- PID-kontroller og dens arbeid:
- PID-modus for kontroll:
- Innstillingsmetoder for PID-kontroller:
- Struktur av PID-kontroller:
- Anvendelser av PID-kontroller:
Før vi forklarer PID Controller, la oss revidere om Control System. Det er to typer systemer; open loop system og close loop system. Et åpent sløyfesystem er også kjent som et ukontrollert system og lukkesløyfesystem er kjent som et kontrollert system. I åpent sløyfesystem blir ikke utgangen styrt fordi dette systemet ikke har tilbakemelding, og i et nærtløpssystem styres utgangen ved hjelp av kontrolleren, og dette systemet krever en eller flere tilbakemeldingsbaner. Et åpent sløyfesystem er veldig enkelt, men ikke nyttig i industrielle kontrollapplikasjoner fordi dette systemet er ukontrollert. Close loop-system er komplekst, men mest nyttig for industriell bruk, fordi PID er et eksempel på Closed Loop System i dette systemet som kan være stabilt til en ønsket verdi. Blokkdiagram over disse systemene er som vist i figur 1 nedenfor.
Et lukkesystem er også kjent som tilbakemeldingskontrollsystem, og denne typen system brukes til å designe automatisk stabilt system med ønsket utgang eller referanse. Av denne grunn genererer det et feilsignal. Feilsignal e (t) er en forskjell mellom utgangen y (t) og referansesignalet u (t) . Når denne feilen er null, betyr det at ønsket utgang oppnås, og i denne tilstanden er utgangen den samme som et referansesignal.
For eksempel går en tørketrommel flere ganger, noe som er forhåndsinnstilt verdi. Når tørketrommelen er PÅ, starter tidtakeren og den går til timeren slutter og gir utgang (tørr klut). Dette er et enkelt system med åpen sløyfe, der produksjonen trenger å ikke kontrollere og ikke krever noen tilbakemeldingsbane. Hvis i dette systemet, brukte vi en fuktsensor som gir tilbakemeldingsbane og sammenligner dette med settpunkt og genererer en feil. Tørketrommel går til denne feilen er null. Det betyr at når fuktighet av klut er det samme som innstillingspunktet, vil tørketrommelen slutte å virke. I et åpent sløyfesystem vil tørketrommelen gå i fast tid uavhengig av klærne er tørre eller våte. Men i lukkesystem vil tørketrommelen ikke gå på fast tid, den vil kjøre til klærne er tørre. Dette er fordelen med lukkesystem og bruk av kontroller.
PID-kontroller og dens arbeid:
Så hva er PID-kontroller? PID-kontroller er allment akseptert og mest brukt i industriell applikasjon fordi PID-kontroller er enkel, gir god stabilitet og rask respons. PID står for proporsjonal, integral, derivat. I hver applikasjon varieres koeffisienten til disse tre handlingene for å få optimal respons og kontroll. Kontrollerinngang er feilsignal og utgang blir gitt til anlegget / prosessen. Utgangssignal fra kontrolleren genereres på en slik måte at produksjonen av anlegget prøver å oppnå ønsket verdi.
PID-kontroller er et lukkesløyfesystem som har tilbakemeldingsstyringssystem, og det sammenligner prosessvariabelen (tilbakemeldingsvariabel) med innstillingspunktet og genererer et feilsignal og justerer i henhold til systemets utgang. Denne prosessen fortsetter til denne feilen blir null eller prosessvariabelverdien blir lik settpunktet.
PID-kontroller gir bedre resultater enn ON / OFF-kontroller. I PÅ / AV-kontroller er bare to tilstander tilgjengelige for å kontrollere systemet. Den kan enten PÅ eller AV. Den vil PÅ når prosessverdien er mindre enn innstillingsverdien, og den vil AV når prosessverdien er større enn innstillingsverdien. I denne kontrolleren vil utgangen aldri være stabil, den vil alltid svinge rundt settpunktet. Men PID-kontrolleren er mer stabil og presis sammenlignet med PÅ / AV-kontroller.
PID-kontroller er en kombinasjon av tre termer; Proporsjonalt, integrert og avledet. La oss forstå disse tre begrepene hver for seg.
PID-modus for kontroll:
Proporsjonalt (P) svar:
Begrepet 'P' er proporsjonalt med den faktiske verdien av feilen. Hvis feilen er stor, er også kontrollutgangen stor, og hvis feilen er liten, er kontrollutgangen også liten, men forsterkningsfaktoren (Kp) er
Tar også inn til konto. Responshastighet er også direkte proporsjonal med proporsjonal forsterkningsfaktor (K p). Så er hastigheten av responsen økes ved å øke verdien av K- p, men hvis K p økes over normal verdi, starter prosessvariabel som oscillerer ved høy hastighet og gjøre systemet ustabilt.
y (t) ∝ e (t) y (t) = k i * e (t)
Her multipliseres den resulterende feilen med proporsjonalitetsforsterkningsfaktor (proporsjonal konstant) som vist i ligningen ovenfor. Hvis bare P-kontrolleren brukes, på det tidspunktet, krever den manuell tilbakestilling fordi den opprettholder steady state-feil (offset).
Integrert (I) respons:
Integrert kontroller brukes vanligvis til å redusere steady state-feilen. Begrepet 'I' er integrert (med hensyn til tid) til den faktiske verdien av feilen . På grunn av integrasjon, veldig liten feilverdi, gir veldig høy integralrespons. Integrert kontrollerhandling fortsetter å endres til feilen blir null.
y (t) ∝ ∫ e (t) y (t) = k i ∫ e (t)
Integrert forsterkning er omvendt proporsjonal med responshastigheten, øker k i, reduserer responshastigheten. Proporsjonale og integrerte kontrollere brukes kombinert (PI-kontroller) for god responshastighet og stabil respons.
Derivat (D) svar:
Derivatkontroller brukes til å kombinere PD eller PID. Den ble aldri brukt alene, for hvis feilen er konstant (ikke-null), vil utgangen fra kontrolleren være null. I denne situasjonen oppfører kontrolleren seg til livs null feil, men faktisk er det noen feil (konstant). Utgang fra avledet kontroller er direkte proporsjonal med hastigheten på endring av feil med hensyn til tid som vist i ligning. Ved å fjerne tegn på proporsjonalitet får vi derivatforsterkningskonstant (k d). Generelt brukes derivatkontroller når prosessorvariabler begynner å svinge eller endres med en veldig høy hastighet. D-controller brukes også til å forutse den fremtidige oppførselen til feilen etter feilkurve. Matematisk ligning er som vist nedenfor;
y (t) ∝ de (t) / dt y (t) = K d * de (t) / dt
Proporsjonal og integrert kontroller:
Dette er en kombinasjon av P- og I-kontroller. Output av kontrolleren er summering av begge (proporsjonale og integrerte) svarene. Matematisk ligning er som vist nedenfor;
y (t) ∝ (e (t) + ∫ e (t) dt) y (t) = k p * e (t) + k i ∫ e (t) dt
Proporsjonal og derivatkontroller: Dette er en kombinasjon av P- og D-kontroller. Output av controller er oppsummering av proporsjonale og avledede svar. Matematisk ligning av PD-kontroller er som vist nedenfor;
y (t) ∝ (e (t) + de (t) / dt) y (t) = k p * e (t) + k d * de (t) / dt
Proporsjonal, integrert og avledet kontroller: Dette er en kombinasjon av P-, I- og D-kontroller. Output av controller er summering av proporsjonale, integrerte og avledede svar. Matematisk ligning av PD-kontroller 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
Dermed, ved å kombinere denne proporsjonale, integrerte og avledede kontrollresponsen, danner du en PID-kontroller.
Innstillingsmetoder for PID-kontroller:
For ønsket utgang må denne kontrolleren være riktig innstilt. Prosessen med å få ideell respons fra PID-kontrolleren ved PID-innstilling kalles tuning of controller. PID-innstilling betyr å angi den optimale verdien av forsterkningen av proporsjonal (k p), derivat (k d) og integral (k i) respons. PID-kontrolleren er innstilt for avvisning av forstyrrelser, betyr å holde seg ved et gitt settpunkt og kommandosporing, betyr at hvis settpunktet endres, vil utgangen fra kontrolleren følge det nye settpunktet. Hvis kontrolleren er riktig innstilt, vil utgangen fra kontrolleren følge variabelt settpunkt, med mindre svingning og mindre demping.
Det er flere metoder for å stille inn PID-kontrolleren og få ønsket respons. Metoder for innstilling av kontrolleren er som nedenfor;
- Prøve- og feilmetode
- Prosess reaksjonskurve teknikk
- Ziegler-Nichols-metoden
- Relémetode
- Bruke programvare
1. Prøv og feilsøkingsmetode:
Trial and error-metoden er også kjent som manuell innstillingsmetode, og denne metoden er den enkleste metoden. I denne metoden må du først øke verdien av kp til systemet når til oscillerende respons, men systemet skal ikke gjøre ustabilt og holde verdien på kd og ki null. Sett deretter verdien på ki på en slik måte at svingning av systemet stopper. Deretter angir du verdien av kd for rask respons.
2. Prosessreaksjonskurveteknikk:
Denne metoden er også kjent som Cohen-Coon tuning metode. I denne metoden genererer du først en prosessreaksjonskurve som respons på en forstyrrelse. Ved denne kurven kan vi beregne verdien av regulatorforsterkning, integrertid og derivattid. Denne kurven identifiseres ved å utføre manuelt i trinntest med åpen sløyfe av prosessen. Modellparameter kan finne ved innledende trinnprosentforstyrrelse. Fra denne kurven må vi finne slop, dødtid og stigningstid for kurven som ikke er noe annet enn verdien av kp, ki og kd.
3. Zeigler-Nichols metode:
I denne metoden setter du også først verdien til ki og kd null. Den proporsjonale forsterkningen (kp) øker til den når den ultimate forsterkningen (ku). ultimate gevinst er ingenting, men det er en gevinst der utløpet av sløyfen begynner å svinge. Denne ku og svingningsperioden Tu brukes til å hente forsterkning av PID-kontrolleren fra nedenstående tabell.
|
Type kontroller |
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. Relémetode:
Denne metoden er også kjent som Astrom-Hugglund-metoden. Her byttes utgangen mellom to verdier av kontrollvariabelen, men disse verdiene velges på en slik måte at prosessen må krysse settpunktet. Når prosessvariabelen er mindre enn settpunktet, settes kontrollutgangen til den høyere verdien. Når prosessverdien er større enn settpunktet, settes kontrollutgangen til den lavere verdien, og utgangsbølgeformen dannes. Perioden og amplituden til denne oscillerende bølgeformen måles og brukes til å bestemme den endelige forsterkningen ku og perioden Tu som brukes i fremgangsmåten ovenfor.
5. Bruke programvare:
For PID-innstilling og løkkeoptimalisering er programvarepakker tilgjengelig. Disse programvarepakkene samler inn data og lager en matematisk modell av systemet. Ved denne modellen finner programvaren en optimal innstillingsparameter fra referanseendringer.
Struktur av PID-kontroller:
PID-kontrollere er designet basert på mikroprosessorteknologien. Ulike produsenter bruker forskjellig PID-struktur og ligning. De vanligste PID-ligningene er; parallell, ideell og serie PID-ligning.
I parallell PID-ligning fungerer proporsjonale, integrerte og avledede handlinger hver for seg, og kombinasjonseffekten av disse tre handlingene virker i systemet. Blokkdiagram for denne typen PID er som vist nedenfor;
I den ideelle PID-ligningen fordeles forsterkningskonstanten k p til hele begrepet. Så, endringer i k p påvirker alle andre termer i ligningen.
I serie PID-ligning fordeles forsterkningskonstanten k p til alle begrep som er de samme som ideell PID-ligning, men i denne ligningen har integral og derivatkonstant en effekt på proporsjonal handling.
Anvendelser av PID-kontroller:
Temperatur kontroll:
La oss ta et eksempel på AC (klimaanlegg) for ethvert anlegg / prosess. Settpunktet er temperatur (20 ͦ C) og den nåværende målte temperaturen av sensoren er 28 ͦ C. Målet vårt er å kjøre vekselstrøm ved ønsket temperatur (20 ͦ C). Nå, kontroller av AC, genererer signal i henhold til feil (8 ͦ C), og dette signalet blir gitt til AC. I følge dette signalet endres utgangen fra AC og temperaturen reduseres til 25 ° C. Videre vil samme prosess gjenta til temperatursensoren måler ønsket temperatur. Når feilen er null, vil kontrolleren gi stoppkommando til AC, og igjen vil temperaturen øke til en viss verdi, og igjen vil feilen generere og samme prosess gjentas kontinuerlig.
Design av MPPT (Maximum power point tracking) ladestyring for solcelle-PV:
IV-karakteristikken til en PV-celle avhenger av temperatur og bestrålingsnivå. Så, driftsspenning og strøm vil endres kontinuerlig med hensyn til endring i atmosfæriske forhold. Derfor er det veldig viktig å spore maksimalt effektpunkt for et effektivt PV-system. For å finne MPPT brukes PID-kontroller, og for det er det gitt setpoint til kontrolleren. Hvis atmosfæriske forhold endres, holder denne trackeren spenning og strøm konstant.
Power elektronikk omformer:
PID-kontroller er mest nyttig i kraftelektronikkapplikasjoner som omformere. Hvis en omformer er koblet til systemet, i henhold til endring i belastning, må utgangen fra omformeren endres. For eksempel er en inverter koblet til belastning, hvis belastningen øker, vil mer strøm strømme fra omformeren. Så spennings- og strømparameteren er ikke løst, den vil endres i henhold til kravet. I denne tilstanden brukes PID-kontroller til å generere PWM-pulser for bytte av IGBT-er til omformeren. I henhold til endring i belastning gis tilbakemeldingssignal til kontrolleren, og det vil generere feil. PWM-pulser genereres i henhold til feilsignalet. Så i denne tilstanden kan vi få variabel inngang og variabel utgang med samme inverter.