- PID regulátor a jeho práca:
- PID režimy riadenia:
- Metódy ladenia pre PID regulátor:
- Štruktúra PID regulátora:
- Aplikácie PID regulátora:
Predtým, ako vysvetlíme PID regulátor, poďme si zopakovať niečo o kontrolnom systéme. Existujú dva typy systémov; systém s otvorenou slučkou a systém s uzavretou slučkou. Systém otvorenej slučky je tiež známy ako nekontrolovaný systém a systém uzavretej slučky je známy ako riadený systém. V systéme s otvorenou slučkou nie je výstup riadený, pretože tento systém nemá spätnú väzbu a v systéme s uzavretou slučkou je výstup riadený pomocou ovládača a tento systém vyžaduje jednu alebo viac ciest spätnej väzby. Systém otvorenej slučky je veľmi jednoduchý, ale nie je použiteľný v priemyselných riadiacich aplikáciách, pretože tento systém je neriadený. Systém uzavretej slučky je zložitý, ale najužitočnejší pre priemyselné použitie, pretože v tomto systéme môže byť výstup stabilný na požadovanej hodnote, príkladom systému uzavretej slučky je PID. Bloková schéma týchto systémov je znázornená na obrázku 1 nižšie.
Systém uzavretej slučky je tiež známy ako spätnoväzbový riadiaci systém a tento typ systému sa používa na návrh automaticky stabilného systému na požadovanom výstupe alebo referencii. Z tohto dôvodu generuje chybový signál. Chybový signál e (t) je rozdiel medzi výstupom y (t) a referenčným signálom u (t) . Ak je táto chyba nulová, znamená to, že je dosiahnutý požadovaný výstup a za týchto podmienok je výstup rovnaký ako referenčný signál.
Napríklad sušička beží niekoľkokrát, čo je prednastavená hodnota. Keď je sušička zapnutá, časovač sa spustí a bude bežať, kým sa časovač neskončí a nevydá výstup (suchá tkanina). Jedná sa o jednoduchý systém s otvorenou slučkou, kde výstup nemusí byť riadený a nevyžaduje žiadnu cestu spätnej väzby. Pokiaľ sme v tomto systéme použili snímač vlhkosti, ktorý poskytuje spätnoväzbovú cestu a porovnáva ju s nastavenou hodnotou a generuje chybu. Sušička beží, kým táto chyba nie je nulová. To znamená, že keď je vlhkosť látky rovnaká ako nastavená hodnota, sušička prestane pracovať. V systéme s otvorenou slučkou bude sušička pracovať pevne stanovený čas bez ohľadu na to, či je oblečenie suché alebo mokré. Ale v systéme so zatvorenou slučkou nebude sušička bežať pevne stanovený čas, bude bežať, kým oblečenie nevyschne. To je výhoda systému uzavretej slučky a použitia ovládača.
PID regulátor a jeho práca:
Čo je to PID regulátor? PID regulátor je všeobecne akceptovaný a najbežnejšie používaný regulátor v priemyselných aplikáciách, pretože PID regulátor je jednoduchý, poskytuje dobrú stabilitu a rýchlu odozvu. PID znamená proporcionálny, integrálny, derivačný. V každej aplikácii sa koeficient týchto troch akcií mení, aby sa získala optimálna odozva a kontrola. Vstup regulátora je chybový signál a výstup je daný do zariadenia / procesu. Výstupný signál regulátora je generovaný tak, aby sa výstup zariadenia snažil dosiahnuť požadovanú hodnotu.
PID regulátor je systém s uzavretou slučkou, ktorý má systém spätnej väzby a porovnáva procesnú premennú (spätnoväzbovú premennú) s nastavenou hodnotou a generuje chybový signál a podľa toho upravuje výstup systému. Tento proces pokračuje, kým sa táto chyba nedostane na nulu alebo kým sa hodnota premennej procesu nestane rovnakou ako nastavená hodnota.
PID regulátor poskytuje lepšie výsledky ako ON / OFF regulátor. V ovládači ON / OFF sú k dispozícii iba dva stavy na ovládanie systému. Môže byť ZAPNUTÝ alebo VYPNUTÝ. ZAPNE sa, keď je procesná hodnota menšia ako nastavená hodnota, a vypne sa, ak je procesná hodnota vyššia ako nastavená hodnota. V tomto radiči nebude výstup nikdy stabilný, bude vždy kmitať okolo nastavenej hodnoty. Ale PID regulátor je stabilnejší a presnejší v porovnaní s ON / OFF regulátorom.
PID regulátor je kombináciou troch pojmov; Proporcionálne, integrálne a odvodené. Pochopme tieto tri pojmy individuálne.
PID režimy riadenia:
Proporcionálna (P) odpoveď:
Termín „P“ je úmerný skutočnej hodnote chyby. Ak je chyba veľká, riadiaci výstup je tiež veľký a ak je chyba malá, je tiež malý regulačný výstup, ale faktor zosilnenia (K p) je
Berie tiež do úvahy. Rýchlosť odozvy je tiež priamo úmerná faktoru proporcionálneho zisku (K p). Takže rýchlosť odozvy sa zvyšuje zvyšovaním hodnoty K p, ale ak sa K p zvýši nad normálny rozsah, procesná veličina začne kmitať vysokou rýchlosťou a spôsobí nestabilitu systému.
y (t) ∝ e (t) y (t) = k i * e (t)
Tu sa výsledná chyba vynásobí faktorom zisku proporcionality (proporcionálna konštanta), ako je uvedené vo vyššie uvedenej rovnici. Ak sa používa iba P ovládač, vyžaduje v tom čase manuálny reset, pretože udržuje chybu v ustálenom stave (posun).
Integrálna (I) reakcia:
Integrovaný radič sa všeobecne používa na zníženie chyby v ustálenom stave. Pojem „I“ je integrovaný (s ohľadom na čas) na skutočnú hodnotu chyby . Z dôvodu integrácie, veľmi malej hodnoty chyby, je výsledkom veľmi vysoká integrálna odozva. Činnosť integrovaného ovládača sa neustále mení, až kým sa chyba nestane nulovou.
y (t) ∝ ∫ e (t) y (t) = k i ∫ e (t)
Integrálny zisk je nepriamo úmerný rýchlosti odozvy, zvýšenie k i, zníženie rýchlosti odozvy. Proporcionálne a integrálne regulátory sa používajú kombinované (PI regulátor) pre dobrú rýchlosť odozvy a ustálený stav odozvy.
Derivátová (D) odpoveď:
Derivátový regulátor je zvyknutý na kombináciu PD alebo PID. Nikdy sa nepoužíval samostatne, pretože ak je chyba konštantná (nenulová), výstup z regulátora bude nulový. V tejto situácii sa regulátor chová ako nulová chyba životnosti, v skutočnosti však existuje určitá chyba (konštantná). Výstup derivačného regulátora je priamo úmerný miere zmeny chyby vzhľadom na čas, ako je uvedené v rovnici. Odstránením znaku proporcionality získame derivačnú konštantu zisku (k d). Všeobecne sa derivačný radič používa, keď procesné premenné začnú oscilovať alebo sa menia veľmi vysokou rýchlosťou. D-kontrolér sa tiež používa na predvídanie budúceho chovania chyby podľa krivky chyby. Matematická rovnica je uvedená nižšie;
y (t) ∝ de (t) / dt y (t) = K d * de (t) / dt
Proporcionálny a integrálny radič:
Toto je kombinácia P a I ovládača. Výstupom regulátora je súčet obidvoch (proporcionálnych a integrálnych) reakcií. Matematická rovnica je znázornená nižšie;
y (t) ∝ (e (t) + ∫ e (t) dt) y (t) = k p * e (t) + k i ∫ e (t) dt
Proporcionálny a derivačný regulátor: Toto je kombinácia P a D regulátora. Výstupom regulátora je súčet proporcionálnych a derivačných reakcií. Matematická rovnica radiča PD je uvedená nižšie;
y (t) ∝ (e (t) + de (t) / dt) y (t) = k p * e (t) + k d * de (t) / dt
Proporcionálny, integrálny a odvodený radič: Jedná sa o kombináciu radiča P, I a D. Výstupom regulátora je súčet proporcionálnych, integrálnych a derivačných reakcií. Matematická rovnica radiča PD je uvedená nižšie;
y (t) ∝ (e (t) + ∫ e (t) dt + de (t) / dt) y (t) = k p * e (t) + k i ∫ e (t) dt + k d * de (t) / dt
Kombináciou tejto proporcionálnej, integrálnej a derivačnej regulačnej odozvy teda vznikne PID regulátor.
Metódy ladenia pre PID regulátor:
Pre požadovaný výstup musí byť tento radič správne naladený. Proces získavania ideálnej odozvy z PID regulátora nastavením PID sa nazýva ladenie regulátora. Nastavenie PID znamená nastavenie optimálnej hodnoty zisku proporcionálnej (k p), derivačnej (k d) a integrálnej (k i) odozvy. PID regulátor je naladený na to, aby potlačenie rušenia znamenalo zotrvanie na danej nastavenej hodnote a sledovanie príkazov, čo znamená, že ak sa nastavená hodnota zmení, výstup regulátora bude nasledovať novú nastavenú hodnotu. Ak je regulátor správne naladený, výstup z regulátora bude sledovať premennú požadovanú hodnotu, s menšími osciláciami a menším tlmením.
Existuje niekoľko metód na vyladenie PID regulátora a získanie požadovanej odozvy. Spôsoby ladenia ovládača sú uvedené nižšie;
- Skúšobná a chybová metóda
- Technika reakčnej krivky procesu
- Ziegler-Nicholsova metóda
- Štafetová metóda
- Používanie softvéru
1. Skúšobná a chybová metóda:
Skúšobná a chybová metóda je tiež známa ako metóda manuálneho ladenia a je najjednoduchšou metódou. V tejto metóde najskôr zvyšujte hodnotu kp, kým systém nedosiahne oscilačnú odozvu, ale systém by nemal byť nestabilný a udržiavať hodnotu kd a ki na nule. Potom nastavte hodnotu ki tak, aby sa oscilácia systému zastavila. Potom nastavte hodnotu kd pre rýchlu odozvu.
2. Technika reakčnej krivky procesu:
Táto metóda je známa aj ako Cohen-Coonova ladiaca metóda. V tejto metóde najskôr vygenerujte reakčnú krivku procesu ako reakciu na poruchu. Z tejto krivky môžeme vypočítať hodnotu zosilnenia regulátora, integrálny čas a derivačný čas. Táto krivka sa identifikuje ručným vykonaním v kroku testu procesu s otvorenou slučkou. Parameter modelu dokáže podľa počiatočného kroku nájsť percentuálne narušenie. Z tejto krivky musíme nájsť čas sklonu, mŕtvy čas a čas nábehu krivky, čo nie je nič iné ako hodnota kp, ki a kd.
3. Zeigler-Nicholsova metóda:
V tejto metóde tiež najskôr nastavte hodnotu ki a kd nulu. Pomerný zisk (kp) sa zvyšuje, až kým nedosiahne konečný zisk (ku). konečný zisk nie je nič iné, ako zisk, pri ktorom výstup slučky začne oscilovať. Toto ku a oscilačná perióda Tu sa používajú na odvodenie zisku PID regulátora z tabuľky nižšie.
|
Typ radiča |
kp |
k i |
kd |
|
P |
0,5 k u |
|
|
|
PI |
0,45 k u |
0,54 k u / T u |
|
|
PID |
0,60 k u |
1,2 k u / T u |
3 k u T u / 40 |
4. Spôsob relé:
Táto metóda je tiež známa ako Astrom-Hugglundova metóda. Tu sa výstup prepína medzi dvoma hodnotami riadiacej premennej, ale tieto hodnoty sa vyberajú tak, aby proces musel prekročiť nastavenú hodnotu. Ak je procesná premenná menšia ako nastavená hodnota, riadiaci výstup sa nastaví na vyššiu hodnotu. Keď je procesná hodnota vyššia ako nastavená hodnota, riadiaci výstup sa nastaví na nižšiu hodnotu a vytvorí sa výstupný priebeh. Perióda a amplitúda tohto kmitavého tvaru vlny sa merajú a používajú sa na určenie konečného zisku ku a periódy Tu, ktorá sa používa pri vyššie uvedenej metóde.
5. Používanie softvéru:
Na ladenie PID a optimalizáciu slučky sú k dispozícii softvérové balíčky. Tieto softvérové balíčky zhromažďujú údaje a vytvárajú matematický model systému. Týmto modelom softvér nájde optimálny parameter ladenia z referenčných zmien.
Štruktúra PID regulátora:
PID regulátory sú navrhnuté na základe mikroprocesorovej technológie. Rôzni výrobcovia používajú odlišnú štruktúru PID a rovnicu. Najbežnejšie používané PID rovnice sú; paralelná, ideálna a sériová PID rovnica.
V paralelnej PID rovnici proporcionálne, integrálne a derivačné akcie navzájom pracujú oddelene a kombinovaný účinok týchto troch akcií pôsobí v systéme. Bloková schéma tohto typu PID je uvedená nižšie;
V ideálnej PID rovnici je zisková konštanta k p rozdelená na všetky členy. Takže zmeny v k p ovplyvňujú všetky ostatné členy v rovnici.
V sériovej PID rovnici je zisková konštanta k p distribuovaná na všetky členy rovnako ako ideálna PID rovnica, ale v tejto rovnici má integrálna a derivačná konštanta vplyv na proporcionálne pôsobenie.
Aplikácie PID regulátora:
Ovládanie teploty:
Vezmime si príklad AC (klimatizácia) akéhokoľvek zariadenia / procesu. Požadovaná hodnota je teplota (20 ° C) a aktuálna nameraná teplota snímačom je 28 ° C. Naším cieľom je prevádzkovať striedavý prúd pri požadovanej teplote (20 ° C). Teraz, radič striedavého prúdu, generujte signál podľa chyby (8 ° C) a tento signál sa odovzdá striedavému prúdu. Podľa tohto signálu sa zmení výstup striedavého prúdu a teplota sa zníži na 25 ° C. Rovnaký proces sa bude opakovať, kým teplotný snímač nezmeria požadovanú teplotu. Ak je chyba nulová, regulátor vydá príkaz na zastavenie striedavého prúdu a teplota sa opäť zvýši na určitú hodnotu a znova sa vygeneruje chyba a rovnaký proces sa bude neustále opakovať.
Návrh regulátora nabíjania MPPT (sledovanie maximálneho výkonu) pre solárny PV:
IV charakteristika FV článku závisí od teploty a úrovne ožiarenia. Prevádzkové napätie a prúd sa teda budú neustále meniť s ohľadom na zmeny atmosférických podmienok. Preto je veľmi dôležité sledovať maximálny energetický bod pre efektívny FV systém. Na nájdenie MPPT sa používa PID regulátor a pre túto hodnotu prúdu a napätia je daná regulátor. Ak sa zmenia atmosférické podmienky, tento sledovač udržuje konštantné napätie a prúd.
Konvertor výkonovej elektroniky:
PID regulátor je najužitočnejší v aplikáciách výkonovej elektroniky ako sú prevodníky. Ak je prevodník pripojený k systému, musí sa podľa zmeny záťaže meniť výstup prevodníka. Napríklad menič je pripojený k záťaži, ak z nej stúpne záťaž, z meniča bude prúdiť viac prúdu. Parametre napätia a prúdu teda nie sú pevné, budú sa meniť podľa požiadaviek. V tomto stave sa PID regulátor používa na generovanie PWM impulzov na spínanie IGBT meniča. Podľa zmeny záťaže sa do regulátora dostane spätnoväzbový signál a ten vygeneruje chybu. PWM impulzy sa generujú podľa chybového signálu. Za týchto podmienok teda môžeme získať premenný vstup a premenný výstup s rovnakým meničom.