PID контролерът е широко използван контролер в областта на индустриалното управление, пълното му име е пропорционално-интегрално-производен контролер (пропорционално-интегрално-производен контролер). Това е линеен контролер, чрез пропорционалния (p), интегрален (i) и диференциал (d) три параметъра на регулирането, за да се постигне точен контрол на изхода на системата.
Първо, основният принцип на PID контролера
Пропорционално управление (P контрол)
Пропорционалното управление е най -основният метод за управление в PID контролера. Основната му идея е да сравнява отклонението между изходната стойност на системата и желаната стойност и след това да коригира контролното количество според размера на отклонението. Формулата за пропорционално управление е:
u (t)=kp * e (t)
Където u (t) обозначава контролното количество, KP обозначава коефициента на пропорционалност и E (t) обозначава отклонението.
Предимството на пропорционалния контрол е бързата реакция, но недостатъкът е съществуването на стабилно състояние, т.е. когато системата достигне стабилно състояние, все още има известно отклонение между изходната стойност и желаната стойност.
Интегрално управление (I контрол)
Интегралното управление беше въведено за премахване на грешката в стабилното състояние в пропорционален контрол. Основната му идея е да интегрира натрупаната стойност на отклонение във времето и след това да коригира контролното количество според интегралната стойност. Формулата за интегрално управление е:
u (t)=u (t -1) + ki * ∫e (t) dt
където ki обозначава интегралния коефициент и ∫e (t) dt обозначава интегралната стойност на отклонението.
Предимството на интегралното управление е, че той елиминира стабилното състояние, но недостатъкът е, че може да причини превишаване и колебания в системата.
Диференциално управление (D контрол)
Беше въведен диференциален контрол за подобряване на стабилността и скоростта на реакция на системата. Основната му идея е да предвиди тенденцията на отклонение и след това да коригира контролното количество според тенденцията. Формулата за диференциално управление е:
u (t)=u (t -1) + kd * de (t)/dt
където KD обозначава диференциалния коефициент и de (t)/dt обозначава скоростта на промяна на отклонението.
Предимството на диференциалния контрол е, че той може да подобри стабилността и скоростта на реакция на системата, но недостатъкът е, че той е чувствителен към шума и може да доведе до колебания в контролното количество.
Второ, методът на проектиране на PID контролер
Определете целта за контрол
Преди да проектирате PID контролер, първо трябва да определите целта за управление, тоест какво състояние искате да постигнете изхода на системата. Целта на контрола може да бъде грешка в стабилното състояние, превишаване, време за издигане и т.н.
Създайте математически модел
Според принципа на работа на действителната система установете математически модел. Математическият модел може да бъде линеен или нелинеен. За линейни системи, трансферни функции, държавни пространства и други методи могат да се използват за моделиране; За нелинейни системи невронните мрежи, размито управление и други методи могат да се използват за моделиране.
Определете PID параметрите
Според целта на контрола и математическия модел определете пропорционалния коефициент kp, интегралния коефициент KI и диференциален коефициент KD на PID контролера. Често използваните методи за настройка на параметрите са:
(1) Емпиричен метод: Според опита изберете подходящия пропорционален коефициент, интегрален коефициент и диференциален коефициент.
(2) Метод на пробна и грешка: чрез постоянно регулиране на PID параметрите и наблюдение на системния отговор, докато не се постигне задоволителен контролен ефект.
(3) Метод на оптимизация: Използвайте алгоритми за оптимизация (като генетичен алгоритъм, алгоритъм за рояк на частиците и др.) За да оптимизирате PID параметрите, за да получите най -добрия контролен ефект.
Проверка на симулация
След определяне на PID параметрите е необходимо да се извърши проверка на симулацията. Проверката на симулацията може да се извърши с помощта на софтуер като MATLAB, SIMULINK и др. Чрез проверка на симулация, производителността на PID контролера може да бъде проверена, за да се види дали отговаря на целите на контрола.
Практическо приложение
След преминаването на проверката на симулацията, PID контролерът се прилага към действителната система. В процеса на практическо приложение може да се наложи PID параметрите да бъдат прецизирани, за да се адаптират към промените в действителните условия на труд.
Трето, прилагането на PID контролер
PID контролерът е широко използван в областта на индустриалния контрол поради простия си, практичен, лесен за изпълнение и други характеристики. Общите области на кандидатстване включват:
Контрол на температурата: като котли, климатици, химически реактори.
Контрол на потока: като водни помпи, компресори, транспорт на тръбопровода.
Контрол на налягането: като хидравлични системи, пневматични системи и др.
Контрол на скоростта: като двигатели, конвейерни ленти и т.н.
Контрол на позицията: като роботи, кранове и др.
Контрол на процеса на химическа реакция: като химични реактори, ферментационни резервоари.
Четвърто, предимствата и недостатъците на PID контролера
Предимства
(1) Проста структура: PID контролерът се състои от пропорционална, неразделна, диференциална три части, проста структура, лесна за разбиране и реализиране.
(2) Лесен за регулиране на параметрите: Параметрите на PID контролера (KP, KI, KD) могат да се регулират според целта на контрола, има добра гъвкавост.
(3) широк спектър от приложение: PID контролерите са приложими за различни линейни и нелинейни системи, с добра универсалност.
(4) Ниска цена на реализация: PID контролерът има ниски разходи за реализация и може да се приложи към различни системи за индустриален контрол.
Недостатъци
(1) Чувствителен към шума: Диференциалният контрол е чувствителен към шума, което може да доведе до колебания в контролния обем.
(2) Трудност в регулирането на параметрите: За сложните системи регулирането на PID параметрите може да бъде трудно, като изисква много тестове и корекции.
(3) Невъзможност за справяне с нелинейните системи: За нелинейните системи работата на PID контролерите не може да се справи с нелинейните системи.