С бързото развитие на електрониката, компютрите, комуникациите, диагностиката на неизправности, проверката на излишъка и технологията за графично показване, нивото на индустриална автоматизация също се увеличава. Въпреки това, в производствения процес, качеството на продукта чрез смущения на множество фактори и прави предимствата на нивото на автоматизацията по -ниско. Теорията за контрол на PID се появи оттогава.
Автоматичните системи за управление могат да бъдат разделени на системи за управление на отворен контур и системи за управление на затворен контур. Системата за управление включва контролери, сензори, предаватели, задвижващи механизми, входни и изходни интерфейси, използвайки PID контрола за постигане на налягането, температурата, потока, контролерите на нивото, програмируемите контролери, които могат да реализират функцията за управление на PID (PLC), както и компютърни системи, които може да се реализира PID контрол и т.н.
PID контрол
В инженерната практика най -широко използваният закон за контрол на регулатора за пропорционален, интегрален, диференциален контрол, наричан PID контрол, известен също като PID регулация. Той се превърна в една от основните технологии на индустриалния контрол за простата си структура, добра стабилност, надеждна работа и лесна регулиране.
Когато структурата и параметрите на контролирания обект не могат да бъдат напълно овладени или нямат достъп до точни математически модели, теорията на контрола на други технологии е трудна за използване, структурата и параметрите на системния контролер трябва да разчитат на опит и грешки в полето За да се определи, когато прилагането на технологията за управление на PID е най -удобно.
PID контрол, PI и PD контрол В практиката PID контролерът се основава на грешката на системата, използването на пропорционално, интегрално, диференциално изчисление на контролния обем за контрол. Най-идеалният контрол, когато пропорционалното-интегрално-производно закон за контрол, който съчетава силните страни на трите: както пропорционална роля в навременна и бърза роля, но и ролята на интегрирането на елиминирането на остатъчната разлика в способността за разграничаване ролята на функцията за контрол на отмяната.
Връзките на PID контрола
1, пропорционален (p) контрол
Пропорционалният контрол е един от най -простите методи за контрол. Изходът на неговия контролер е пропорционален на сигнала за грешка вход. Има стабилна грешка в изхода на системата, когато е наличен само пропорционален контрол. Изходният сигнал на контролера е пропорционален на сигнала за отклонение, тоест, стига да има отклонение, изходът на контролера незабавно ще се промени пропорционално на отклонението, така че скоростта на реакция на регулирането на P е много бърза .
P регулацията може да отразява промените в системата навреме, но не може напълно да премахне отклонението на системата, следователно, ако се използва само P регулация в действителния процес на контрол, системата ще произвежда остатъци, K P увеличение може да направи системата Отклонението се намалява, но всъщност, ако K - D е твърде голям, ще доведе до нестабилност на системата.
2, интегрален (i) контрол
При интегрално управление изходът на контролера е пропорционален на интеграла на сигнала за грешка в вход. За автоматична система за управление, ако има стабилна грешка след влизане в стационарно състояние, се казва, че системата за управление има грешка в стабилно състояние или просто диференциална система.
За да се елиминира стационарната грешка, в контролера трябва да бъде въведен „интегрален термин“. Интегралният термин интегрира грешката в зависимост от времето и се увеличава с увеличаването на времето. По този начин, дори ако грешката е малка, интегралният термин се увеличава с времето и той кара изхода на контролера да се увеличи, така че грешката в стабилното състояние да бъде допълнително намалена, докато не бъде близо до нула.
Следователно пропорционалният + интегрален (PI) контролер позволява на системата да влиза в стабилно състояние с почти никаква стабилна грешка. Размерът на интегралното време определя силата на интегралния ефект, толкова по -голямо е интегралното време, толкова по -слаб е интегралният ефект, което води до увеличаване на количеството на системата превишаване; Колкото по -силен е интегралният ефект, напротив, е склонен да причинява колебание на системата.
3, диференциален (d) контрол
При диференциално управление изходът на контролера и диференциал на сигнала за входна грешка (т.е. скоростта на промяна на грешката) е пропорционална на връзката. Автоматичната система за управление за преодоляване на грешката в процеса на регулиране може да бъде колебателна или дори дестабилизация. Причината за това се дължи на наличието на голям инерционен компонент (връзка) или компонент на хистерезис, който има ефект от потискане на грешката и чиито промени винаги изостават от промените в грешката.
Решението е да се направи промяната в потискането на грешката „напред“, т.е. когато грешката е близо до нула, потискането на грешката трябва да бъде нула. Тоест, в контролера само въвеждането на "пропорционален" термин често не е достатъчно, ролята на пропорционалния термин е само да се усили величината на грешката и необходимостта от увеличаване на "диференциалния термин", който може Предскажете тенденцията на промените в грешките, така че контролерът с пропорционален + диференциал да може да направи контрола на потискането на грешки преди време. По този начин контролерът с пропорционален + диференциал може да бъде направен предварително, за да се инхибира контрола на грешката е равен на нула или дори отрицателен, като по този начин се избягва сериозното превишаване на контролираното количество.
Следователно, за контролирания обект с голяма инерция или хистерезис, пропорционалният+диференциален (PD) контролер може да подобри динамичните характеристики на системата в процеса на регулиране. трептене на изхода на контролирания обект и за съкращаване на времето за реакция на системата, което подобрява динамичните характеристики на системата. Въпреки това, твърде голям TD ще намали способността за потискане на сигналите за смущения.
4, PID контрол
Най-идеалният контрол, когато пропорционално-интегрално-диференциалното управление на контрола, който определя дължината на трите: както пропорционална роля във навременна и бърза, но и интегралната роля на елиминирането на остатъчната разлика в способността да има диференциала роля на контролната функция преди време.
Когато се появят спестяванията на отклонение, диференциалът може незабавно и значително да действа, инхибира отклонението на този скок: пропорционално в същото време да играе роля за елиминиране на отклоненията, така че амплитудата на отклонението да бъде намалена, тъй като пропорционалната роля е постоянна и играе основна Роля в закона за контрол, така че системата да е по -стабилна: и неразделната роля на остатъчната разлика бавно се преодолява. Докато трите роли на контролните параметри са правилно избрани, можете да дадете пълна игра на предимствата на трите закона за контрол, за да получите по -идеален контролен ефект.
Следователно, докато трите роли могат да бъдат разумно съчетани, можете да постигнете бързи и точни и плавни регулационни показатели, за да получите отлични резултати от контрола, което е очарованието на PID регулацията.
5, параметризация
Параметризацията на PID контролера е сърцевината на дизайна на системата за управление. Той се основава на характеристиките на процеса, който трябва да бъде контролиран, за да се определи мащабният коефициент на PID контролера, интегралното време и размера на диференциалното време.
Методи за настройка на параметрите на PID контролера, обобщени в две категории: Една е теоретичното изчисляване на метода на настройка. Той се основава главно на математическия модел на системата, след теоретични изчисления за определяне на параметрите на контролера. Изчислените данни, получени по този метод, не могат да се използват директно, но и чрез действителните инженерни корекции и модификации. Вторият е методът за калибриране на инженерния инженер, който разчита главно на инженерния опит, директно в теста на системата за управление, а методът е прост, лесен за разбиране, в инженерната практика се използва широко.
Параметрите на PID контролера на метода на инженерна настройка, главно критичен метод на съотношение, метод на кривата на отговора и метод за затихване. Двата метода имат свои характеристики, общата точка е чрез теста и след това в съответствие с инженерния опит на формулата за параметрите на контролера, които трябва да бъдат коригирани. Но без значение кой метод се използва за получаване на параметрите на контролера, трябва да бъде в действителната работа на окончателната настройка и подобрение. Обикновено се използва методът на критичното съотношение. Използването на този метод за стъпките на настройка на параметрите на PID контролера са както следва:
(1) Първо предварително избрано е достатъчно кратък период на вземане на проби, за да работи системата;
(2) Добавете само пропорционалната контролна връзка, докато в входа се появи критично трептене на системата и отбележете коефициента на пропорционално усилване и критичния период на трептене в момента;
(3) В определена степен на контрол чрез формулата за получаване на параметрите на PID контролера.
В действителното въвеждане в експлоатация може първо да се зададе приблизително емпирична стойност и след това да се промени според ефекта на регулацията.
За температурната система: P (%) {{0}}, i (точки) 3 - 10, d (точки) 0. 5 - 3
За поточна система: P (%) {{0}}, i (min) 0. 1--1
За системи за налягане: P (%) {{0}}, i (min) 0. 4--3
За системи за ниво на течност: P (%) 20--80, i (min) 1-5
Не звучи ли малко трудно да се разбере? Нека да помолим Минг да ни го обясни.
Минг е дадена задача: има изтичане на резервоар за вода и скоростта на изтичане е променлива, но водната повърхност е необходима за поддържане на височината на водната повърхност в определено положение, след като се установи, че водната повърхност е по -ниска След необходимото положение трябва да добавите вода към резервоара за вода.
Началото на Xiaoming с Dipper За добавяне на вода, кранът от резервоара има разстояние от повече от десет метра, често трябва да работи няколко пъти, за да добави достатъчно вода, така че Xiaoming и променен, за да използвате кофа, за да добавите кофа, плюс плюс е кофа, работи по -малко пъти, плюс скоростта на водата също е бърза, но няколко пъти ще се дават на резервоара, за да се добави преливането на случайно мокро Използвайте Dipper, а не кофа, старецът с басейн, няколко пъти надолу, установи, че е точно правилно, не трябва да бягате твърде много пъти и няма да оставя водата да се прелива. Открих, че е точно, не трябваше да бягам твърде много пъти и не позволих на водата да прелива. Това време за проверка се нарича период на вземане на проби.
В началото на Xiaoming с потапяне, за да добавите вода, кранът от резервоара за вода има разстояние от повече от десет метра, често трябва да работи няколко пъти, за да добави достатъчно вода, така че Xiaoming и след това сменя, за да използвате кофа, за да добавите кофа , плюс е кофа, бягайте по -малко пъти, скоростта на водата също е по -бърза, но няколко пъти ще се дават на резервоара, за да се добави преливането на случайно мокрото няколко пъти, xiaoming и мозъчна атака, Не използвам Dipper и не е нужно да варели, старецът с басейн, няколко пъти, установи, че е точно, не е нужно да бягате твърде много пъти, също няма да позволя на водата да прелива. Не е нужно да тичам твърде много пъти и не искам водата да прелива. Размерът на този инструмент за добавяне на вода се нарича коефициент на пропорционалност.
Xiaoming също установи, че въпреки че водата няма да прелива, понякога тя би била по -висока от необходимата позиция и все още съществува опасност да намокри обувките му. Той излезе с начин да монтира фуния на резервоара за вода, всеки път, когато добавите вода, не се излива директно в резервоара, а се изсипва във фунията, за да я остави бавно. Този проблем с преливане е решен, но скоростта на добавяне на вода и бавна, а понякога не може да настигне скоростта на изтичането. Затова той се опита да промени фунията с различни размери и диаметри, за да контролира скоростта на добавяне на вода и накрая намери задоволителна фуния. Времето на фунията се нарича интегрално време.
Xiaoming най -накрая въздъхна облекчение, но изискванията на задачата внезапно строги, навременността на изискванията за контрол на нивото на водата значително се подобри, след като нивото на водата е твърде ниско, трябва незабавно да добавите вода Бъдете твърде много по -високи или не плащайте заплатите. Xiaoming отново трудно! Така той отвори мозъка си, най -накрая го остави да помисли за начин, често поставя гърне с резервна вода отстрани, след като нивото на водата се установи, че е ниско, а не през фунията е саксия с вода надолу, така че навременността е гарантирано, но нивото на водата понякога ще бъде много по -високо. Той също така поиска местоположението на повърхността на водата над точка ще бъде изрязана на дупка във водата, а след това да свърже тръба към дъното на резервната кофа, така че да изтече повече вода от горната част на дупката. Скоростта, с която изтича тази вода, се нарича диференциално време.
Историята на експеримента на Минг е независима стъпка по стъпка, но действителните водни инструменти, калибър на фунията, размерът на дупката за преливане в същото време ще повлияе на скоростта на водата, размерът на нивото на вода Назад на експеримента често трябва да променя промяната на резултатите от предишния експеримент.
Хората с PID контрол с чайник към чашата с вода, отпечатана с мащаб от половин чаша вода след спирането
Зададена стойност: Скала на полу-чаша на водната чаша;
Действителна стойност: действителното количество вода във водната чаша;
Изходни стойности: Количеството вода се изсипа от чайника и количеството вода, извадено от чашата;
Измерване: Човешки очи (еквивалентни на сензорите)
Обект за изпълнение: Човек
Положително изпълнение: изливане
Противорекция: загребване
1p пропорционален контрол, тоест хората виждат количеството вода в чашата, не достига половин чаша вода за вода, според определено количество вода от чайника в краля на чашата, излята от вода, или количеството на Вода в чашата вода над скалата, с определено количество вода от чашата вода, извадена, това едно действие може да доведе до по -малко от половин чаша или повече от половин чаша на спирката.
Забележка: P Пропорционално управление е един от най -простите методи за контрол. Изходът на неговия контролер е пропорционален на сигнала за грешка вход. Стационарната грешка съществува в изхода на системата, когато е наличен само пропорционален контрол.
2PI интегрално управление, тоест според определено количество вода във водната чаша, ако установите, че количеството вода в чашата няма мащаб, продължавате да се наливате и след това установявате, че количеството вода е повече След половин чаша водата се надигна от чашата навън, а след това многократно не е достатъчно, за да излее водата и по -зарязана, докато количеството вода достигне скалата.
ЗАБЕЛЕЖКА: В интегрален контрол изходът на контролера е пропорционален на интеграла на сигнала за грешка вход. За автоматична система за управление, ако има стабилна грешка след влизане в стационарно състояние, се казва, че системата за управление има стабилна грешка или просто система със стабилна грешка (система със стабилно състояние). За да се елиминира стационарната грешка, в контролера трябва да бъде въведен „интегрален термин“. Интегралният термин интегрира грешката в зависимост от времето и се увеличава с времето. По този начин, дори ако грешката е малка, интегралният термин се увеличава с времето и той задвижва изхода на контролера да се увеличи, така че грешката в стабилното състояние да бъде допълнително намалена, докато не се равнява на нула. Следователно пропорционалният + интегрален (PI) контролер позволява на системата да влиза в стабилно състояние без грешка в стабилно състояние.
3pid диференциален контрол, тоест човешкото око, гледащо чашата с вода и разстоянието от скалата, когато празнината е много голяма, чайникът с голямо количество вода, която трябва да се излива, когато хората видят количеството вода Близо до скалата, намалете производството на водата на водата и бавно се приближава към скалата, докато не спре в чашата на скалата. Ако водата спре в точното положение на скалата, няма статично диференциално управление; Ако спре близо до скалата, има статичен диференциален контрол.
Забележка: При диференциално управление D изходът на контролера е пропорционален на разликата на сигнала за грешка в вход (т.е. скоростта на промяна на грешката).
В инженерната практика най -широко използваният закон за контрол на регулатора за пропорционално, интегрално, диференциално управление, наричан PID контрол, известен също като PID регулация. ПРИДАТЕЛЕН КОНТРОЛ е въведен близо 70 години история, това е проста структура, добра стабилност, Надежден, лесен за регулиране и се превърна в една от основните технологии на индустриалния контрол.
Когато структурата и параметрите на контролирания обект не могат да бъдат напълно овладени или нямат достъп до точни математически модели, теорията на контрола на други технологии е трудна за използване, структурата и параметрите на системния контролер трябва да разчитат на опит и грешки в полето За да се определи, когато прилагането на технологията за управление на PID е най -удобното.
PID контролер
PID контролерите се използват широко при контрола на индустриалния процес. Около 95% от операциите със затворен контур в индустриалната автоматизация използват PID контролери. Контролерът се комбинира по такъв начин, че да генерира контролен сигнал. Като контролер за обратна връзка той доставя контролния изход до желаното ниво. Преди изобретяването на микропроцесорите, аналоговата електроника прилага PID контрол. Но днес всички PID контролери се обработват от микропроцесори. Програмируемите логически контролери също имат вградени инструкции за контролер на PID.
Чрез използване на евтин прост контролер за превключване са възможни само две контролни състояния, като пълни или пълни. Използва се за приложения с ограничен контрол, при които тези две контролни състояния са достатъчни за контрол на целта. Обаче осцилаторният характер на това управление ограничава използването му и следователно се заменя с PID контролери.
PID контролерите поддържат изхода, така че да има нулева грешка между променливата на процеса и зададената точка/желания изход чрез операция със затворен контур. PID използва три основни контролни поведения, които са обяснени по-долу.
P-контролер:
Пропорционалният или P-контролерът дава изход, пропорционален на текущата грешка e (t). Той сравнява желаната или зададена стойност със стойността на действителната или обратната връзка. Получената грешка се умножава по константата на пропорционалност, за да се получи изходът. Ако стойността на грешката е нула, този изход на контролера е нула.
Този контролер трябва да бъде предубеден или ръчно да се нулира, когато се използва самостоятелно. Това е така, защото никога не достига стабилно състояние. Той осигурява стабилна работа, но винаги поддържа грешката в стабилно състояние. С увеличаването на константата на пропорционалност KC, скоростта на реакция се увеличава.
I-контролер
Тъй като P-контролерът винаги има отклонение между променливата на процеса и зададената точка, I-контролерът е необходим, което осигурява необходимите действия за премахване на стабилното състояние. Той интегрира грешката за период от време, докато стойността на грешката достигне нула. Той поддържа стойността на нулевата грешка за крайния контролен блок.
Когато възникне отрицателна грешка, интегралното управление намалява своя изход. Той ограничава скоростта на реакцията и влияе върху стабилността на системата. Скоростта на реакция се увеличава чрез намаляване на интегралното усилване ki.
На горната фигура грешката в стационарно състояние намалява с намаляването на усилването на I контролера. В по -голямата си част PI контролерите са особено полезни в ситуации, когато не се изисква реакция с висока скорост.
Когато се използва PI контролер, изходът на I-контролер е ограничен до степен, която преодолява интегралното насищане, при която интегралната продукция е натиснато, дори когато състоянието на нулева грешка се увеличи поради състоянието на нелинейността в споменатия растение.
D-контролер
I-Controller няма способността да предсказва грешно бъдещо поведение. Така той реагира нормално, след като зададената точка бъде променена. D-контролерът преодолява този проблем, като прогнозира погрешно бъдещо поведение. Изходът му зависи от скоростта на промяна на грешката по отношение на времето, умножена по диференциална константа. Той осигурява стартиране на изхода, който увеличава реакцията на системата.
На горната фигура D контролерът има повече отговор от PI контролера и времето за натрупване на изхода се намалява. Той подобрява стабилността на системата чрез компенсиране на фазовото изоставане, причинено от I контролера. Увеличаването на диференциалната печалба ще подобри отговора.
Роля на PID контролера
Роля на пропорционалната регулация
Пропорционална реакция на отклонението на системата, след като системата се отклони, пропорционалната регулация незабавно води до регулиране за намаляване на отклонението. Голямата пропорционалност може да ускори корекцията и да намали грешката, но твърде голяма пропорция прави стабилността на намаляването на системата и дори да причини нестабилност на системата.
Интегрална регулация
Това прави системата да премахне стабилната грешка и подобрява степента на несъответствие. Тъй като има грешка, интегралната регулация се извършва, докато няма разлика, интегралната регулация спира и интегралната регулация извежда постоянна стойност. Силата на интегралния ефект зависи от интегралната постоянна време Ti, по -малкият Ti е, толкова по -силен е интегралният ефект. Напротив, ако TI е голям, интегралният ефект е слаб и добавянето на интегрална регулация може да направи намаляването на стабилността на системата и динамичният отговор става по -бавен.
Диференциално регулиране
Диференциалното действие отразява скоростта на промяна на сигнала за отклонение на системата, с предсказуемост, може да предвиди тенденцията на промените в отклонението, така че може да доведе до контролната роля в отклонението не е формирана преди, е елиминирана от диференциалното регулиране. Диференциалното действие върху шумовите смущения има усилващ ефект, така че твърде силна плюс диференциална регулация, системата не е добра за анти-интерференцията.
Посока за разработка на приложения за управление на PID
В производствения процес с цел подобряване на качеството на продукта, увеличаване на производството, спестяване на суровини, управление на производството и производствен процес винаги е в оптимално работно състояние. Следователно се получава метод за оптимално управление, който се нарича адаптивен контрол. При този тип контрол системата е необходима, за да може автоматично да регулира системата според промените в измерените параметри, околната среда и цената на суровините, така че системата винаги да е в оптимално състояние. Адаптивният контрол се състои от три компонента: оценка на ефективността (дискриминация), вземане на решения и модификация. Това е посоката на развитие на системата за управление на микрокомпютъра. Въпреки това, тъй като законът за контрола е труден за разбиране, така че насърчаването на някои трудни за решаване на проблема. В адаптивния PID контрол идва с някои интелигентни характеристики, като живите същества могат да се адаптират към промените във външните условия. Има и система за самообучение, тя е по-интелигентна.