleného stavu ďalej znížila, až kým nebude blízko nuly.
Regulátor proporcionálneho + integrálu (PI) preto umožňuje systému vstúpiť do ustáleného stavu bez takmer žiadnej chyby v ustálenom stave. Veľkosť integrálneho času určuje silu integrálneho efektu, tým väčší je integrálny čas, tým slabší je integrálny efekt, čo vedie k zvýšeniu množstva prekročenia systému; Čím silnejší je integrálny účinok, naopak, je náchylný na to, aby spôsobil osciláciu systému.
3, diferenciálna (D) kontrola
Pri diferenciálnom riadení je výstup regulátora a diferenciál signálu vstupného chyby (tj rýchlosť zmeny chyby) úmerný vzťahu. Automatický riadiaci systém na prekonanie chyby v procese regulácie môže byť oscilujúci alebo dokonca destabilizácia. Dôvodom je prítomnosť veľkej zotrvačnosti (odkaz) alebo hysteréznej komponentu, ktorá má za následok potlačenie chyby a ktorej zmeny vždy zaostávajú za zmenami chyby.
Riešením je urobiť zmenu potlačenia chyby „dopredu“, tj, keď je chyba blízko nuly, potlačenie chyby by malo byť nulové. To znamená, že v kontroléri iba zavedenie „proporcionálneho“ pojmu často nestačí, úlohou proporcionálneho pojmu je iba zosilnenie rozsahu chyby a potreba zvýšiť „diferenciálny termín“, ktorý môže Predpovedajte trend zmien chýb, takže ovládač s proporcionálnym + diferenciálom bude schopný vopred vykonať kontrolu potlačenia chýb. Týmto spôsobom môže byť ovládač s proporcionálnym + diferenciálom vykonaný vopred, aby inhiboval kontrolu chyby, sa rovná nule alebo dokonca negatívne, čím sa zabráni vážnemu prekročeniu kontrolovaného množstva.
Preto pre riadený objekt s veľkou zotrvačnosťou alebo hysterézou môže proporcionálny+diferenciálny (PD) radič zlepšiť dynamické charakteristiky systému v regulačnom procese. oscilácia výstupu riadeného objektu a skrátenie času odozvy systému, čo zlepšuje dynamické charakteristiky systému. Príliš veľké TD však zníži schopnosť potlačiť interferenčné signály.
4, ovládanie PID
Najzaujímavejšia kontrola, keď proporcionálny-integrálny zákon o regulácii, ktorý stanovuje dĺžku troch: obidve úmerné úlohy v včasnom a rýchlom, ale aj integrálnej úlohe eliminácie zvyškového rozdielu v schopnosti mať diferenciálny diferenciálny Úloha kontrolnej funkcie vopred.
Keď sa objaví úspory odchýlky, diferenciál môže okamžite a výrazne konať, inhibovať odchýlku tohto skoku: Proporcionálne zároveň zohrávajú úlohu pri eliminovaní odchýlok, takže sa zníži amplitúda odchýlky, pretože proporcionálna úloha je pretrvávajúca a zohráva hlavné hlavné úloha v kontrolnom zákone, aby bol systém stabilnejší: a integrálna úloha zvyškového rozdielu pomaly prekonáva. Pokiaľ sú správne vybrané tri úlohy kontrolných parametrov, môžete dať plnú hru výhodám troch zákonov o kontrole, aby ste získali ideálnejší kontrolný efekt.
Preto, pokiaľ je možné tieto tri úlohy primerane zladiť, môžete dosiahnuť rýchly a presný a hladký regulačný výkon, aby ste dosiahli vynikajúce výsledky kontroly, čo je kúzlo regulácie PID.
5, parametrizácia
Parametrizácia radiča PID je jadrom návrhu riadiaceho systému. Je založený na charakteristikách procesu, ktorý sa má riadiť, aby sa určil mierkový faktor regulátora PID, integrálny čas a veľkosť diferenciálneho času.
Metódy nastavenia parametrov parametrov PID, zhrnuté v dvoch kategóriách: jedna je teoretický výpočet metódy nastavenia. Založená hlavne na matematickom modeli systému po teoretických výpočtoch na určenie parametrov radiča. Vypočítané údaje získané touto metódou sa nemôžu použiť priamo, ale aj skutočnými úpravami a úpravami inžinierstva. Druhým je metóda inžinierskej kalibrácie, ktorá sa spolieha hlavne na inžinierske skúsenosti priamo v teste riadiaceho systému a metóda je jednoduchá, ľahko uchopiteľná, v inžinierskej praxi sa široko používa.
Parametre radiča PID inžinierskej metódy ladenia, najmä metóda kritického pomeru, metóda krivky odozvy a metóda útlmu. Tieto dve metódy majú svoje vlastné charakteristiky, spoločným bodom je test a potom v súlade s inžinierskym zážitkom z vzorca, aby sa parametre ovládača upravili. Ale bez ohľadu na to, ktorá metóda sa používa na získanie parametrov radiča, musí byť v skutočnej prevádzke konečnej úpravy a zlepšenia. Všeobecne sa používa metóda kritického pomeru. Použitie tejto metódy pre kroky ladenia parametrov PID sú nasledujúce:
(1) najprv vopred vyberte dostatočne krátke obdobie odberu vzoriek, aby systém fungoval;
(2) Pridajte iba proporcionálne riadiace spojenie, až kým sa v krokovej odozve systému nevyskytne kritická oscilácia na vstup, a v tomto čase si všimnite proporcionálny amplifikačný faktor a kritické obdobie oscilácie;
(3) Podľa určitého stupňa kontroly prostredníctvom vzorca na získanie parametrov regulátora PID.
Pri skutočnom uvedení do prevádzky je možné najskôr zhruba stanoviť empirickú hodnotu a potom upraviť podľa regulačného účinku.
Pre teplotný systém: p (%) {{{0}, i (body) 3 - 10, d (body) 0. 5 - 3
Pre tokový systém: p (%) {{0}, i (min) 0. 1--1
Pre tlakové systémy: p (%) {{0}, i (min) 0. 4--3
Pre systémy na úrovni kvapaliny: p (%) 20--80, i (min) 1-5
Neznie to trochu ťažko pochopiteľné? Požiadajme Ming, aby nám to vysvetlil.
Ming dostal úlohu: uniká nádrže na vodu a rýchlosť úniku je variabilná, ale hladina vody je potrebná na udržanie výšky hladiny vody v určitej polohe, akonáhle sa zistí hladina vody Ako požadovaná poloha musíte do nádrže na vodu pridať vodu.
Začiatok Xiaoming s ponorom na pridanie vody, faucet z nádrže má vzdialenosť viac ako desať metrov, často musí bežať niekoľkokrát, aby sa pridal dostatok vody, takže Xiaoming a zmenený, aby sa použil vedro na pridanie vedra, plus je vedro, beží menejkrát a rýchlosť vody je tiež rýchla, ale niekoľkokrát sa podá nádrže, aby som niekoľkokrát pridal prepad náhodného mokra, xiaoming a brainstorming, ja nie Používajte dipper a nie vedro, starý muž s povodím niekoľkokrát dole, zistil, že je to správne, nemusíte bežať príliš mnohokrát a nenecháva vodu pretekať. Zistil som, že je to správne, nemusel som bežať príliš mnohokrát, a nedovolil som pretečenie vody. Táto kontrolná doba sa nazýva obdobie odberu vzoriek.
Na začiatku Xiaoming s ponorom na pridanie vody má faucet z nádrže na vodu vzdialenosť viac ako desať metrov, často musí bežať niekoľkokrát, aby pridal dostatok vody, takže Xiaoming a potom sa zmenil, aby použil vedro na pridanie vedra , Plus je vedro, beží menejkrát, rýchlosť vody je tiež rýchlejšia, ale niekoľkokrát sa podá nádrže, aby sa niekoľkokrát pridalo prepad náhodného mokra, xiaoming a brainstorming, Nepoužívam dipper a nepotrebujem sudy, starý muž s povodím, niekoľkokrát zistil, že je to správne, nemusíte bežať príliš mnohokrát, tiež nenecháva vodu pretekať. Nepotrebujem bežať príliš mnohokrát a nechcem, aby voda pretekala. Veľkosť tohto nástroja na pridávanie vody sa nazýva koeficient proporcionality.
Spoločnosť Xiaoming tiež zistila, že hoci voda neprepadá, niekedy by bola vyššia ako požadovaná poloha, a stále existuje nebezpečenstvo, že mu topánky navlhčujú. Prišiel so spôsobom, ako nainštalovať lievik do nádrže na vodu, zakaždým, keď pridáte vodu, sa naleje priamo do nádrže, ale nalial sa do lievika, aby ho nechal pomaly pridať. Tento problém pretečenia sa vyriešil, ale rýchlosť pridávania vody a pomaly a niekedy nemôže dohnať rýchlosť úniku. Preto sa pokúsil zmeniť lievik rôznych veľkostí a priemerov, aby reguloval rýchlosť pridávania vody, a nakoniec našiel uspokojivý lievik. Čas lievika sa nazýva integrálny čas.
Xiaoming konečne vydýchol úľavu, ale požiadavky úlohy náhle prísne, včasnosť požiadaviek na kontrolu hladiny vody sa výrazne zlepšila, akonáhle je hladina vody príliš nízka, musíte okamžite pridať vodu do požadovanej polohy a nemôžete Buďte príliš vyšší alebo neplatíte mzdy. Xiaoming opäť ťažké! Takže otvoril svoj mozog, nakoniec ho nechal vymyslieť spôsob, často vložil hrniec náhradnej vody na bok, keď sa zistí, že hladina vody je nízka, nie cez lievik je hrniec vody dole, takže včasnosť Je zaručená, ale hladina vody bude niekedy oveľa vyššia. Požiadal tiež o umiestnenie povrchu vody nad bodom, ktorý bude vyrezaný otvor vo vode a potom pripojí potrubie k spodnej časti náhradného vedra, takže z hornej časti otvoru vyteká viac vody. Rýchlosť, pri ktorej táto voda vyteká, sa nazýva diferenciálny čas.
Príbeh Mingovho experimentu je krok za krokom nezávislý, ale skutočný vodný náradie, lievikový kalibr, veľkosť pretečovacieho otvoru súčasne ovplyvní rýchlosť vody, veľkosť prekročenia hladiny vody, urobí Zadná časť experimentu musí často zmeniť zmenu výsledkov predchádzajúceho experimentu.
Ľudia s ovládaním PID s kanvicou do šálky vody vytlačenej stupnicou pol šálky vody po zastávke
Nastavená hodnota: polovičná šálka šálky vody;
Skutočná hodnota: Skutočné množstvo vody vo vode;
Výstupné hodnoty: množstvo vody vyliatej z kanvice a množstvo vody nabehnutej z pohára;
Meranie: ľudské oči (ekvivalentné senzorom)
Popravný objekt: človek
Pozitívne vykonanie: nalievanie
Kontrachóza: naberanie
1p proporcionálna kontrola, to znamená, že ľudia vidia množstvo vody v pohárik Voda v šálke vody na stupnici, s určitým množstvom vody z natiahnutej šálky vody, táto jedna akcia môže mať za následok menej ako pol šálky alebo viac ako pol šálky na zastávke.
POZNÁMKA: P PROPORINčné riadenie je jednou z najjednoduchších metód riadenia. Výstup jeho radiča je úmerný signálu vstupu chyby. Existuje chyba v ustálenom stave na výstupe systému, keď je k dispozícii iba proporcionálne riadenie.
2PI integrálna kontrola, tj podľa určitého množstva vody do pohára vody, ak zistíte, že množstvo vody v šálke nemá stupnicu, stále nalievate a potom zistíte, že množstvo vody je viac ako pol šálky, voda naberala z šálky von a potom opakovane nestačila na naliatie vody a viac naberala, až kým množstvo vody nedosiahne stupnicu.
POZNÁMKA: V Integral I Control je výstup regulátora úmerný integrálu signálu vstupu chyby. V prípade automatického riadiaceho systému, ak po vstupe do ustáleného stavu dôjde k chybe stabilného stavu, je údajne riadiaci systém chybu v ustálenom stave alebo jednoducho systém s chybou ustáleného stavu (systém so stálym stavom). Na odstránenie chyby v ustálenom stave sa musí do radiča zaviesť „integrálny termín“. Integrálny termín integruje chybu v závislosti od času a zvyšuje sa s časom. Teda, aj keď je chyba malá, integrálny termín sa časom zvyšuje a riadi výstup ovládača na zvýšenie, aby sa chyba ustáleného stavu ďalej znížila, až kým sa rovná nule. Regulátor proporcionálneho + integrálu (PI) preto umožňuje systému vstúpiť do ustáleného stavu bez chyby v ustálenom stave.
3pid diferenciálna kontrola, to znamená, ľudské oko pri pohľade na šálku vody a vzdialenosť od mierky, keď je medzera veľmi veľká, kanvica s veľkým množstvom vody, ktorá sa má naliať, keď ľudia vidia množstvo vody V blízkosti stupnice znížte výstup vody kanvice a pomaly sa blíži k stupnici, až kým sa nezastaví v šálke stupnice. Ak sa voda zastaví v presnej polohe stupnice, neexistuje žiadna statická diferenciálna kontrola; Ak sa zastaví v blízkosti stupnice, existuje statická diferenciálna kontrola.
Poznámka: V diferenciálnom riadení D je výstup regulátora úmerný diferenciálu signálu vstupu chyby (tj rýchlosť zmeny chyby).
V inžinierskej praxi, najčastejšie používanom zákone o regulátoroch regulátora pre proporcionálnu, integrálnu, diferenciálnu kontrolu, označovanú ako reguláciu PID, tiež známe ako regulácia PID.PID Riadiacat je zavedený takmer 70 rokov histórie, je to jednoduchá štruktúra, dobrá stabilita, Spoľahlivé, ľahko prispôsobiteľné a stali sa jednou z hlavných technológií priemyselnej kontroly.
Ak sa štruktúra a parametre riadeného objektu nemôžu úplne zvládnuť alebo nemajú prístup k presným matematickým modelom, teória riadenia iných technológií je ťažké použiť, štruktúra a parametre ovládača systému sa musia spoliehať na skúsenosti a ladenie poľa Aby sme určili, kedy je aplikácia technológie riadenia PID najpohodlnejšia.
Ovládač PID
Ovládače PID sa široko používajú pri riadení priemyselného procesu. Približne 95% operácií s uzavretou slučkou v priemyselnej automatizácii používa radiče PID. Ovládač je kombinovaný takým spôsobom, že generuje riadiaci signál. Ako ovládač spätnej väzby poskytuje riadiaci výstup na požadovanú úroveň. Pred vynálezom mikroprocesorov implementovala analógová elektronika riadenie PID. Ale dnes sú všetky radiče PID riešené mikroprocesormi. Programovateľné logické radiče majú tiež vstavané pokyny pre radič PID.
Použitím lacného jednoduchého ovládača prepínania sú možné iba dva kontrolné stavy, napríklad plné alebo plné. Používa sa pre aplikácie s obmedzenou kontrolou, kde tieto dva kontrolné stavy sú dostatočné na kontrolu cieľa. Oscilačná povaha tohto riadenia však obmedzuje jeho použitie, a preto je nahradená regulátormi PID.
Ovládače PID udržiavajú výstup tak, že medzi procesnou premennou a požadovaným výstupom je nulová chyba prostredníctvom operácie s uzavretou slučkou.PID používa tri základné riadiace správanie, ktoré sú vysvetlené nižšie.
P-Controller:
Proporcionálny alebo p-kontrolér poskytuje výstup úmerný aktuálnej chybe E (t). Porovnáva požadovanú alebo nastavenú hodnotu so skutočnou hodnotou procesu alebo spätnej väzby. Získaná chyba sa vynásobí konštantou proporcionality, aby sa dosiahol výstup. Ak je hodnota chyby nula, tento výstup regulátora je nula.
Tento ovládač musí byť pri používaní sám o sebe skreslený alebo manuálne resetovaný. Je to preto, že nikdy nedosiahne ustálený stav. Poskytuje stabilnú prevádzku, ale vždy udržiava chybu stabilného stavu. S rastúcou proporcionálnou konštantou KC sa zvyšuje rýchlosť odozvy.
I-Controller
Pretože P-Controller má vždy odchýlku medzi procesnou premennou a nastaveným bodom, je potrebný I-Controller, ktorý poskytuje potrebné kroky na odstránenie chyby ustáleného stavu. Integruje chybu po určitú dobu, až kým hodnota chyby nedosiahne nulu. Udržiava hodnotu nulovej chyby pre konečnú riadiacu jednotku.
Ak dôjde k zápornej chybe, integrálna kontrola znižuje svoj výstup. Obmedzuje rýchlosť reakcie a ovplyvňuje stabilitu systému. Rýchlosť odozvy sa zvyšuje znížením integrálneho zisku KI.
Na vyššie uvedenom obrázku sa chyba ustáleného stavu znižuje so znižovaním zisku radiča I. Z väčšej časti sú ovládače PI obzvlášť užitočné v situáciách, keď sa nevyžaduje vysoká rýchlosť odozvy.
Keď sa použije ovládač PI, výstup i-kontroléru je obmedzený na mieru, ktorá prekoná integrálnu saturáciu, kde je integrálny výstup vylepšený, aj keď sa stav nulovej chyby zvýši v dôsledku stavu nelinearity v uvedenej rastline.
dontrolovateľ
I-Controller nemá schopnosť predpovedať nesprávne budúce správanie. Akonáhle sa nastavený bod zmení, normálne reaguje. Tento problém prekonáva tento problém predpovedaním chybného budúceho správania. Jeho výstup závisí od rýchlosti zmeny chyby vzhľadom na čas, vynásobený diferenciálnou konštantou. Poskytuje spustenie výstupu, ktorý zvyšuje reakciu systému.
Na vyššie uvedenom obrázku má ovládač D viac odozvy ako ovládač PI a skráti sa čas hromadenia výstupu. Zlepšuje stabilitu systému kompenzáciou fázového oneskorenia spôsobeného radičom I. Zvýšenie diferenciálneho zisku zlepší reakciu.
Úloha radiča PID
Úloha proporcionálnej regulácie
Proporcionálna reakcia na odchýlku systému, keď sa systém odchýli, proporcionálna regulácia okamžite vyvolá reguláciu na zníženie odchýlky. Veľká proporcionalita môže urýchliť úpravu a znížiť chybu, ale príliš veľký podiel spôsobuje zníženie stability systému a dokonca spôsobí nestabilitu systému.
Integrálna regulácia
Vďaka tomu, že systém eliminuje chybu v ustálenom stave a zlepšuje stupeň nediferencie. Pretože sa vyskytuje chyba, integrálna regulácia sa vykonáva, až kým nedôjde k rozdielu, integrálna regulácia sa zastaví a integrálna regulácia výstupuje konštantnou hodnotou. Sila integrálneho efektu závisí od integrálnej časovej konštanty Ti, tým menšia Ti je, tým silnejší je integrálny efekt. Naopak, ak je TI veľký, integrálny efekt je slabý a pridanie integrálnej regulácie môže znížiť stabilitu systému a dynamická reakcia sa stane pomalšou.
Diferenciálna regulácia
Diferenciálne pôsobenie odráža rýchlosť zmeny signálu odchýlky systému s predvídateľnosťou, môže predvídať trend zmien odchýlky, takže môže vytvárať pred kontrolnou úlohou v odchýlke, ktorá sa predtým nevytvorila, bola eliminovaná diferenciálnou reguláciou. Diferenciálny účinok na rušenie hluku má zosilňovací účinok, takže príliš silná plus diferenciálna regulácia, systém nie je dobrý pre anti-interferenciu.
Smer o vývoji aplikácie PID
Vo výrobnom procese, aby sa zlepšila kvalita produktu, zvýšila výrobu, šetrenie surovín, riadenie výroby a výrobný proces je vždy v optimálnom pracovnom stave. Preto sa vytvára metóda optimálnej kontroly, ktorá sa nazýva adaptívna kontrola. V tomto type riadenia je systém povinný automaticky upravovať systém podľa zmien v nameraných parametroch, prostredí a nákladov na suroviny, takže systém je vždy v optimálnom stave. Adaptívna kontrola pozostáva z troch komponentov: odhad výkonnosti (diskriminácia), rozhodovanie a modifikácia. Je to vývojový smer riadiaceho systému mikropočítačov. Pretože však zákon o kontrole je ťažké pochopiť, takže problém s niektorými ťažko vyriešim problém. Do adaptívneho riadenia PID prichádza s niektorými inteligentnými funkciami, napríklad živé tvory sa môžu prispôsobiť zmenám vonkajších podmienok. K dispozícii je tiež systém samoliečenia, je inteligentnejší.