שליטה ב-Integral-Derivative (PID) נותרה אחת ממנגנוני משוב הפרוסים ביותר באוטומציה התעשייתית.למרות הופעת אסטרטגיות בקרה מתקדמות, בקרים PID ממשיכים להיות עמוד השדרה של אינספור מערכות, החל מתחנות טמפרטורה פשוטות ועד מניפולטורים רובוטיים מורכבים.

המונחים: PID Control

בקר PID מחשב באופן קבוע ערך שגיאה:0e(t)FLT:1 כההבדל בין נקודת המוצא הרצויה (SP) לבין משתנה תהליך נמדד (PV).הבקר חל תיקון בהתבסס על תנאים פרופורציונליים, אינטגראליים ונגזרים, אשר ביטא בצורה המקבילה הסטנדרטית:

(ב) ויקרא י"א): "וַיְּהַּהְמַרְתָּבְהִיתִיתִיתִיתִיתִיתִיתִי" (בראשית כ"ד)

כל מונח מתייחס לפן מסוים של תגובת המערכת, בחירת ערכי הרווח הנכונים - KFillo:0.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.

תגובה מקצועית (P)

המונח היחסי מייצר פלט שהוא פרופורציה ישירה לשגיאה הנוכחית.אם תהליך משתנה רחוק מהנקודה, התיקון חזק; ככל שהמשתנה מתקרב למטרה, התיקון מצטמצם.

עם זאת, בקר פרופורציונלי בלבד כמעט תמיד משאיר טעות של מדינה יציבה, או התחלה. זה קורה כי טעות לא אפס נדרש כדי לקיים פלט לא אפס כאשר המערכת נמצאת באיזון.הגדלה של הרווח היחסי KFLT:0puaFLT:1 מקטין את גודל ההתחלה הזו, אך יכול לדחוף את המערכת לכיוון חוסר יציבות, גרימת תנודות או אפילו התנהגות מהירה, הוא מקבל מספיק כדי לספק פריימים.

הלהקה היחסית, אשר לעיתים קרובות באה לידי ביטוי כאחוז מהטווח המלא, היא דרך חלופית לתאר את אותה אפקט - היא מגדירה את טווח השגיאה שעליו תפוקת הבקר נעה בין 0% ל-100%. להקה פרופורציונלית צרת תואמת לרווח פרופורציונלי גבוה יותר.

תגובה פנימית (I)

המונח האינטגראלי מצטבר שגיאות העבר לאורך זמן.המטרה העיקרית שלו היא לחסל את ההתחלה של המדינה היציבה ששליטה פרופורציונלית לבדה אינה יכולה לתקן.אפילו שגיאה זעירה, מתמשכת תגרום בסופו של דבר להחדיר את התפוקה שלה עד שהמערכת תגיע לנקודת המוצא בדיוק.

היכולת הזאת לנהוג שגיאות לאפס מגיעה עם משיכה משמעותית: רוח אינטגרלית.אם הטור סיטוהטים (לדוגמה, שסתום מגיע לעמדה הפתוחה לחלוטין), האינטגרטור ממשיך לצבור טעות, פוטנציאל לבנות ערך מאוחסן גדול.כאשר השגיאה סוף סוף סוף מסיט את השלט, הבקר חייב "לא-wind" ערך שנצבר לפני הפלט מן השכובש, גורם לפעימה משמעותית על פני פתרון ועיכוב, כגון אינטגרציה מעשית, כמו אינטגרציה, כמו אינטגרציה או תיקון, כמו אינטגרציה, או אינטגרציה מעשית.

(ה) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

תגובה דרביטיבית (D)

המונח נגזר צופה שגיאה עתידית בהתבסס על שיעור השינוי הנוכחי שלה.על ידי תגובה למדרון אות השגיאה, המרכיב הנגזר מוסיף אפקט לחות כי נגד שינויים מהירים, צמצום פני השטח וסידור זמן.פעולה אמפטקטית זו יכולה לשפר באופן משמעותי את יציבותה של מערכת סגורה-לופ, במיוחד בתהליכים עם אינרציה משמעותית או lag.

בפועל, מונח נגזר חייב להיות מיושם בזהירות. אותות מדידה בעולם האמיתי מכילים רעש, ובדלנות מגביר רעש גבוה ⁇ באופן דרמטי. פלט נגזר רועש יכול לגרום תנועות פעולה לא סדיר, ללבוש מוגזם, איכות שליטה מוזנחת. רוב המימוש מעשי מסנן את המונח נגזר או להשתמש מסנן נמוך על המשתנה לפני המבדילה.

(הפעולה העקרונית היא לעתים קרובות לקויה (KirFLT:0digtureFLT:1 ) = 0) במערכות עם חיישנים רועשים או היכן שהדינמיקה של התהליך מובנת בצורה גרועה.בהרבה לולאות תעשייתיות, במיוחד אלה עם עיכובים ארוכים, פעולה נגזרת מספקת תועלת מינימלית ויכולה למעשה לייעל את המערכת אם לא היה מתאים כראוי.

כיצד שלושת התנאים פועלים יחד

הכוח האמיתי של שליטה PID עולה מן המשחק של כל שלושת המרכיבים.בבקר מתואם היטב, המונח היחסי מספק את עיקר הכוח התקין, המונח האינטגראלי מבטל כל שאר המרכיבים, והמונח הנגזר מנקה יתר על פני פתרון ומשפר תגובה טרנספורמטיבית.אפקט המשולב נותן פעולה חלקה, מדויקת ותגובה שמתאימה לשינויים בתנאים.

בהתחשב בלולאה בקרת טמפרטורה לתנור תעשייתי.כאשר הדלת של התנור נפתחה, הטמפרטורה יורדת בחדות.המונח היחסי דורש תיקון גדול המבוסס על השגיאה הגדולה.המונח הנגזר, החישה את המדרונות כלפי מטה המהיר, מוסיף פלט נוסף כדי למנוע את הירידה, להפחית את העודף תחת ההפחתה, כמו הטמפרטורה מחלימה וגישות את נקודת המוצא, את המונח היחסי מופחת, ואת המונח הנגזר מסייע overshoot על ידי צמצום מוקדם של כל תפוקה, במהירות, או ירידה אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט

בפועל, לא כל שלושת המונחים משמשים תמיד. p-רק בקרים נפוצים ביישומים שבהם ה- offset מקובל או היכן שהתהליך הוא בעל רגולציה עצמית מטבעו של עצמו. . PI בקרים (ללא נגזרות) הם הנפוצים ביותר בתעשייה כי הם מבטלים את ההתחלה ללא הרגישות וההנעה של פעולה נגזרת.

יישומים ברחבי המגזרים התעשייתיים

בקרים PID נמצאים כמעט בכל תעשייה שמנהלת תהליך מתמשך.הגמישות והעוצמה שלהם הופכים אותם מתאימים ליישומים החל משליטה טמפרטורה פשוטה על-off למקם במהירות גבוהה.

בקרת טמפרטורה

ייתכן שהיישום המוכר ביותר הוא רגולציה טמפרטורה בזעם, תנורים, חילופי חום, וכורים כימיים. PID בקרים לשמור על טמפרטורות תהליכים בתוך סובלנות הדוקה על ידי התאמת אלמנטים חימום, מערכות קירור, או עמדות שסתום. בייצור מוליכים למחצה, למשל, אחידות בתוך שבריר של תואר היא קריטית לעיבוד, ויישומים מיוחדים PID עם כוונון מותאמים הם סטנדרטיים.

זרימה ובקרה בלחץ

במערכות צינורות, צמחים כימיים ומתקני טיפול במים, בקרי PID מסדירים את שערי זרימת הדם ואת הלחץ על ידי התאמת מהירויות משאבה או פתחי שסתום.בקרת לחץ במערכות קיטור צינורות גז דורש תגובה מהירה למנוע תנאים מסוכנים; פעולה נגזרת משמשת לעתים לצפות שינויים בלחץ מהיר הנגרמים על ידי שינויים עומס.

מהירות מנוע ובקרת מיקום

כוננים בתדר משתנה (VFDs) עבור מנועים חשמליים בדרך כלל להשתמש בשליטה PID כדי לשמור על מהירויות מדויקות תחת עומסים משתנים.ברובוטים ומכונות CNC, לולאות בקרה מיקום - לעתים קרובות מתקפל עם מהירות ו הלולאות נוכחיות - באופן מיידי על אלגוריתמי PID כדי להשיג מיקום מדויק עם זמן מינימלי התיישבות.ה נגזרת הוא בעיקר ערך בשליטה בתנועה כדי להפחית את ההשפעה כאשר העומס בעומס הוא משמעותי.

בקרת רמות

בקרת רמת טנקים בעיבוד כימי, מיצוי שמן וניהול מים לעתים קרובות משתמשת בקרים PI. דרביטיבי פעולה מוחל לעתים נדירות בלולאות רמות כי מדידות רמה נוטים להיות רועשים ואת הדינמיקה התהליך הם איטי יחסית.עם זאת, בטנקים עלייה שבו שינויים ברמות מהירות יש לנהל, שליטה מלאה PID עשוי להיות מועסקים כדי להחליק שינויים.

HVAC ו-Build Automation

מערכות מיזוג, אוורור ומיזוג אוויר מסתמכות על שליטה ב- PID כדי לשמור על סביבות הפנימיות נוחות.בקרת טמפרטורה של אזור, פיקוח על לחץ סטטי ורת קרום מים מצמררים את כל היתרונות מאלגוריתמים של PID. מערכות ניהול בנייה מודרנית לעתים קרובות ליישם בקרים דיגיטליים PID עם תכונות כוונון אוטומטי כדי לפשט את העמלה.

כוונון PID

(ה) ב[[1924]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]] [[1924]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]] [[1924]]]]]]]] [[1924]]]]]]]] [[1924]]]]]]]]]] [[1924]]]]]]]] [[1924]]]]]]]]]] [[1924]] [[1924]] [[[[1924]] [[1924

שיטות כוונון

[ה] גישה לניסוי וטרור כוללת התאמה של פרמטר אחד בכל פעם, תוך התבוננות בתגובה למערכת.רצף משותף הוא להגדיל את KIRFLT:0pcioFLT:1 עד שהמערכת oscillates באמפליטודה קבועה, ולאחר מכן להציג את KibFLT:2iFLT 3: 3 כדי לחסל את ההתחלה, ולבסוף להוסיף KFLT:4FLT:5 מנקה:5n-זמנית, אך יש צורך לעבוד עם הזמן, אך הוא יכול להיות בעל ניסיון טוב יותר, אך הוא צריך להיות בעל ניסיון, אך הוא צריך להיות בעל ניסיון טוב, אך הוא צריך להיות בעל ניסיון.

זיגלר-ניקוהולס טונינג

[ה] שיטת זיגלר-ניקולס, שפותחה בשנות ה-40, נותרה אחת הגישות המובנות ביותר.בגרסה הסגורה, הרווחים האינטגראליים והנגזרים מוגבלים, ו-KirFLT:0pFLT:1 גדל עד שהמערכת שומרת על אוכפים עם מחסנים קבועים.

הגרסה הפתוחה, הידועה גם כשיטת עקומת התהליך, חלה על שינוי צעד לתפוקת הבקר ורשומות התגובה.התהליך מת זמן L, זמן קבוע T, והשגת K מופקים מתגובה של הצעד, ופרמטרי ההיגוי מתכנסים בהתאם. Ziegler-Nichols כוונו לעתים קרובות מספק הגדרות ראשוניות סבירות, אם כי זה נוטה לייצר תגובות אגרסיביות עם כ-25%, אשר מוצאים תהליכים רבים.

משאבים חיצוניים מספקים הדרכה מפורטת ליישום זיגלר-ניקולס כוונון עבור סוגים שונים של תהליכים.לסבר יסודי של ההליך ואת ההסתגלויות המודרניות שלו, מתייחס למשאבים כגון מדריך התחנה של FLT:0Control לתחנת Ziegler-Nichols tuningFLT:1 אשר מכסה הן גרסאות פתוחות וסגורות.

כהן-קוון טונינג

מתפתח לתהליכים עם זמן מת משמעותי, שיטת כהן-קוון מייצרת רווחים שנותנים תגובה מהירה יותר מאשר זיגלר-ניקולס, אם כי עם יותר overshoot. גישה זו מתאימה במיוחד לתהליכים המסדירים את עצמם, שבהם התאוששות מהירה מהפרעות היא חשובה יותר מאשר צמצום פתרון יתר.

לגדה טונינג

Lambda tuning, הידוע גם בשם בקרת מודל פנימי (IMC) כוונון, נועד תגובה חלקה יותר, חזקה יותר על ידי הגדרת קבוע זמן רב-לשוני סגור (lambda) לערך הרצוי. שיטה זו מפחיתה overshoot ו- Actuator ללבוש אבל תוצאות תגובה איטית יותר בהשוואה לשיטות כוונון אגרסיביות.זה מאומצת באופן נרחב בתהליך שבו יציבות וציוד ארוך הם לפני מהירות גולמית.

Auto-Tuning ו-PID

בקרים דיגיטליים מודרניים ובקרי לוגיקה הניתנים לתוכנה (PLCs) כוללים לעתים קרובות יכולות כוונון אוטומטי.הבקר מסובב באופן זמני את התהליך, מנתח את התגובה, ובאופן אוטומטי חישוב רווחים מתאימים PID. חלק מהמערכות משתמשות באלגוריתמים הסתגלותיים המתאימים באופן מתמיד את הרווחים בתגובה לדינמיקה של תהליך שינוי, כגון תנאי עומס שונים או התנהגות לא ליניארית.

המאמר להנדסה של PID כוונון שיטות FLT (FLT:0) מספק מבט מעמיק יותר על הבורסות בין גישות נפוצות ומציע הדרכה על בחירת השיטה הנכונה לדרישות יישום שונות.

היתרונות של בקרת PID

הפופולריות המתמשכת של שליטה PID אינה מקרית.מספר הטבות מפתח להסביר את הדומיננטיות שלה באוטומציה תעשייתית.

  • (FLT:0) סרביות ושקיפות: יחס בין כל מונח לבין התגובה המערכת הוא אינטואיטיבי, מה שהופך את בקרים PID נגיש למהנדסים וטכנאים ללא הכשרה מיוחדת בתאוריה של שליטה.
  • (FLT:0) אמינות פרובן: 1 עשורים של שימוש תעשייתי אישרו את שליטת PID על פני אלפי יישומים.
  • (FLT:0)Ease of application:FLT:1 אלגוריתמים PID זמינים כפונקציות בנויות כמעט בכל PLC, DCS, ובקר תנועה.האלגוריתם ניתן ליישם באלקטרוניקה אנלוגית, קושחה משובצת או תוכנה.
  • (FLT:0)Broad Applicability: FLT:1 , PID שולט פועל ביעילות עבור תהליכים ליניאריים ויכול לספק ביצועים מקובלים עבור תהליכים לא ליניאריים רבים כאשר מכוון כראוי בשלב התפעול.
  • (FLT:0)Modifiable and extensible:cioFLT:1) שיפורים כגון משקל סט פוינט, הזנה פיצוי קדימה, בקרת קדמיה, ותזמון רווח הסתגלות ניתן לשכב על גבי המבנה הבסיסי PID כדי לטפל במגבלות ספציפיות.

גבולות ואתגרים

למרות החוזקות שלה, שליטה PID יש מגבלות ידועות כי מהנדסים חייבים להכיר.

מערכות לא ליניאריות

בקרים PID הם בקרים ליניאריים.כאשר הם חלים על מערכות עם לא ליניאריות משמעותיות - כגון ניטראליזציה pH, כורים אצווה או תהליכים עם רווחים משתנים - ביצועים מדרגות כמו נקודת ההפעלה .קבל תזמון או כוונון הסתגלות יכול להקטין את זה, אבל עלות המורכבות מוגברת.

זמן מת

פעמים גדולות (עיכובים חמורים) הן בעייתיות עבור שליטה ב- PID.הבקר מגיב לשגיאות שהתרחשו בעבר, מה שמוביל לתנודות וחוסר יציבות ככל שהרווחים יוגדלו.המניפסט סמית' וטכניקות פיצוי אחרות במשרה מתה ניתן להשתמש, אך מעבר ל- PID סטנדרטי לשטח בקרה מתקדם.

רגישות

פעולה דרביטיבית מגבירה רעש גבוה, כפי שנדון בעבר.גם עם סינון, מדידות רועשות דהויג ביצועים נגזרים והוא יכול לגרום צ'אטטור בפועל, הלולאות תעשייתיות רבות לרוץ ללא פעולה נגזרת מסיבה זו בלבד.

מספר רב של משתנים

עבור מערכות עם אינטנסיביות בין משתנים - כגון לחץ וזרימה בכלי שיט מקושרים, או טמפרטורה ולחות HVAC - לולאות PID ייחודי עלול להילחם אחד בשני. אסטרטגיות שליטה רב-קיימא כגון decoupling או מודל בקרה חיזוי מודל (MPC) מתאימים יותר במקרים אלה.

התקדמות מודרנית ב-PID Control

המחקר והפיתוח ממשיכים להרחיב את היכולת של בקרים PID. יישום דיגיטלי הציג תכונות מתוחכמות שהיו לא מעשיות עם חומרה אנלוגית.

המונחים: pID Implementation

בקרים המבוססים על מיקרו-מעבד מבצעים את אלגוריתם PID במרווחים של דגימה דיסקרטית.המונח האינטגראלי הוא משוער על ידי שילוב מספרי, והמונח הנגזר משתמש בהבדלים סופיים.שיקולים מעשיים מרכזיים כוללים מסננים נגדיות, בחירת קצב הדגימה, ו integer overflow הגנה.the Standard Locational Formal shapeal Form (אשר תפוקה את השליטה בסימן במקום את הערך המוחלט) יש יתרונות שונים.

« לוגיקה כוונון

בקרים לוגיים מטושטשים יכולים להתאים את הישגי PID בזמן אמת בהתבסס על כללים היסטריים שמקורם בחוויה המפעילה.לדוגמה, אם השגיאה גדולה ולהגדיל, להגדיל את KIRFLT:0pcioFLT:1 ו KLACLT:2duaFLT 3:2duaFLT 3: 3; אם השגיאה היא קטנה וירידה, להחזיק את הרווחים ההיברידיים הנוכחיים מציעים ביצועים לא חזקים במערכות זמן וארוכותרות.

המונחים: order

הכללת הסדר של המונחים האינטגראליים והנגזרים מ- integer לערכים שאינם אינטגרטיביים מניבה מעבדים PID (FOPID) בקרים נוספים של חירות (λ עבור הזמנה אינטגרלית, μ for נגזרת) מאפשר עיצוב בסדר גודל של תגובת התדירות, פוטנציאל להשיג ביצועים טובים יותר מאשר PID קונבנציונלי עבור תהליכים מסוימים.

Machine Learning-Assisted Tuning

עבודה חדשה חוקרת באמצעות חיזוק למידה ואופטימיזציה Bayesian לכוונון אוטומטי PID כוונון, במיוחד עבור תהליכים מורכבים שבהם שיטות מסורתיות נאבקות. גישות מונעות נתונים אלה יכולות לגלות שילובים אופטימליים ללא צורך במודלים של תהליכים מפורשים, אם כי הם דורשים משאבים חישוביים משמעותיים ואימות זהיר לפני הפריסה.

סקירה רחבה של התקדמות PID מודרנית מנקודת מבט אקדמית, ה-FLT:0IFAC PID Control Resources PageevolveFLT:1 מספקת קישורים למסמכים מחקר, השוואות ומחקרי מקרה תעשייתי.

מסקנה

שליטה PID רחוקה מיושנת.מאזן הפשטות והיעילות האלגנטי שלה הבטיח את מקומה כבחירה ברירת המחדל עבור אינספור יישומי בקרה תעשייתיים.הבנת התפקידים הייחודיים של המונחים היחסיים, האינטגראליים והנוגזרים – יחד עם השיקולים המעשיים של כוונון, רעש ושחיקה – חיוני לכל מי שמתכננים, שמירה או פתרון בעיות של מערכות בקרה אוטומטיות, בעוד שיטות בקרה חדשות יותר מציעות בתרחישים ספציפיים, ה- PID, לעתים קרובות, הן מוכיחות את הפתרונות היעילים את הפתרונות האוטומציה של העבודה היעילים ביותר.