Pid-controllere: arbejds-, struktur- og tuningmetoder

Før vi forklarer PID Controller, lad os revidere om Control System. Der er to typer systemer; åbent loop-system og close loop-system. Et åbent kredsløbssystem er også kendt som et ukontrolleret system, og lukket kredsløbssystem er kendt som et kontrolleret system. I åbent loop-system styres output ikke, fordi dette system ikke har nogen feedback, og i et tæt loop-system styres output ved hjælp af controller, og dette system kræver en eller flere feedback-stier. Et open loop-system er meget simpelt, men ikke nyttigt i industrielle kontrolapplikationer, fordi dette system er ukontrolleret. Lukket loop-system er komplekst, men mest nyttigt til industriel anvendelse, fordi PID i dette system kan være stabilt til en ønsket værdi, er PID et eksempel på Closed Loop System. Blokdiagram over disse systemer er som vist i figur 1 nedenfor.

Et tæt loop-system er også kendt som feedback kontrolsystem, og denne type system bruges til at designe automatisk stabilt system ved ønsket output eller reference. Af denne grund genererer det et fejlsignal. Fejlsignalet e (t) er en forskel mellem output y (t) og referencesignalet u (t) . Når denne fejl er nul, betyder det, at ønsket output er opnået, og i denne tilstand er output det samme som et referencesignal.

For eksempel kører en tørretumbler flere gange, hvilket er den forudindstillede værdi. Når tørretumbleren er tændt, starter timeren, og den kører, indtil timeren slutter og giver output (tør klud). Dette er et simpelt system med åben sløjfe, hvor output ikke behøver at styre og ikke kræver nogen feedbacksti. Hvis vi i dette system brugte en fugtighedsføler, der giver feedbacksti og sammenligner dette med setpunkt og genererer en fejl. Tørretumbler kører, indtil denne fejl er nul. Det betyder, at når fugt af klud er det samme som sætpunktet, stopper tørretumbleren med at arbejde. I åbent loop-system kører tørretumbler i fast tid, uanset om tøjet er tørt eller vådt. Men i tætløbssystem kører tørretumbler ikke i fast tid, den kører, indtil tøjet er tørt. Dette er fordelen ved tæt loop-system og brug af controller.

PID-controller og dens arbejde:

Så hvad er PID-controller? PID-controller er universelt accepteret og mest almindeligt anvendt controller i industriel anvendelse, fordi PID-controller er enkel, giver god stabilitet og hurtig respons. PID står for proportional, integreret, derivat. I hver applikation varieres koefficienten for disse tre handlinger for at få optimal respons og kontrol. Controllerindgang er fejlsignal, og output gives til anlægget / processen. Udgangssignal fra controller genereres på en sådan måde, at output fra anlægget forsøger at opnå den ønskede værdi.

PID-controller er et tæt loop-system, der har feedback-styringssystem, og det sammenligner procesvariablen (feedbackvariabel) med indstillingspunktet og genererer et fejlsignal og justerer i overensstemmelse hermed systemets output. Denne proces fortsætter, indtil denne fejl kommer til nul, eller procesvariabelværdien svarer til sætpunktet.

PID-controller giver bedre resultater end ON / OFF-controller. I ON / OFF-controller er der kun to tilstande til rådighed til at styre systemet. Det kan enten være ON eller OFF. Den vil være TIL, når procesværdien er mindre end indstillingspunktet, og den vil FRA, når procesværdien er større end indstillingsværdien. I denne controller vil output aldrig være stabilt, det vil altid svinge omkring setpunktet. Men PID-controller er mere stabil og præcis sammenlignet med ON / OFF-controller.

PID-controller er en kombination af tre termer; Proportional, integreret og afledt. Lad os forstå disse tre udtryk individuelt.

PID-kontrolformer:

Proportionelt (P) svar:

Udtrykket 'P' er proportionalt med den faktiske værdi af fejlen. Hvis fejlen er stort, kontrol output er også stor, og hvis fejlen er lille kontrol output er også små, men gain faktor (K _p) er

Tager også med til konto. Hastighed af respons er også direkte proportional med proportionalforstærkningen faktor (K _p). Så er hastigheden af reaktion forøges ved at forøge værdien af K _p men hvis K _p øges ud over normalområdet, begynder procesvariabel oscillerende ved høj hastighed og byggesystemet ustabil.

y (t) ∝ e (t) y (t) = k _i * e (t)

Her ganges den resulterende fejl med proportionalitetsforstærkningsfaktoren (proportional konstant) som vist i ovenstående ligning. Hvis kun P-controller bruges på det tidspunkt, kræver det manuel nulstilling, fordi den opretholder steady state-fejl (offset).

Integreret (I) svar:

Integreret controller bruges generelt til at mindske steady state-fejlen. Udtrykket 'I' er integreret (med hensyn til tid) til den faktiske værdi af fejlen . På grund af integration resulterer meget lille fejlværdi i meget højt integralt svar. Integreret controllerhandling fortsætter med at ændre sig, indtil fejlen bliver nul.

y (t) ∝ ∫ e (t) y (t) = k _i ∫ e (t)

Integral gevinst er omvendt proportional med hastigheden af svar, stigende k _jeg, sænke hastigheden af respons. Proportionelle og integrerede controllere bruges kombineret (PI-controller) til god reaktionshastighed og steady state-respons.

Derivat (D) svar:

Derivat controller bruges til med kombination af PD eller PID. Det blev aldrig brugt alene, for hvis fejlen er konstant (ikke-nul), vil output fra controlleren være nul. I denne situation opfører controller sig livs nul-fejl, men i virkeligheden er der nogle fejl (konstant). Output fra den afledte controller er direkte proportional med hastigheden for fejlændring med hensyn til tid som vist i ligning. Ved at fjerne tegn på proportionalitet får vi derivatforøgelseskonstant (k _d). Generelt anvendes derivat controller, når processorvariabler begynder at svinge eller ændres med en meget høj hastighed. D-controller bruges også til at foregribe den fremtidige opførsel af fejlen efter fejlkurve. Matematisk ligning er som vist nedenfor;

y (t) ∝ de (t) / dt y (t) = K _d * de (t) / dt

Proportionel og integreret controller:

Dette er en kombination af P- og I-controller. Output fra controlleren er en sammenfatning af begge (proportionale og integrale) svar. Matematisk ligning er som vist nedenfor;

y (t) ∝ (e (t) + ∫ e (t) dt) y (t) = k _p * e (t) + k _i ∫ e (t) dt

Proportionel og afledt controller: Dette er en kombination af P- og D-controller. Output af controller er opsummering af proportionale og afledte svar. Matematisk ligning af PD-controller er som vist nedenfor;

y (t) ∝ (e (t) + de (t) / dt) y (t) = k _p * e (t) + k _d * de (t) / dt

Proportional, integreret og afledt controller: Dette er en kombination af P, I og D controller. Output af controller er opsummering af proportionale, integrerede og afledte svar. Matematisk ligning af PD-controller er som vist nedenfor;

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

Ved at kombinere dette proportionale, integrale og afledte kontrolrespons danner du således en PID-controller.

Tuning Metoder til PID-controller:

For ønsket output skal denne controller være indstillet korrekt. Processen med at få ideel respons fra PID-controlleren ved PID-indstilling kaldes tuning af controller. PID-indstilling betyder at indstille den optimale værdi for forstærkning af proportional (k _p), derivat (k _d) og integral (k _i) respons. PID-controller er indstillet til afvisning af forstyrrelse betyder at forblive ved et givet sætpunkt og kommandosporing, betyder, at hvis sætpunktet ændres, vil output fra controlleren følge det nye sætpunkt. Hvis regulatoren er korrekt indstillet, følger regulatorens output det variable sætpunkt med mindre svingning og mindre dæmpning.

Der er flere metoder til at indstille PID-controller og få det ønskede svar. Metoder til tuning af controller er som nedenfor;

1. Test og fejl metode
2. Process reaktionskurve teknik
3. Ziegler-Nichols metode
4. Relæmetode
5. Brug af software

1. Test- og fejlmetode:

Trial and error-metode er også kendt som manuel tuning-metode, og denne metode er den enkleste metode. I denne metode skal du først øge værdien af ​​kp, indtil systemet når til oscillerende respons, men systemet bør ikke gøre ustabilt og holde værdien på kd og ki nul. Derefter indstilles værdien af ​​ki på en sådan måde, at svingning af systemet stopper. Derefter indstilles værdien af ​​kd til hurtig respons.

2. Process reaktionskurve teknik:

Denne metode er også kendt som Cohen-Coon tuning metode. I denne metode genereres først en procesreaktionskurve som reaktion på en forstyrrelse. Ved denne kurve kan vi beregne værdien af ​​controllerforstærkning, integreret tid og afledt tid. Denne kurve identificeres ved at udføre manuelt i open loop trin test af processen. Modelparameter kan finde ved indledende trin procentvis forstyrrelse. Fra denne kurve er vi nødt til at finde slop, død tid og stigningstid for kurve, som ikke er andet end værdien af ​​kp, ki og kd.

3. Zeigler-Nichols metode:

I denne metode skal du også først indstille værdien af ​​ki og kd nul. Den proportionale forstærkning (kp) øges, indtil den når den ultimative forstærkning (ku). ultimativ gevinst er intet, men det er en gevinst, hvor output af sløjfe begynder at svinge. Denne ku og svingningsperioden Tu bruges til at udlede forstærkning af PID-controller fra nedenstående tabel.

Type controller	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. Relæmetode:

Denne metode er også kendt som Astrom-Hugglund-metoden. Her skiftes output mellem to værdier af kontrolvariablen, men disse værdier vælges på en sådan måde, at processen skal krydse sætpunktet. Når procesvariablen er mindre end sætpunktet, indstilles kontroludgangen til den højere værdi. Når procesværdien er større end sætpunktet, indstilles kontroloutputtet til den lavere værdi, og der dannes outputbølgeform. Perioden og amplituden af ​​denne oscillerende bølgeform måles og bruges til at bestemme ultimativ forstærkning ku og periode Tu, som anvendes i ovenstående metode.

5. Brug af software:

Til PID-tuning og loopoptimering er softwarepakker tilgængelige. Disse softwarepakker indsamler data og laver en matematisk model af systemet. Ved denne model finder software en optimal tuningparameter ud fra referenceændringer.

Struktur af PID-controller:

PID-controllere er designet baseret på mikroprocessorteknologien. Forskellige producenter bruger forskellige PID-strukturer og ligninger. De mest almindelige anvendte PID-ligninger er; parallel, ideel og serie PID-ligning.

I parallel PID ligning, er proportionale, integrale og afledte aktioner arbejder hver med hinanden og kombinere virkning af disse tre handlinger er handling i systemet. Blokdiagram for denne type PID er som vist nedenfor;

I ideel PID-ligning fordeles forstærkningskonstant k _p til hele begrebet. Så ændringer i k _p påvirker alle andre udtryk i ligningen.

I serie PID-ligning fordeles forstærkningskonstanten k _p til alle termer, der er de samme som den ideelle PID-ligning, men i denne ligning har integral og derivatkonstant en effekt på proportional handling.

Anvendelser af PID-controller:

Temperaturkontrol:

Lad os tage et eksempel på AC (klimaanlæg) på ethvert anlæg / proces. Setpunktet er temperatur (20 ͦ C), og den aktuelle målte temperatur med sensoren er 28 ͦ C. Vores mål er at køre vekselstrøm ved ønsket temperatur (20 ͦ C). Nu, controller af AC, genererer signal i henhold til fejl (8 ͦ C), og dette signal gives til AC. Ifølge dette signal ændres udgangen af ​​AC, og temperaturen sænkes til 25 ͦ C. yderligere samme proces gentages, indtil temperatursensoren måler den ønskede temperatur. Når fejlen er nul, vil controlleren give stopkommando til AC, og igen vil temperaturen stige op til en bestemt værdi, og igen genereres der fejl og samme proces gentages kontinuerligt.

Design af MPPT (Maximum power point tracking) ladestyring til solcelleanlæg:

IV-karakteristikken for en PV-celle afhænger af temperatur og bestrålingsniveau. Så driftsspænding og strøm vil ændre sig kontinuerligt med hensyn til ændringer i atmosfæriske forhold. Derfor er det meget vigtigt at spore det maksimale effektpunkt for et effektivt solcelleanlæg. For at finde MPPT anvendes PID-controller, og til dette gives regulatoren setpunkt for strøm og spænding. Hvis atmosfæriske forhold ændrer sig, holder denne tracker spænding og strøm konstant.

Power elektronik konverter:

PID-controller er mest anvendelig i kraftelektronikapplikationer som konvertere. Hvis en konverter er tilsluttet systemet, skal konverterens output ændre sig i henhold til belastningsændring. For eksempel er en inverter forbundet med belastning, hvis belastningen øges, strømmer mere strøm fra inverteren. Så spændings- og strømparameteren er ikke løst, den ændres efter behov. I denne tilstand bruges PID-controller til at generere PWM-impulser til omskiftning af IGBT'er til inverter. I henhold til ændring i belastning gives feedback signal til controlleren, og det vil generere fejl. PWM-impulser genereres i henhold til fejlsignalet. Så i denne tilstand kan vi få variabel input og variabel output med samme inverter.