Noisy Signal Çevreleri için Pid Tuning'deki Filtre Ayarlarının Rolü

Gürültülü sinyal ortamları içinde çalışan kontrol sistemleri, Proportional-Integral-Derivative (PID) kontrolörleri, filtre ayarlarını dikkatli bir şekilde dikkate alır ve kontrol döngüsü yoluyla filtreler ayarlamadan, erratic hareketlerine neden olur, pretreativative (PID) kontrol sistemleri, gürültülü ortamlar için PID ayarlarında filtre ayarlarının kritik rolünü araştırır.

PID kontrolörlerini ve Gürültü Etkisini Anlamak

Bir PID kontrolörü üç terime dayanan bir çıktıyı hesaplar: doğru, integral ve türev. Türbe terimi, özellikle yüksek frekanslı gürültüyü artırır, çünkü yüksek frekanslı gürültünün hızına yanıt verir. Gürültülü ortamlarda, hata sinyali gerçek işlem rahatsızlıkları olmayan hızlı dalgalanmalar içerebilir. Filtre olmadan, türev süresi agresif çıktı akışlara yol açabilir, osilasyonlara veya istikrarsızlığa yol açabilir.

Gürültü kaynakları, elektromanyetik müdahale (EMI), sensörlerin titreşimi, analog-dijital dönüştürücülerden gelen hataları ve yüksek frekanslı proses rahatsızlıkları içerir. Endüstriyel ortamlarda, bu tür gürültü yaygın ve yüksek çözünürlükte kontrol performansından kaçınmak için azaltılmalıdır. Filtre ayarlarının ilk satırı olarak yapılması gerekir, kontrolörler üzerinde yapılan sinyalleri kontrol eylemlerinden önce.

Türvatif Kick ve Gürültü Amplification

PID kontrolündeki iyi bilinen bir konu, "derivative Kick", ayar noktasında aniden veya gürültülü bir artış, büyük bir türev çıkışına neden oluyor. gürültülü ortamlarda, hatta küçük yüksek frekanslı dalgalanmalar yüksek frekanslı dalgalanmalar limitli bir gürültüyü üretebilir, çünkü kazanç frekansı ile artar.

PID Tuning'deki Filtre Ayarlarının Önemi

Filtre ayarları, kontrolörün tepki verdiği frekansın aralıkını belirler. Yüksek frekanslı içeriği kullanarak filtreler, öncelikle ayarlı filtreleme aşamasına ve kontrol edilebilir gecikmelere veya yük rahatsızlıklarına yol açma gibi kontrolcülere yardımcı olur. Proper filtreleme, gürültü rezlüğü ve sistem yanıtlayıcısı arasındaki dengeye ulaşmak için gereklidir.Intrasyonel yüksek frekanslı içerik, jitter ve aşırı eylemci aktivitesine neden olur. Excessive filtreleme aşamasına ve kontrol edici gecikmelere yol açar.

Filtre zamanı sürekli veya kesici frekansı PID kazanımlar yanında bir ayar parametre haline gelir. Modern dijital kontroller genellikle her dönem için ayarlanabilir filtre parametrelerini veya işlem değişkeni girişi için. bu ayarların PID kazanımlarla nasıl etkileşime girdiğinin sistematik ayarlanması önemlidir.

PID Tuning'de Kullanılan Filtre Türleri

PID kontrol döngülerinde işaret etmek için çeşitli filtre türleri yaygın olarak kullanılır. Her biri gürültü özelliklerine ve sistem gereksinimlerine bağlı olarak güçlü ve ticari devrelere sahiptir.

Low-Pass Filtreleri

En yaygın filtre ilk sipariş düşük geçit filtresidir, genellikle işlem değişkenine (PV) giriş veya türk vadede yerleştirilir. transfer fonksiyonu transfer fonksiyonudur.

Filtreler (s) = 1 / ( ⁇ f s + 1)

⁇ f filtre zamanı sabittir. kesme frekansı fc = 1/(2 ⁇ f) Yukarıdaki Signals attenuated. Artr (düşük kesme) daha fazla gürültü sağlar, ancak N'nin genellikle 5 ve 20 arasında azalır.

Türvatif Filtreler

Birçok endüstriyel PID uygulamalarında, Türbe terimi de uygulanır

D (s) = Kd s / (Td/N s + 1)

Hangi doğal olarak düşük bir filtre içerir. parametre N yüksek frekanslı kazanç sağlar. Tipik N değerleri 5 ila 20 arasında değişir, daha fazla filtreleme sağlar ancak daha fazla faz gecikmesi sağlar. N çok düşük ayarlama, Türbe terimini etkisiz hale getirebilir; çok yüksek reintroduces gürültü hassasiyetini ayarlayın.

Hareketli Ortalama Filtreler

Dijital kontrolörler için, hareketli ortalama (veya ortalama çalıştırın) filtre, işlem değişkeni veya hata sinyalini periyodik gürültüyü ortadan kaldırmak için düzeltebilir, ancak hızlı döngüler için sorunlu olabilecek frekans bağlı bir faz değişikliğidir.

Kalman Filtre

Önemli gürültü veya sensör kalitesi zayıf olan sistemlerde, bir Kalman filtresi, bir süreç modeli ile gürültülü ölçümler birleştirerek optimal devlet tahminlerini sağlayabilir. Basit düşük seviyeli bir filtreden daha karmaşık olsa da, bir Kalman filtresi gürültü özelliklerini değiştirmek ve aşırı gecikmeyi sağlamadan çok daha iyi gürültü reddedilmesi sağlayabilir. Ancak, Kalman filtrelerinin makul bir şekilde doğru bir sistem modeli gerektirdiği ve havacılıkta, robotik ve ileri bir süreçtir.

Tamamlayıcı Filtreler

Farklı gürültü özellikleri olan birden fazla sensör mevcut olduğunda (örneğin, bir gyroskop ve birccelerometre), tamamlayıcı bir filtre çıktılarını kırabilir. Filtre bir sensörden düşük frekanslı içeriği bir sensör ve yüksek frekanslı içerikten başka bir şekilde çıkarır, temiz bir tahmin üretir. Bu standart bir PID filtresi değildir, ancak kontrol cihazının genişletilebilir.

Kontrollü ringde Filtreler Nerede Uygulanır

Filtre yerleştirme, kontrol cihazının gürültüye ve ayarlı değişikliklere nasıl tepki verdiğini etkiler. Ortak konumlar şunları içerir:

Süreç Değişkeni (PV) Filtreleme

Test edilen sinyaldeki gürültüyü önceki PV'yi filtreleyin. Bu, üç terim (P, I, D) eşit olarak etkiler, gürültü kaynaklı çıktı varyasyonlarını azaltır. Ancak, aynı zamanda gerçek süreç değişikliklerine cevabı yavaşlatır.

Türvatif Term Filtreleme

Özellikle, türev teriminde filtreyi sağlamak çoğu modern PID kontrolörlerinde standarttır.Bu, yüksek frekanslı gürültünün amplifikasyonu önlemek için tür kazanç sağlar.Bu filtre genellikle, tür zaman sabitine sabit bir ilişki vardır (örneğin, N faktör).

Setpoint Filtering

Setpoint değişiklikleri genellikle türev tekmeine neden olan keskin kenarlara sahiptir.Bir filtre veya yumuşak bir rampayı ayarlayan bir filtreye uygulayın, bu etkiyi gürültü reddedilmesi olmadan azaltılabilir. Bu bazen "setpoint ağırlıking" olarak adlandırılır ve tür filtrelerle birleştirilebilir.

Hata İşareti Filtreleme

Daha az yaygın, ancak hata sinyalini filtrelemek (setpoint eksi PV) hem sinyallerin gürültülü olduğu zaman yapılabilir. Ancak, set noktası temiz ve PV gürültülü ise, sadece PV'yi filtrelemek daha iyidir.

Noisy Çevreleri için Filtre Ayarları

PID kazanımlarla birlikte filtre ayarlarının yapılması, sistematik bir yaklaşım gerektirir. Gürültülü ortamlarda aşağıdaki stratejiler etkilidir:

Muhafazakar Filtreleme ile başlayın

nispeten düşük bir kesme frekansı (yüksek filtre süresi sabit) ve düşük N değeri (örneğin, N=5) ile başlayın. Bu, döngünün stabil olmasını sağlar ve eylemci hareketini azaltır. sonra yavaş yavaş kontrol frekansı veya N kontrol edilebilirliğini korurken.

Bump Testleri Assess Gürültü Frekansı için kullanın

Bir hata testi ( setpoint veya çıktıda küçük adım değişikliği) yaparken PV ve kontrolör çıktısını kaydeder. Mümkün olursa PV gürültünün frekansı içeriğini bir güç kullanarak algılamak için uygun filtre kesinti frekansı belirlemenize yardımcı olur.

Tune Filtre ve Bueratif Olarak Kazanın

Filtre ayarları ve PID kazanımlar birbirine bağlıdır. Daha yüksek bir filtre kesintisi (daha az filtreleme), kontrüksiyonun dengesizliğe neden olmasını gerektirir.Daha agresif filtreleme daha yüksek türev kazanımı sağlar, ancak integral kazancı veya daha sağlıklı bir şekilde artırmayı gerektirir.

Adaptif Filtreleme

Gürültü seviyeleri zaman içinde değişir (örneğin, farklı sensör ortamları veya elektromanyetik müdahale nedeniyle), a Adaptif filtreleme otomatik olarak filtre parametrelerini ayarlayabilir. Bir yaklaşım, gürültü değişkenlerini sürekli olarak tahmin etmek ve filtre süresini sabit bir şekilde ayarlamaktır. Başka bir yanı sıra bir tonlanabilir ölçüm gürültü kovarians ile bir filtre kullanmaktır. Adaptif yöntemler daha karmaşıktır, ancak en uygun performansları çeşitli koşullar arasında koruyabilir.

Monitorter Aktivite

Filtre etkinliğini değerlendirmek için faydalı bir ölçüm, eylemci görev döngüsü veya hareket frekansıdır.In valfleri, servolar veya motor sürücüleri, aşırı dithering yetersiz filtreleme gösterir. Dakika başına geri yükleme veya bozma olmadan geri yükleme ayarlarının başarısız olduğunu kontrol etmek için veri oturumunu kullanın.

Etkili PID ile Uygulamalı Filtreler için Pratik İpuçları

Simülasyon Araçlarını Ön Teklif için Kullanın

Canlı ekipmana uygulamadan önce, simülasyon yazılımında süreç ve gürültüyü modelleyin (örneğin, MATLAB/Simulink, Python kontrol kütüphanesi veya ticari ayar araçları ile). Simulate farklı filtre yapılandırmaları ve PID kazançlarını optimal bir ticaret-off bulmak için. Bu, gerçek ortamı taklit eden gürültüye dikkat edin - mevcutsa gerçek gürültülü verileri kullanın.

Derivative Filtre ile başlayın Sadece

Birçok durumda, sadece Türbe terimi (N faktörü kullanarak) yeterlidir. Gürültü hala orantılı veya integral şekillerde devam ederse, o zaman bir PV düşük geçit filtresi ekleyin. Over-filtering, kontrole gerçek rahatsızlıkları görmezden gelmek için neden olabilir, kötü performansa yol açabilir.

Filtre Zamanı Constant Relatally Small

Bir filtre zamanı çok büyük (düşük kesme) kontrol cihazı yapar.Bir başlangıç noktası olarak, işlemdeki en küçük zaman sabitinin %10'unu ayarlayın (eğer bilinemez)

Bir PI Controller'a geçiş yapmayı düşünün

Türev eylemi filtrelemeye rağmen kalıcı gürültü problemlerine neden oluyorsa, bunun yerine bir PI kontrolörünü kullanmayı düşünün. Derivative genellikle istenicidir ve gürültünün ciddi ve hızlı yanıtın gerekli olmadığı uygulamalarda ihmal edilebilir. Ancak, bu ticaret uzun ölü zamanlarda süreçler için stabiliteyi artırabilir, bu yüzden bu ticaret davayla değerlendirilmelidir.

Düzenli olarak Review System Performansı

Gürültü özellikleri, sensör yaşlanması, kablo bozulması veya yakınlardaki yeni ekipman nedeniyle değişebilir. PV gürültü seviyelerinin analizi, eylemci aktivitesi ve kontrol döngü ölçümleri içeren periyodik performans değerlendirmelerini ayarlayın.

Vaka Çalışmaları ve Örnekler

Vaka 1: Termo çift Gürültü ile Sıcaklık Kontrolü

Bir fırın sıcaklığı kontrol döngüsünde, her birkaç saniye boyunca sağlam bir şekilde düşük seviyeli bir filtreyi 2 saniye (kesin - 0.08 Hz) ve türevlerin 10 ila 5'e kadar indirmesine neden olan bir tür K termo çift, sağlam devlet röleğini kullanarak% 80 oranında yüksek frekanslı bir filtre üretti.

Vaka 2: Kimyasal Bitkide Akış Kontrolü

Manyetik bir akış kontrol döngüsü, sıvıdaki balonlardan gelen bir gürültü kullanarak. Türbe terimi, bazen türev uygulamasını saf bir PI kontrolörle değiştirdi ve 10 örnekle hareket eden ortalama bir filtre ekledi (toplama durduruldu).Bu örnek bazen tür bir noktaya kadar kaldı.

Vaka 3: Robotik Ortak Pozisyon Kontrolü

Robotik bir kolun ortakında, encoder ölçüm gürültüsü (düşük kodlayıcılara) hız tahminine (refer için kullanılan) son derece gürültülü olması için uygulandı. A Kalman filtresi hem pozisyon hem de gürültülü encoder okumalarından hız tahminleri sağladı.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Filtre ayarları, PID ayarlarının gürültülü sinyal ortamlarında vazgeçilmez bir bileşenidir. Filtre tipini dikkatlice seçerek (düşük, tür, ortalama veya Kalman), yerleştirme (PV, türleme veya veri kümesi) ve parametreleri (zaman sabit, N faktör, veya örnekleme penceresi), doğru bir şekilde yapılan ölçüm performansına yol açan sistemli bir ayar işlemi benimsemeye devam eder.

Daha fazla okuma için, [[0|Köpektif Kontrol: 0[Düzücüler) ile Kontrol[Düzücüler, [[Düzücüler:2|PID kontrolörü Wikipedia[Döneticiler) üzerine kurulup, ve pratik ayar kılavuzları [FONTT:2|Döneticileri) olarak kabul edilir.