- PID krmilnik in njegovo delovanje:
- PID načini nadzora:
- Metode uglaševanja za PID krmilnik:
- Zgradba PID regulatorja:
- Aplikacije PID krmilnika:
Preden razložimo PID krmilnik, poglejmo še nadzorni sistem. Obstajata dve vrsti sistemov; sistem z odprto zanko in sistem z zaprto zanko. Sistem odprto zanko, ki je znana tudi kot nenadzorovano sistem in zanke sistema bližini je znana kot nadzorovan sistem. V sistemu z odprto zanko izhod ni nadzorovan, ker ta sistem nima povratnih informacij, v sistemu z zaprto zanko pa se izhod krmili s pomočjo krmilnika in ta sistem potrebuje eno ali več povratnih poti. Sistem z odprto zanko je zelo preprost, vendar v industrijskih nadzornih aplikacijah ni uporaben, ker je ta sistem nenadzorovan. Sistem z zaprto zanko je zapleten, vendar najbolj uporaben za industrijsko uporabo, saj je v tem sistemu izhod lahko stabilen pri želeni vrednosti, PID je primer sistema zaprte zanke. Blokovni diagram teh sistemov je prikazan na spodnji sliki-1.
Sistem z zaprto zanko je znan tudi kot sistem za nadzor povratnih informacij in ta tip sistema se uporablja za načrtovanje samodejno stabilnega sistema na želeni izhod ali referenco. Iz tega razloga generira signal napake. Signal napake e (t) je razlika med izhodom y (t) in referenčnim signalom u (t) . Če je ta napaka enaka nič, to pomeni, da je dosežen želeni izhod in je v tem stanju izhod enak referenčnemu signalu.
Sušilni stroj na primer deluje nekajkrat, kar je vnaprej nastavljena vrednost. Ko je sušilni stroj vklopljen, se časovnik zažene in bo deloval, dokler se časovnik ne konča in da izhod (suha krpa). To je preprost sistem z odprto zanko, pri katerem izhoda ni treba nadzorovati in ne potrebuje nobene povratne poti. Če smo v tem sistemu uporabili senzor vlage, ki zagotavlja povratno pot in to primerja z nastavljeno točko in povzroči napako. Sušilni stroj deluje, dokler ta napaka ni enaka nič. Pomeni, da je sušilnik nehal delovati, ko je vlaga krpe enaka nastavljeni vrednosti. V sistemu z odprto zanko bo sušilnik deloval določen čas, ne glede na to, ali so oblačila suha ali mokra. Toda v zaprtem sistemu sušilnik ne bo deloval določen čas, deloval bo, dokler se oblačila ne posušijo. To je prednost zaprtega sistema in uporabe krmilnika.
PID krmilnik in njegovo delovanje:
Torej, kaj je PID krmilnik? PID krmilnik je splošno sprejet in najpogosteje uporabljen regulator v industrijski uporabi, ker je PID krmilnik preprost, zagotavlja dobro stabilnost in hiter odziv. PID pomeni sorazmerni, integralni, izpeljani. V vsaki aplikaciji se koeficient teh treh ukrepov spreminja, da se doseže optimalen odziv in nadzor. Vhod krmilnika je signal napake, izhod pa je dan obratu / procesu. Izhodni signal regulatorja se generira tako, da izhod naprave poskuša doseči želeno vrednost.
PID krmilnik je sistem z zaprto zanko, ki ima sistem za nadzor povratnih informacij in primerja spremenljivko procesa (spremenljivka povratne informacije) z nastavljeno točko in generira signal napake ter v skladu s tem prilagodi izhod sistema. Ta postopek se nadaljuje, dokler ta napaka ne doseže ničle ali pa vrednost spremenljivke procesa postane enaka nastavljeni točki.
PID regulator daje boljše rezultate kot ON / OFF regulator. V krmilniku ON / OFF sta na voljo samo dve stanji za nadzor sistema. Lahko je vklopljen ali izklopljen. VKLOPI se, ko je vrednost procesa manjša od nastavljene vrednosti, IZKLOPI pa se, če je vrednost procesa večja od nastavljene vrednosti. V tem krmilniku izhod nikoli ne bo stabilen, vedno bo nihal okoli nastavljene vrednosti. Toda PID regulator je bolj stabilen in natančen v primerjavi s krmilnikom ON / OFF.
PID krmilnik je kombinacija treh izrazov; Sorazmerno, integralno in izpeljano. Razumejmo te tri izraze posamično.
PID načini nadzora:
Sorazmerni (P) odziv:
Izraz "P" je sorazmeren z dejansko vrednostjo napake. Če je napaka velika, je tudi izhod krmiljenja velik in če je napaka majhna, je izhod krmiljenja tudi majhen, vendar je faktor ojačanja (K p)
Tudi upoštevanje. Hitrost odziva je tudi neposredno sorazmerna s sorazmernim faktorjem ojačanja (K p). Torej se hitrost odziva poveča s povečanjem vrednosti K p, če pa se K p poveča čez normalno območje, začne spremenljivka procesa nihati z veliko hitrostjo in povzroči nestabilnost sistema.
y (t) ∝ e (t) y (t) = k i * e (t)
Tu nastalo napako pomnožimo s faktorjem povečanja sorazmernosti (proporcionalna konstanta), kot je prikazano v zgornji enačbi. Če se uporablja samo krmilnik P, takrat zahteva ročno ponastavitev, ker ohranja napako v stanju ustaljenega stanja (odmik).
Celovit (I) odgovor:
Vgrajeni krmilnik se običajno uporablja za zmanjšanje napake v stanju dinamičnega ravnovesja. Izraz "I" se integrira (glede na čas) z dejansko vrednostjo napake . Zaradi integracije zelo majhna vrednost napake povzroči zelo visok integralni odziv. Dejanje integriranega krmilnika se še naprej spreminja, dokler napaka ne postane nič.
y (t) ∝ ∫ e (t) y (t) = k i ∫ e (t)
Integralni dobiček je obratno sorazmeren s hitrostjo odziva, narašča k i, zmanjša hitrost odziva. Proporcionalni in integrirani krmilniki se uporabljajo kombinirano (PI krmilnik) za dobro hitrost odziva in odziv v ustaljenem stanju.
Izvedeni odziv (D):
Izvedeni krmilnik se uporablja za kombinacijo PD ali PID. Nikoli ni bil uporabljen sam, ker če je napaka konstantna (ne-nič), bo izhod regulatorja enak nič. V tem primeru se krmilnik obnaša v življenju nič, v resnici pa je nekaj napak (konstant). Izhod krmilnika izvedenih finančnih instrumentov je neposredno sorazmeren s hitrostjo spremembe napak glede na čas, kot je prikazano v enačbi. Z odstranitvijo znaka sorazmernosti dobimo konstanto dobička izpeljanke (k d). Na splošno se izpeljani krmilnik uporablja, kadar spremenljivke procesorja začnejo nihati ali se spreminjajo z zelo visoko hitrostjo. D-regulator se uporablja tudi za predvidevanje prihodnjega vedenja napake po krivulji napake. Matematična enačba je prikazana spodaj;
y (t) ∝ de (t) / dt y (t) = K d * de (t) / dt
Sorazmerni in integrirani krmilnik:
To je kombinacija krmilnika P in I. Izhod krmilnika je vsota obeh (sorazmernih in integralnih) odzivov. Matematična enačba je prikazana spodaj;
y (t) ∝ (e (t) + ∫ e (t) dt) y (t) = k p * e (t) + k i ∫ e (t) dt
Proporcionalni in izpeljani krmilnik: To je kombinacija krmilnika P in D. Rezultat krmilnika je seštevanje sorazmernih in izvedenih odzivov. Matematična enačba krmilnika PD je prikazana spodaj;
y (t) ∝ (e (t) + de (t) / dt) y (t) = k p * e (t) + k d * de (t) / dt
Sorazmerni, integrirani in izpeljani krmilnik: To je kombinacija krmilnika P, I in D. Izhod krmilnika je seštevanje sorazmernih, integralnih in izvedenih odzivov. Matematična enačba krmilnika PD je prikazana spodaj;
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
Tako s kombinacijo tega sorazmernega, integralnega in izvedenega kontrolnega odziva oblikujte PID krmilnik.
Metode uglaševanja za PID krmilnik:
Za želeni izhod mora biti ta regulator pravilno nastavljen. Postopek pridobivanja idealnega odziva PID regulatorja z nastavitvijo PID se imenuje uglaševanje krmilnika. Nastavitev PID pomeni nastavitev optimalne vrednosti dobička sorazmernega (k p), izvedenega (k d) in integralnega (k i) odziva. PID regulator je nastavljen za zavračanje motenj, kar pomeni, da ostane na določeni nastavljeni točki in sledenju ukaza, kar pomeni, da če se nastavljena vrednost spremeni, bo izhod regulatorja sledil novi nastavljeni vrednosti. Če je regulator pravilno nastavljen, bo izhod regulatorja sledil spremenljivi nastavljeni vrednosti, z manj nihanja in manj dušenja.
Obstaja več načinov za nastavitev PID krmilnika in pridobivanje želenega odziva. Metode za nastavitev krmilnika so spodaj;
- Metoda poskusov in napak
- Tehnika krivulje procesne reakcije
- Ziegler-Nicholsova metoda
- Relejska metoda
- Uporaba programske opreme
1. Metoda preizkusov in napak:
Metoda poskusov in napak je znana tudi kot metoda ročnega nastavljanja in je najpreprostejša metoda. Pri tej metodi najprej povečajte vrednost kp, dokler sistem ne doseže nihajočega odziva, vendar sistem ne sme postati nestabilen in ohraniti vrednost kd in ki nič. Po tem nastavite vrednost ki na tak način, da se nihanje sistema ustavi. Po tem nastavite vrednost kd za hiter odziv.
2. Tehnika krivulje procesne reakcije:
Ta metoda je znana tudi kot metoda uglaševanja Cohen-Coon. Pri tej metodi najprej generiramo krivuljo reakcije procesa kot odziv na motnjo. S to krivuljo lahko izračunamo vrednost ojačanja regulatorja, integralni čas in izpeljani čas. Ta krivulja se določi z ročnim izvajanjem postopka postopka v koraku z odprto zanko. Parameter modela je mogoče najti z odstopanjem motenj v začetnem koraku. Iz te krivulje moramo ugotoviti naklon, mrtvi čas in čas vzpona krivulje, ki ni nič drugega kot vrednost kp, ki in kd.
3. Zeigler-Nicholsova metoda:
Pri tej metodi tudi najprej nastavite vrednost ki in kd nič. Sorazmerni dobiček (kp) se povečuje, dokler ne doseže končnega dobička (ku). končni dobiček ni nič drugega, ampak je dobiček, pri katerem začne zanka nihati. Ta ku in nihajno obdobje Tu se uporabljata za pridobivanje dobička PID regulatorja iz spodnje tabele.
Vrsta krmilnika |
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. Metoda releja:
Ta metoda je znana tudi kot metoda Astrom-Hugglund. Tu se izhod preklopi med dvema vrednostma krmilne spremenljivke, vendar so te vrednosti izbrane tako, da mora postopek preseči nastavljeno vrednost. Kadar je spremenljivka procesa manjša od nastavljene vrednosti, se krmilni izhod nastavi na višjo vrednost. Ko je vrednost procesa večja od nastavljene vrednosti, se krmilni izhod nastavi na nižjo vrednost in oblikuje se izhodna valovna oblika. Obdobje in amplituda te nihajne valovne oblike se izmeri in uporabi za določanje največjega dobička ku in obdobja Tu, ki se uporablja v zgornji metodi.
5. Uporaba programske opreme:
Za uglaševanje PID in optimizacijo zanke so na voljo programski paketi. Ti programski paketi zbirajo podatke in tvorijo matematični model sistema. S tem modelom programska oprema poišče optimalen nastavitveni parameter iz referenčnih sprememb.
Zgradba PID regulatorja:
PID krmilniki so zasnovani na osnovi mikroprocesorske tehnologije. Različni proizvajalci uporabljajo drugačno strukturo in enačbo PID. Najpogosteje uporabljene enačbe PID so; vzporedna, idealna in serijska enačba PID.
V vzporednem PID enačbe, proporcionalni, integralni in izvedene akcije so posebej delajo drug z drugim in združujejo učinek teh treh ukrepov se dejanje v sistemu. Blokovni diagram te vrste PID je prikazan spodaj;
V idealni enačbi PID se konstanta dobička k p porazdeli na vse izraze. Torej, spremembe k p vplivajo na vse druge izraze v enačbi.
V serijski enačbi PID se dobična konstanta k p porazdeli med vse izraze, enako kot idealna enačba PID, vendar v tej enačbi integral in izpeljana konstanta vplivata na sorazmerno delovanje.
Aplikacije PID krmilnika:
Nadzor temperature:
Vzemimo primer AC (klimatske naprave) katere koli naprave / procesa. Nastavljena vrednost je temperatura (20 ͦ C), trenutna temperatura, ki jo izmeri senzor, pa 28 ͦ C. Naš cilj je zagnati izmenični tok pri želeni temperaturi (20 ͦ C). Zdaj, krmilnik izmeničnega toka, generirajte signal glede na napako (8 ͦ C) in ta signal je poslan v izmenični tok. V skladu s tem signalom se spremeni izhod izmeničnega toka in temperatura se zniža na 25 ͦ C. Nadaljeval se bo enak postopek, dokler temperaturni senzor ne izmeri želene temperature. Ko je napaka nič, bo krmilnik dal ukaz stop na AC in temperatura se bo spet povečala do določene vrednosti in spet se bo pojavila napaka in enak postopek se bo neprekinjeno ponavljal.
Oblikovanje MPPT (Maximum power point tracking) regulatorja polnjenja za sončno PV:
IV značilnost PV celice je odvisna od temperature in obsevanosti. Tako se bosta delovna napetost in tok nenehno spreminjali glede na spremembe atmosferskih razmer. Zato je zelo pomembno slediti največji moči za učinkovit PV sistem. Za iskanje MPPT se uporablja PID krmilnik in za to se krmilniku dodeli nastavljena vrednost toka in napetosti. Če se spremenijo atmosferske razmere, ta sledilnik ohranja napetost in tok konstantne.
Pretvornik močnostne elektronike:
PID krmilnik je najbolj uporaben v aplikacijah močne elektronike, kot so pretvorniki. Če je pretvornik povezan s sistemom, se mora glede na spremembo obremenitve spremeniti moč pretvornika. Na primer, pretvornik je povezan z obremenitvijo, če se poveča obremenitev, bo iz pretvornika teklo več toka. Torej, parameter napetosti in toka ni določen, spremenil se bo glede na zahteve. V tem stanju se PID krmilnik uporablja za generiranje PWM impulzov za preklapljanje IGBT pretvornika. Glede na spremembo obremenitve se krmilniku poda povratni signal in povzroči napako. PWM impulzi se generirajo glede na signal napake. Torej, v tem stanju lahko dobimo spremenljiv vhod in spremenljiv izhod z istim pretvornikom.