Pid vezérlők: munka, felépítés és hangolási módszerek

Mielőtt elmagyaráznánk a PID-vezérlőt, nézzük át a vezérlőrendszert. Kétféle rendszer létezik; nyílt hurkú rendszer és zárt hurkú rendszer. Egy nyílt hurkú rendszer is ismert, mint egy ellenőrizhetetlen és szoros hurok rendszer néven ismert vezérelt rendszer. Nyílt hurkú rendszerben a kimenetet nem vezérlik, mivel ennek a rendszernek nincs visszacsatolása, és egy zárt hurkú rendszerben a kimenetet a vezérlő segítségével vezérlik, és ez a rendszer egy vagy több visszacsatolási utat igényel. A nyílt hurkú rendszer nagyon egyszerű, de ipari vezérlési alkalmazásokban nem hasznos, mivel ez a rendszer nem ellenőrzött. A zárt hurkú rendszer összetett, de a leghasznosabb ipari alkalmazásra, mivel ebben a rendszerben a kimenet a kívánt értéken stabil lehet, a PID a zárt hurok rendszer példája. Ennek a rendszernek a blokkvázlata az 1. ábrán látható.

A szoros hurok rendszer visszacsatolás-vezérlőrendszerként is ismert, és ezt a típusú rendszert automatikusan stabil rendszer tervezésére használják a kívánt kimeneten vagy referencián. Emiatt hibajelzést generál. Az e (t) hibajel különbség az y (t) kimenet és az u (t) referenciajel között. Ha ez a hiba nulla, az azt jelenti, hogy a kívánt kimenetet elértük, és ebben az állapotban a kimenet megegyezik egy referenciajelrel.

Például egy szárító többször működik, ami előre beállított érték. A szárító bekapcsolásakor az időzítő elindul, és addig fog működni, amíg az időzítő le nem áll, és kimenetet (száraz ruhát) eredményez. Ez egy egyszerű nyílt hurok rendszer, ahol a kimenetnek nem kell vezérelnie, és nem igényel visszacsatolási utat. Ha ebben a rendszerben nedvességérzékelőt használtunk, amely visszacsatolási utat ad, összehasonlítja ezt az alapértékkel, és hibát generál. A szárító addig működik, amíg ez a hiba nulla. Ez azt jelenti, hogy amikor a ruha nedvessége megegyezik a beállított ponttal, a szárító leáll. A nyílt hurkú rendszer, szárító fog futni fix időben, függetlenül attól, ruhák száraz vagy nedves. De szoros ciklusú rendszerben a szárító nem működik meghatározott ideig, hanem addig működik, amíg a ruhák kiszáradnak. Ez a szoros hurok rendszer és a vezérlő használatának előnye.

PID vezérlő és működése:

Mi tehát a PID vezérlő? A PID vezérlő általánosan elfogadott és ipari alkalmazásokban leggyakrabban használt vezérlő, mivel a PID vezérlő egyszerű, jó stabilitást és gyors reagálást biztosít. A PID az arányos, integrál, derivált rövidítést jelenti. Minden alkalmazásban ennek a három műveletnek az együtthatója változik az optimális válasz és az ellenőrzés érdekében. A vezérlő bemenete hibajel, és a kimenetet az üzem / folyamat kapja meg. A vezérlő kimeneti jele úgy keletkezik, hogy az erőmű kimenetével megpróbálja elérni a kívánt értéket.

A PID vezérlő egy visszacsatolás-vezérlő rendszerrel rendelkező Close loop rendszer, amely összehasonlítja a Process változót (visszacsatoló változót) a beállított ponttal és hibajelt generál, és ennek megfelelően beállítja a rendszer kimenetét. Ez a folyamat addig folytatódik, amíg a hiba nullára nem kerül, vagy a folyamat változója nem lesz egyenlő a beállított ponttal.

A PID vezérlő jobb eredményeket ad, mint az ON / OFF vezérlő. Az ON / OFF vezérlőben csak két állapot áll rendelkezésre a rendszer vezérléséhez. Vagy BE, vagy KI lehet. Akkor kapcsol be, ha a folyamat értéke kisebb, mint az alapérték, és akkor kapcsol ki, ha a folyamat értéke nagyobb, mint az alapérték. Ebben a vezérlőben a kimenet soha nem lesz stabil, mindig az alapjel körül ingadozik. De a PID szabályozó stabilabb és pontosabb, mint az ON / OFF vezérlő.

A PID vezérlő három kifejezés kombinációja; Arányos, Integrált és Származtatott. Értsük meg ezt a három kifejezést külön-külön.

PID vezérlési módok:

Arányos (P) válasz:

A „P” kifejezés arányos a hiba tényleges értékével. Ha a hiba nagy, akkor a vezérlő kimenete is nagy, és ha a hiba kicsi, akkor a kimenet is kicsi, de az erősítési tényező (K _p)

Figyelembe véve is. A válasz sebessége szintén egyenesen arányos az arányos erősítési tényezővel (K _p). Tehát a sebességet választ megnöveltük a K értéke _p de ha K _p fölé emelkedik a normális tartományban, a folyamat változó kezd oszcilláló nagy sebességgel és make rendszer instabil.

y (t) ∝ e (t) y (t) = k _i * e (t)

Itt a kapott hibát megszorozzuk az arányosság-növelési tényezővel (arányos állandó), amint az a fenti egyenletben látható. Ha csak P vezérlőt használnak, akkor annak kézi visszaállításra van szüksége, mert fenntartja az egyensúlyi állapot hibáját (eltolás).

Integrált (I) válasz:

Az egyensúlyi hiba csökkentésére általában az integrált vezérlőt használják. Az „I” kifejezés integrálódik (az idő tekintetében) a hiba tényleges értékébe . Az integráció miatt a hiba nagyon kicsi értéke nagyon magas integrált választ eredményez. Az integrált vezérlő művelete folyamatosan változik, amíg a hiba nulla lesz.

y (t) ∝ ∫ e (t) y (t) = k _i ∫ e (t)

Az integrált erősítés fordítottan arányos a válasz sebességével, növekszik a k _i, csökkenti a válasz sebességét. Az arányos és az integrált vezérlőket kombinálva (PI szabályozó) használják a jó válaszsebesség és az egyensúlyi állapot elérése érdekében.

Származtatott (D) válasz:

A származtatott vezérlő a PD vagy a PID kombinációjával szokott. Soha nem használta egyedül, mert ha a hiba állandó (nem nulla), akkor a vezérlő kimenete nulla lesz. Ebben a helyzetben a vezérlő nulla hibát követ el, de valójában van némi hiba (állandó). A derivatív vezérlő kimenete egyenesen arányos a hiba időbeli változásának sebességével, amint az az egyenletben látható. Az arányosság előjelének eltávolításával derivatív erősítési állandót kapunk (k _d). Általában a Származtatott vezérlőt alkalmazzák, amikor a processzor változók ingadozni kezdenek vagy nagyon nagy sebességgel változnak. A D-vezérlőt arra is felhasználják, hogy a hiba jövőbeli viselkedését hiba görbe alapján előre jelezze. A matematikai egyenlet az alábbiakban látható;

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

Arányos és integrált vezérlő:

Ez a P és I vezérlő kombinációja. A vezérlő kimenete mindkét (arányos és integrális) válasz összegzése. A matematikai egyenlet az alábbiakban látható;

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

Arányos és derivált vezérlő: Ez a P és a D vezérlő kombinációja. A vezérlő kimenete az arányos és a derivált válaszok összegzése. A PD vezérlő matematikai egyenlete az alábbiakban látható;

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

Arányos, integrált és származtatott vezérlő: Ez a P, I és D vezérlő kombinációja. A vezérlő kimenete az arányos, integrális és derivált válaszok összegzése. A PD vezérlő matematikai egyenlete az alábbiakban látható;

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

Így ennek az arányos, integrális és derivált vezérlési válasznak a kombinálásával alakítson ki egy PID vezérlőt.

PID-vezérlő hangolási módszerei:

A kívánt kimenethez ezt a vezérlőt megfelelően kell hangolni. A PID-szabályozó által a PID-beállítással ideális válasz elérésének folyamatát a vezérlő hangolásának nevezzük. A PID beállítása az arányos (k _p), a derivált (k _d) és az integrális (k _i) válasz erősítésének optimális értékét állítja be. A PID vezérlő a zavar elutasítására van hangolva: azt jelenti, hogy egy adott alapjelnél maradjon, és a parancskövetést, vagyis ha az alapérték megváltozik, a vezérlő kimenete az új alapértéket követi. Ha a vezérlőt megfelelően hangolják, a vezérlő kimenete változó alapjelet követ, kevesebb rezgéssel és kisebb csillapítással.

Számos módszer létezik a PID vezérlő hangolására és a kívánt válasz elérésére. A vezérlő hangolásának módszerei az alábbiak;

1. Próba és hiba módszer
2. A folyamat reakciógörbe technikája
3. Ziegler-Nichols módszer
4. Relé módszer
5. Szoftver használata

1. Próba- és hibamódszer:

A próba- és hibamódszer manuális hangolási módszerként is ismert, és ez a legegyszerűbb módszer. Ebben a módszerben először növelje a kp értékét, amíg a rendszer el nem éri az oszcilláló választ, de a rendszernek nem szabad instabillá válnia, és a kd és ​​ki értékét nullának kell tartania. Ezután állítsa be a ki értékét oly módon, hogy a rendszer rezgése leálljon. Ezt követően állítsa be a kd értékét a gyors válasz érdekében.

2. A folyamat reakciógörbéjének technikája:

Ez a módszer Cohen-Coon hangolási módszer néven is ismert. Ebben a módszerben először előállítunk egy folyamat reakciógörbét egy zavarra válaszul. Ezzel a görbével kiszámíthatjuk a vezérlő erősítésének, az integrált időnek és a derivált időnek az értékét. Ezt a görbét a folyamat nyitott hurkú tesztjének manuális végrehajtásával lehet azonosítani. A modellparaméter a kezdeti lépés szerint képes megtalálni a százalékos zavarokat. Ebből a görbéből meg kell találnunk a görbe meredekségét, holtidejét és emelkedési idejét, amely nem más, mint a kp, ki és a kd értéke.

3. Zeigler-Nichols módszer:

Ebben a módszerben először állítsuk be a ki és a kd értékét is. Az arányos nyereség (kp) addig növekszik, amíg el nem éri a végső nyereséget (ku). a végső nyereség nem más, hanem egy olyan nyereség, amelynél a hurok kimenete oszcillálni kezd. Ezt a ku-t és a Tu rezgési periódust használjuk a PID-szabályozó nyereségének az alábbi táblázatból történő levezetésére.

A vezérlő típusa	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. Relé módszer:

Ez a módszer más néven Astrom-Hugglund módszer. Itt a kimenetet a vezérlő változó két értéke között kapcsolják, de ezeket az értékeket úgy választják meg, hogy a folyamatnak át kell lépnie az alapjelen. Ha a folyamat változója kisebb, mint az alapérték, akkor a vezérlő kimenetét magasabb értékre állítjuk be. Ha a folyamat értéke nagyobb, mint az alapérték, akkor a vezérlő kimenetet alacsonyabb értékre állítjuk, és a kimeneti hullámforma képződik. Ennek az oszcillációs hullámformának a periódusát és amplitúdóját megmérjük, és felhasználjuk a fenti módszerben használt végső nyereség és a Tu periódus meghatározására.

5. Szoftver használata:

A PID hangoláshoz és a hurok optimalizálásához szoftvercsomagok állnak rendelkezésre. Ezek a szoftvercsomagok adatokat gyűjtenek, és matematikai modellt készítenek a rendszerről. Ezzel a modellel a szoftver megtalálja az optimális hangolási paramétert a referencia-változásokból.

A PID vezérlő felépítése:

A PID vezérlőket a mikroprocesszoros technológiára alapozták. Különböző gyártók különböző PID struktúrát és egyenletet használnak. A leggyakrabban használt PID egyenletek; párhuzamos, ideális és soros PID egyenlet.

A párhuzamos PID egyenlet, arányos, integráló és derivatív műveleteket dolgoznak egymástól elkülönítetten és összekapcsolják hatást ezek a három művelet jogszabály a rendszerben. Az ilyen típusú PID blokkvázlata az alábbiakban látható;

Az ideális PID egyenletben a k _p erősítési állandó eloszlik az összes tagra. Tehát a k _p változásai hatással vannak az egyenlet összes többi kifejezésére.

A sorozat PID egyenletében a k _p erősítési konstans eloszlik minden kifejezésre, mint az ideális PID egyenlet, de ebben az egyenletben az integrál és a derivált konstans hatással van az arányos működésre.

A PID vezérlő alkalmazásai:

Hőmérséklet-szabályozás:

Vegyünk egy példát bármely üzem / folyamat váltakozó áramú (légkondicionáló) készülékére. Az alapérték a hőmérséklet (20 ° C), és az érzékelő által mért aktuális hőmérséklet 28 ° C. Célunk, hogy az AC-t a kívánt hőmérsékleten (20 ° C) működtessük. Most, az AC vezérlője, generál jelet a hiba szerint (8 generate C), és ezt a jelet az AC kapja. E jel szerint az AC kimenete megváltozik, és a hőmérséklet 25 ° C-ra csökken. További ugyanaz a folyamat megismétlődik, amíg a hőmérséklet-érzékelő meg nem méri a kívánt hőmérsékletet. Ha a hiba nulla, a vezérlő megállító parancsot ad az AC-nek, és ismét a hőmérséklet bizonyos értékre emelkedik, és ismét hiba keletkezik, és ugyanaz a folyamat folyamatosan megismétlődik.

MPPT (Maximum Power Point Tracking) töltésszabályozó tervezése szolár napelemhez:

A PV-sejt IV jellemzője a hőmérséklettől és a besugárzási szinttől függ. Tehát az üzemi feszültség és áram folyamatosan változik a légköri viszonyok változásához képest. Ezért nagyon fontos a hatékony PV-rendszer maximális teljesítménypontjának nyomon követése. Az MPPT megtalálásához a PID szabályozót kell használni, és ehhez az áram és a feszültség alapjelét megkapja a vezérlő. Ha a légköri viszonyok megváltoznak, ez a nyomkövető állandóan tartja a feszültséget és az áramot.

Teljesítményelektronikai átalakító:

A PID vezérlő a teljesítményelektronikai alkalmazásokban a leghasznosabb, mint a konverterek. Ha egy átalakító csatlakozik a rendszerhez, akkor a terhelés változásának megfelelően az átalakító kimenetének meg kell változnia. Például egy inverter csatlakoztatva van a terheléshez, ha a terhelés növekedése nagyobb áram áramlik az inverterből. Tehát a feszültség és az áram paraméterei nem rögzülnek, a követelményeknek megfelelően változnak. Ebben az állapotban a PID vezérlőt használják PWM impulzusok előállítására az inverter IGBT-jeinek kapcsolására. A terhelés változása szerint a vezérlő visszajelzést kap, és hibát fog generálni. A PWM impulzusokat a hibajelnek megfelelően generálják. Tehát ebben az állapotban változó bemenetet és változó kimenetet kaphatunk ugyanazzal az inverterrel.