Proportional-integral-derivative-integral-derivative Industrial Otomasyonda Kontrol

Proportional-Integral-Derivative (PID) kontrolü, endüstriyel otomasyondaki en yaygın olarak kullanılan geri bildirimler mekanizmalarından biri olarak kalır. Gelişmiş kontrol stratejilerinin ortaya çıkmasına rağmen, PID kontrolörleri her bir bileşen işlevinin geri kemiği olmaya devam eder ve otomatik olarak etkili süreçlerle çalışan herkes için temel bilgilerdir.

PID Kontrolünın Temel Bileşenleri

Bir PID kontrolörü sürekli olarak bir hata değeri hesaplamaktadır:0)e(t)) istenen bir set noktası (SP) ve ölçülen bir işlem değişkeni (PV) Kontrol sonra, standart paralel olarak ifade edilen bir düzeltme uygular:

[Döntme:0)(t) = K[DÜT:2) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

Her dönem sistemin cevabının belirli bir yönünü ele alır. Doğru kazanç değerleri seçin -K)p) K) ve K))

Proportional Response (P)

Karşılaştırmalı terim, mevcut hataya doğrudan orantılı olan bir çıktı üretir.Eğer süreç değişkeni ayarlandığında düzeltme güçlü; değişken hedefe yaklaşırken, düzeltmeler azalır.Bu acil, sezgisel yanıt, hızlı düzeltici eylemin birincil sürücüyü kontrol eder.

Ancak, sistem neredeyse her zaman bir kalıcı sabit devlet hatası veya dengeleme bırakır. Bu, sistemin dengedeyken veya hatta koşmayan bir davranışı sürdürmek için sistem gerekli değildir.K)K)K[FLT 1:0) Bu dengeleme boyutunu azaltır, ancak sistemin dengesizliğe doğru itmemesini veya hatta koşmamasını sağlar. Uygulamada, orantılı kazanç elde etmek için yeterince hızlı bir yanıt sağlar.

Karşılaştırmalı grup, genellikle tam ölçekli aralığın bir yüzdesi olarak ifade edilir, aynı etkiyi tanımlamak için alternatif bir yoldur - kontrol çıktının% 0 ile% 100 arasında hareket ettiğinin üzerinden bir hata aralığını tanımlar.

Integral Response (I)

integral dönem zamanla geçmiş hataları biriktirir. birincil amacı, yalnızca sabit devlet dengelemesini ortadan kaldırmaktır. Küçük, kalıcı bir hata bile sonunda sistemin tam olarak ayarlanana kadar tümorun başına yayılmasına neden olacaktır.

Bu hatayı sıfıra indirme yeteneği önemli bir dezavantajla geliyor: integral rüzgarlar. Eğer eylemci tatmin edici bir şekilde hareket ederse, önemli bir aşırılık ve gecikmiş yanıta neden olur.Demokratlar, potansiyel olarak büyük bir depolanmış değer inşa etmeye devam eder. hata sonunda ters düşerken, kontrol bu davranışı azaltmak için gerekli olan pratik uygulamalar.

integral kazanır K)[DÜyesel[DÜye Olmayanlar İçindekiler (veya reciprocal, integral zaman T) Kontrolsüz olarak nasıl ortadan kaldırırlar. (D)) Yüksek K[DÜye Olmayanlar (DÜye Olmayanlar)

Türvatif Yanıt (D)

Türbe terimi, mevcut değişim oranına dayanan gelecekteki hataları tahmin eder. Hata sinyalinin eğimine tepki vererek, türküllü bileşen hızlı değişikliklerle karşı karşıya olan bir baraj etkisi ekliyor.Bu anticipatory eylemi, kapalı-loop sisteminin stabilitesini önemli bir şekilde artırabilir veya gecikme ile süreçlerde.

Uygulamada, türev süresi dikkatli bir şekilde uygulanmalıdır. Gerçek dünya ölçüm sinyalleri gürültü içerir ve farklılaştırma yüksek frekanslı gürültüyü dramatik bir şekilde kısaltabilir. Gürültülü bir türev çıkışı, aşırı aşınmaya ve degraded kontrol kalitesine neden olabilir. En pratik uygulamalar, türev terimini veya farklılaşmadan önce ölçülen değişkende düşük frekanslı bir filtre kullanabilir.

Türvatif eylem genellikle engellidir (K[DÜDÜ:0)[Döneticileri gürültülü sensörlerle veya süreç dinamiklerinin kötü anlaşılmış olduğu durumlarda, özellikle uzun zaman gecikmeleri olan, türet işlemleri, sistemdeki en az fayda sağlar ve doğru bir şekilde ayarlanmamışsa kullanılabilir.)[Döneticileri düşük derecede optimize edilir. (veya türevcut durumda)

Üç Şartlar Birlikte Nasıl Çalışıyor

PID kontrolünin gerçek gücü, üç bileşendeki Interplay of all three components. İyi niyetli bir kontrolde, doğrulayıcı kuvvetin büyük kısmını sağlar, integral terimi herhangi bir geri kalan bakiyeyi ortadan kaldırır ve bu tür bir yanıt verir.

Bir endüstriyel fırın için sıcaklık kontrolü döngüsü düşünün. Fırın kapısı açıldığında, sıcaklık keskin bir şekilde azalır ve bu nedenle, büyük hataya dayanan büyük bir düzeltme talep eder. Türbe terimi, hızlı bir eğimi ortadan kaldırmak için ekstra bir çıktı ekler, ısı kayıplarına veya yük değişikliklerine yol açar.

Uygulamada, üç terim her zaman kullanılır. P-sadece kontrolörler, dengenin kabul edilebilir olduğu veya sürecin doğal olarak kendini teşvik eden ve hassas hareket kontrol veya kritik kimyasal süreçler gibi uygulamalar için ayrılmıştır.

Across Industrial Sectors

PID kontrolörleri neredeyse her endüstride sürekli bir süreç yöneten bulunur. onlarıntilişleri ve sağlamlığı basit bir sıcaklık kontrolü yüksek hızlı servo konumlandırmaya kadar uzanan uygulamalar için uygun hale getirir.

Sıcaklık Kontrollü Sıcaklık Kontrol

Belki de en tanıdık uygulama fırınlarda sıcaklık düzenlemeleri, fırınlar, ısı değiştiricileri ve kimyasal reaktörler. PID kontrolörleri ısıtma elemanları, soğutma sistemleri veya valf pozisyonları ayarlayarak sıkı toleranslar içinde işlem sıcaklıklarını koruyor. Örneğin, bir dereceye kadar sıcaklık üniforması feragat etmek için kritiktir ve uyarlanabilir ayarlı PID uygulamaları standarttır.

Akış ve Basınç Kontrol

Boru hatları sistemleri, kimyasal bitkiler ve su arıtma tesisleri, PID kontrolörleri pompa hızlarını veya kapak açmalarını ayarlayarak akış oranları ve baskıları düzenler. Buhar sistemlerinde basınç kontrolü ve gaz boru hatları tehlikeli koşulları önlemek için hızlı yanıt gerektirir; tür işlemleri bazen yük varyasyonları nedeniyle kaynaklanan hızlı baskı değişiklikleri tahmin etmek için kullanılır.

Motor Hız ve Pozisyon Kontrolü

Elektrik motorları için değişken frekans sürücüleri (VFDs) genellikle PID kontrollerini farklı yükler altında hassas hızları korumak için kullanır.In Roboticss and CNC makineleri, pozisyon kontrol döngüleri - hız ve mevcut döngüler ile kalibre - PID algoritmalarının minimum yerleşme süresi ile doğru konumlanması gerekir.

Seviye Kontrol Düzeyi

Kimyasal işleme, petrol rafinerisi ve su yönetimi sık sık sık PI kontrolörlerini kullanır. Derivative action nadiren seviyede uygulanır çünkü seviye ölçümler gürültülü olma eğilimindedir ve süreç dinamikleri nispeten yavaştır. Ancak, hızlı seviye değişikliklerin yönetildiği tanklarda dalgalanmalar, tam PID kontrolü sorunsuz bir şekilde kullanılabilir.

HVAC ve Yapı Otomasyon

Isıtma, havalandırma ve klima sistemleri, iç mekan ortamları korumak için PID kontroline güveniyor. Bölge sıcaklığı kontrolü, duct statik basınç yönetmeliği ve PID algoritmalarının tüm faydalarını soğutdu. Modern bina yönetimi sistemleri genellikle dijital PID kontrolörlerini basitleştirmek için uygulamaktadır.

Tuning PID Controllers

K[DÜDÜ:0) için doğru değerleri seçin , K)) ve K) için bazı sistematik yöntemler mevcuttu.[Döneticiler kontrol kalitesi.

Manual Tuning Yöntemleri

Deneme-ve-terör yaklaşımı, sistem yanıtını gözlemlarken bir parametreyi ayarlamaktadır. Ortak bir dizi ilk artırmak K)) sistemi osilasyona kadar, K).).

Ziegler-Nichols Tuning

Ziegler-Nichols yöntemi, 1940'larda gelişmiştir, en yaygın öğretilen yaklaşımlardan biri olmaya devam etmektedir. kapalı-loop versiyonunda, integral ve tür kazanımlar devre dışı bırakılır ve K)p sistemi sürekli amplifütlerle hesaplanana kadar artırılır.

Açık-loop versiyonu da süreç reaksiyon eğrisi yöntemi olarak bilinir, kontrol cihazına bir adım değişikliği uygular ve yanıt verir. Süreç ölü zaman L, zaman sabit T, ve K'yi elde etmek adım yanıtından alınır ve ayar parametrelerine göre hesaplanır. Ziegler-Nichols ayar ayarı genellikle makul bir başlangıç ayarları sağlar, ancak yaklaşık% 25 overshoot ile agresif cevaplar üretmeye eğilimlidir, ki birçok işlem aşırı bulur.

Dış kaynaklar Ziegler-Nichols'ı çeşitli süreç türleri için uygulama konusunda ayrıntılı rehberlik sağlar. Prosedürün ve modern adaptasyonları için, Ziegler-Nichols[Dönemler-Nichols[Dönemli) ile ilgili kaynakları ifade eder.

Cohen-Coon Tuning

Önemli ölü zaman ile süreçler için gelişmiş, Cohen-Coon yöntemi, Ziegler-Nichols'dan daha hızlı bir yanıt veren kazanımlar üretir, bu yaklaşım özellikle rahatsızlıklardan hızlı bir şekilde kurtarmanın minim çıkarmanın daha önemli olduğu durumlarda kendini teşvik etmek için uygundur.

Lambda Tuning

Lambda ayar, İç Model Kontrolü (IMC) ayar olarak da bilinir, kapalı zaman sabiti (dambda) istenen değere göre daha sağlam bir yanıt verir.Bu yöntem aşırı yükleme ve eylemci aşınmayı azaltır, ancak agresif ayar yöntemlerine kıyasla daha yavaş yanıt verir.

Auto-Tuning ve Adaptive PID

Modern dijital kontrolörler ve programlanabilir mantık kontrolörleri (PLC) genellikle otomatik şarj yetenekleri içerir. Kontrollü parametre setleri işlemi geçici olarak işlem yapar ve farklı rejimlerle ilgili işlemleri uygun şekilde hesaplar. Bazı sistemler sürekli olarak değişen süreç dinamiklerine cevap veren adaptif algoritmaları kullanır, örneğin farklı yük koşulları veya doğrusal olmayan davranışlar.

[FONT=0) Mühendislik makalesi PID ayar yöntemleri ile karşılaştırıyor[Dönetici:0) Ortak yaklaşımlar arasındaki ticarete daha derin bir bakış açısı sağlar ve farklı uygulama gereksinimleri için doğru yöntemi seçme konusunda rehberlik sunar.

PID Control'un Avantajları

PID kontrolünin kalıcı popülaritesi tesadüf değildir. Birkaç önemli fayda endüstriyel otomasyondaki baskınlığını açıklar.

Sınırlamalar ve Zorluklar

Güçlü yönlerine rağmen, PID kontrolü, mühendislerin tanıması gereken tanınmış sınırlamalara sahiptir.

Nonlinear Systems

PID kontrolörleri lineer kontrolörlerdir. Önemli doğrusal olmayan olmayan sistemlere uygulandığında - pH nötrizasyon, toplu reaktörler veya çeşitli kazanımlarla süreçler - işletim noktası sürüklenme olarak performans gösterir.Get scheduling or adaptive setting can mitigate this, but at the cost of increased complexity.

Süreç Ölü Zaman

Büyük ölü zaman (geçici gecikmeler) PID kontrolü için sorunludur. Kontrol geçmişte meydana gelen hataları yanıtlıyor, osilasyonlara ve istikrarsızlıklara kazanımlar arttıkça. Smith tahminor ve diğer ölü zaman tazminat teknikleri kullanılabilir, ancak bu hareket standart PID'nin ileri kontrol alanına doğru hareket edebilir.

Gürültü Hassasiyet

Derivative action, daha önce tartışılan gibi yüksek frekanslı gürültüyü genişletmektedir. Filtreleme, gürültülü ölçümler degrad Türev performansıyla bile ve eylemci sohbete neden olabilir.In practice, many Industrial loops run without derivative action for this reason alone.

Birden Çok Etkileşimli Değişkenler

Değişkenler arasında güçlü çapraz-koupling sistemler için - bu durumlarda basınç ve akış gibi -Süresel PID döngüleri birbirleriyle savaşabilir. Çok değişkenli kontrol stratejileri, tahmin edilebilir kontrol (MPC) gibi daha uygun.

PID Control'teki Modern Gelişmeler

Araştırma ve geliştirme PID kontrolörlerinin yeteneklerini genişletmeye devam ediyor. Dijital uygulama analog donanımla pratik olmayan sofistike özellikler tanıttı.

Digital PID Uygulama

Mikroişlemci tabanlı kontrolörler PID algoritmasını ayrı örneklem aralıklarında uygularlar. integral terim sayısal entegrasyon ile ilgilidir ve türksel terimler sonlu farklılıkları kullanır. Anahtar pratik düşünceler antialiasing filtreler, örnekleme oranı seçimi ve tamsayı aşırı akış koruması içerir. standart pozisyon formu ve hız formu (bu da kontroldeki değişim mutlak değerden ziyade).

Fuzzy Mantık Tuning

Fuzzy mantık kontrolörleri, PID kazançlarını gerçek zamanlı olarak operatör deneyiminden elde edilen sezgisel kurallara göre ayarlayabilir. Örneğin, hata büyük ve artansa, K)p) ve K); Hata küçük ve azaltılırsa, mevcut kazanımlar sağlar. Hybrid fuzzy-PID kontrolörleri doğrusal olmayan ve zaman tasarrufu olmayan sistemlerde sağlam performans sunar.

Fractional-Order PID

Tümel ve türev şartlarını tam olarak olmayan değerlere göre sıra dışı olarak sipariş edilen PID (FOPID) kontrolörleri, özel uygulamalarda büyüyen endüstriyel kabul ile (uzmanlık siparişi için μ) uygun şekilde şekillendirmeye izin verir.FOPID kontrolörleri belirli süreçler için daha iyi performans elde eder.

Makine Öğrenme-Assisted Tuning

Son zamanlarda yapılan çalışmalar, takviye öğrenme ve Bayesian optimizasyonunu otomatikleştirmek için araştırıyor, özellikle geleneksel yöntemler mücadele ettiği karmaşık süreçler için. Bu veriler odaklı yaklaşımlar açık işlem modellerini gerektirmeden optimal kazanç kombinasyonlarını keşfedebilir, ancak dağıtımdan önce önemli hesaplama kaynakları talep ediyorlar ve dikkatli bir şekilde geçerlilik talep edebilirler.

Modern PID ilerlemelerinin akademik bir perspektiften geniş bir bakış için, [[0)IFAC PID Kontrol Kaynakları sayfası) araştırma kağıtları, karşılaştırmalar ve endüstriyel vaka çalışmaları ile bağlantı sağlar.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

PID kontrolü eskilerden uzaktır. Basitlik ve etkinliğinin zarif dengesi, yerini sayısız endüstriyel kontrol uygulamaları için varsayılan seçim olarak garanti etmiştir.PID kontrolörünün farklı rollerini anlamak, integral ve türev şartları - bazen en etkili çözümlerin pratik göz önünde bulundurmak için gerekli olan - herhangi bir tasarım, bakımı veya sorun giderme için gerekli olan.