Благодаря быстрому развитию электроники, компьютеров, связи, диагностики неисправностей, проверки избыточности и технологии графического дисплея, уровень промышленной автоматизации также увеличивается. Тем не менее, в производственном процессе качество продукта путем вмешательства множества факторов и делает преимущества уровня автоматизации ниже. Теория управления пидом появилась с тех пор.
Автоматические системы управления можно разделить на системы управления открытой петлей и системы управления с замкнутым контуром. Система управления включает в себя контроллеры, датчики, передатчики, приводы, входные и выходные интерфейсы с использованием управления PID для достижения давления, температуры, потока, контроллеров уровня, программируемых контроллеров, которые могут реализовать функцию управления PID (ПЛК), а также системы ПК, которые может быть реализовано управление ПИД и так далее.
Управление пидом
В инженерной практике наиболее широко используемый закон контроля регулятора для пропорционального, интегрального, дифференциального контроля, называемого контролем PID, также известным как регулирование PID. Он стал одной из основных технологий промышленного управления для своей простой структуры, хорошей стабильности, надежной работы и легкой корректировки.
Когда структура и параметры контролируемого объекта не могут быть полностью освоены или не имеют доступа к точным математическим моделям, теория управления другими технологиями трудно использовать, структура и параметры системного контроллера должны полагаться на опыт и отладку на полевых условиях. Чтобы определить, когда применение технологии управления PID является наиболее удобным.
Управление PID, управление PI и PD На практике, контроллер PID основан на ошибке системы, использование пропорционального, интегрального, дифференциального расчета контрольного объема для управления. Наиболее идеальный контроль, когда закон пропорционально-интегрального производства контроля, который сочетает в себе сильные стороны трех: как пропорциональная роль в своевременной, так и быстро Роль функции контроля переопределения.
Ссылки управления PID
1, пропорциональный (P) контроль
Пропорциональный контроль является одним из самых простых методов управления. Вывод его контроллера пропорционален сигналу ошибки ввода. В выходе системы существует ошибка устойчивого состояния, когда доступно только пропорциональное управление. Выходной сигнал контроллера пропорционален сигналу отклонения, то есть, до тех пор, пока существует отклонение, выход контроллера сразу же изменится пропорционально отклонениям, поэтому скорость отклика регулирования P очень быстрая Полем
P Регулирование может отражать изменения в системе во времени, но не может полностью устранить отклонение системы, поэтому, если в реальном процессе управления используется только регулирование P, система будет производить остатки, увеличение k p может создать систему Отклонение уменьшается, но на самом деле, если K - D слишком велик, приведет к нестабильности системы.
2, интегральный (i) управление
В интегральном управлении выход контроллера пропорционален интегралу сигнала ошибки ввода. Для автоматической системы управления, если после входа в устойчивое состояние существует ошибка устойчивого состояния, система управления имеет ошибку устойчивого состояния или просто дифференциальную систему.
Чтобы устранить ошибку устойчивого состояния, в контроллер должен быть введен «интегральный термин». Интегральный термин объединяет ошибку в зависимости от времени и увеличивается с увеличением времени. Таким образом, даже если ошибка невелика, интегральный термин увеличивается со временем, и она приводит к увеличению вывода контроллера, так что ошибка устойчивого состояния еще больше уменьшается до нуля.
Следовательно, пропорциональный + интегральный (PI) контроллер позволяет системе входить в устойчивое состояние практически без ошибок устойчивого состояния. Размер интегрального времени определяет силу интегрального эффекта, чем больше интегральное время, тем слабее интегральный эффект, что приводит к увеличению количества перехвата системы; Чем сильнее интегральный эффект, наоборот, склонен вызывать колебания системы.
3, дифференциал (D) управление
В дифференциальном управлении выходной сигнал контроллера и дифференциал сигналов ввода ошибки (то есть скорость изменения ошибки) пропорциональны отношениям. Автоматическая система управления для преодоления ошибки в процессе регулирования может быть колебательной или даже дестабилизацией. Причина этого связана с наличием большого инерционного компонента (Link) или компонента гистерезиса, который имеет эффект подавления ошибки, и чьи изменения всегда отстают от изменений в ошибке.
Решение состоит в том, чтобы изменить подавление ошибки «впереди», то есть, когда ошибка близка к нулю, подавление ошибки должно быть нулевым. То есть в контроллере только введенного «пропорционального» термина часто недостаточно, роль пропорционального члена заключается в том, чтобы только усилить величину ошибки и необходимость увеличения «дифференциального члена», который может Прогнозируйте тенденцию изменений ошибки, так что контроллер с пропорциональным + дифференциалом сможет заранее сделать управление ошибкой. Таким образом, контроллер с пропорциональным + дифференциалом может быть сделан заранее, чтобы ингибировать контроль ошибки, равен нулю или даже отрицательно, что позволяет избежать серьезного превышения контролируемой величины.
Следовательно, для контролируемого объекта с большой инерцией или гистерезисом контроллер пропорционального+дифференциального (PD) может улучшить динамические характеристики системы в процессе регулирования. D Основной функцией регулирования является уменьшение количества перевода, для контроля. колебание вывода контролируемого объекта и сокращение времени отклика системы, что улучшает динамические характеристики системы. Тем не менее, слишком большой TD снизит способность подавлять интерференционные сигналы.
4, управление пидом
Наиболее идеальный контроль, когда закон пропорционально-интегрального дифференциального контроля, который устанавливает длину трех: как пропорциональная роль в своевременной, так и быстро Роль контрольной функции заранее.
Когда сбережения отклонений появляются, дифференциал может немедленно и значительно действий, ингибируя отклонение этого скачка: пропорционально в то же время играть роль в устранении отклонений, так что амплитуда отклонения уменьшается, потому что пропорциональная роль является постоянной и играет основную Роль в законе контроля, так что система является более стабильной: и неотъемлемая роль остаточной разницы постепенно преодолевается. До тех пор, пока три роли управляющих параметров выбираются надлежащим образом, вы можете дать полную игру для преимуществ трех законов управления, чтобы получить более идеальный эффект контроля.
Следовательно, до тех пор, пока три роли могут быть разумно сопоставлены, вы можете достичь быстрой и точной и гладкой производительности регулирования, чтобы получить отличные результаты управления, что является очарованием регулирования PID.
5, параметризация
Параметризация контроллера PID является ядром конструкции системы управления. Он основан на характеристиках процесса, который должен контролироваться для определения масштабного коэффициента контроллера PID, интегрального времени и размера дифференциального времени.
Методы установки параметров контроллера PID, обобщенные в двух категориях: одна из них - теоретический расчет метода настройки. Он в основном основан на математической модели системы после теоретических расчетов для определения параметров контроллера. Расчетные данные, полученные этим методом, могут использоваться не напрямую, но также посредством фактических инженерных корректировок и модификаций. Вторым является метод инженерной калибровки, который в основном опирается на инженерный опыт, непосредственно в тесте системы управления, и этот метод прост, легко понять, в инженерной практике широко используется.
Параметры контроллера PID метода инженерной настройки, в основном метод критического отношения, метод кривой отклика и метод ослабления. Эти два метода имеют свои характеристики, общая точка - через тест, а затем в соответствии с инженерным опытом формулы для регулировки параметров контроллера. Но независимо от того, какой метод используется для получения параметров контроллера, должен быть в фактической работе окончательной корректировки и улучшения. Метод критического соотношения обычно используется. Использование этого метода для этапов настройки параметров контроллера PID выглядит следующим образом:
(1) сначала предварительно выбрать достаточно короткий период отбора проб для работы системы;
(2) добавьте только пропорциональную управляющую связь, пока в пошаговом отклике системы на входной сигнал не произойдет критическое колебание, и отметьте коэффициент пропорционального усиления и период критического колебания в это время;
(3) При определенной степени управления через формулу для получения параметров контроллера PID.
В фактическом вводе в эксплуатацию можно сначала быть примерно установить эмпирическое значение, а затем модифицировать в соответствии с эффектом регулирования.
Для температурной системы: p (%) {{0}}, i (точки) 3 - 10, d (точки) 0. 5 - 3
Для системы потока: p (%) {{0}}, i (min) 0. 1--1
Для систем давления: p (%) {{0}}, i (min) 0. 4--3
Для систем уровня жидкости: p (%) 20--80, i (min) 1-5
Разве это не звучит немного сложно понять? Давайте попросим Мин объяснить это нам.
Мин получил задачу: существует утечка бака воды, и скорость утечки является переменной, но поверхность воды необходима для поддержания высоты поверхности воды в определенном положении, как только поверхность воды обнаружена ниже чем требуемое положение, вы должны добавить воду в резервуар для воды.
Начало Xiaoming с копателем для добавления воды, кран из резервуара имеет расстояние более десяти метров, часто приходится работать несколько раз, чтобы добавить достаточно воды, поэтому Xiaoming и изменение, чтобы использовать ведро, чтобы добавить ведро, плюс это ведро, пробежек меньше раз, плюс скорость воды также быстра Dipper, а не ведро, старик с бассейном, несколько раз вниз, обнаружил, что это просто правильно, не должен бежать слишком много раз и не позволять воде переполняться. Я обнаружил, что это было просто правильно, мне не приходилось бегать слишком много раз, и я не позволял воде переполняться. Это время проверки называется периодом отбора проб.
В начале Xiaming с копателем для добавления воды кран из резервуара для воды имеет расстояние более десяти метров, часто нужно работать несколько раз, чтобы добавить достаточно воды, поэтому Xiaom , плюс - это ведро, бег меньше раз, скорость воды также быстрее, но несколько раз будет передаваться танке, чтобы добавить переполнение случайного мокрой Медведитель и не нуждается в бочках, старик с бассейном несколько раз обнаружил, что это просто правильно, не должен бегать слишком много раз, также не позволяет воде переполняться. Мне не нужно бегать слишком много раз, и я не хочу, чтобы вода переполнялась. Размер этого инструмента для добавления воды называется коэффициентом пропорциональности.
Сяоминг также обнаружил, что, хотя вода не переполнится, иногда она будет выше, чем требуемое положение, и все еще была опасность смачивания его обуви. Он придумал способ установить воронку на резервуаре для воды, каждый раз, когда вы добавляете воду, не выливается прямо в резервуар, но выливается в воронку, чтобы она медленно добавила. Эта проблема переполнения решена, но скорость добавления воды и медленного, а иногда не может догнать скорость утечки. Поэтому он попытался изменить воронку разных размеров и диаметров, чтобы контролировать скорость добавления воды, и, наконец, нашел удовлетворительную воронку. Время воронки называется интегральным временем.
Сяоминг, наконец, вздохнул с облегчением, но требования задачи внезапно строго строги, своевременность требований к контролю на уровне воды значительно улучшилось, как только уровень воды будет слишком низким, вы должны немедленно добавить воду в требуемое положение и не можете Будьте слишком выше, или не платите заработную плату. Сьоами снова сложно! Поэтому он открыл свой мозг, наконец, позволил ему задуматься о том, как часто положить горшок с запасной водой на бок, как только уровень воды будет низким, а не через воронку - это горшок с водой, так что своевременность Гарантированно, но уровень воды иногда будет намного выше. Он также попросил, чтобы расположение поверхности воды над точкой было заточено отверстие в воде, а затем подключите трубу к дне запасного ведра, чтобы больше воды вытекало из верхней части отверстия. Скорость, с которой эта вода вытекает, называется дифференциальным временем.
История эксперимента Ming-это пошаговая независимая, но фактические инструменты для водоснабжения, воротный калибр, размер переполнения отверстия одновременно повлияют на скорость воды, размер уровня воды. Задняя часть эксперимента часто приходится изменять изменение результатов предыдущего эксперимента.
Люди с контролем пидом с чайником до чашки воды, напечатанной с масштабом половины стакана воды после остановки
Установленное значение: шкала полукола водяной чашки;
Фактическое значение: фактическое количество воды в чашке воды;
Выходные значения: количество воды, выливаемое из чайника, и количество воды, вырываемое из чашки;
Измерение: человеческие глаза (эквивалентные датчикам)
Объект исполнения: человек
Позитивное исполнение: заливка
Контрприступка: Schoop
1p пропорциональный контроль, то есть люди видят, что количество воды в чашке не достигает половины стакана масштаба водной чашки, в соответствии с определенным количеством воды из чайника в царе чашки воды, выложенной или количества Вода в чашке воды по шкале, с определенным количеством воды из чашки воды, это одно действие может привести к тому, что на остановке может привести менее половины стакана или более половины стакана.
Примечание. P Пропорциональное управление является одним из самых простых методов управления. Вывод его контроллера пропорционален сигналу ошибки ввода. Устойчивая ошибка существует в выходе системы, когда доступно только пропорциональное управление.
Интегральный контроль 2PI, то есть в зависимости от определенного количества воды в чашку воды, если вы обнаружите, что количество воды в чашке не имеет масштаба, вы продолжаете залить, а затем обнаружили, что количество воды больше Через полчака вода выкопала от чашки снаружи, а затем неоднократно недостаточно, чтобы вылить воду, и больше выкопала, пока количество воды не достигнет масштаба.
ПРИМЕЧАНИЕ. В интегральном управлении I вывод контроллера пропорционален интегралу сигнала ошибки ввода. Для автоматической системы управления, если после входа в устойчивое состояние существует ошибка устойчивого состояния, говорится, что система управления имеет ошибку устойчивого состояния или просто систему с устойчивой ошибкой (система с устойчивой ошибкой). Чтобы устранить ошибку устойчивого состояния, в контроллер должен быть введен «интегральный термин». Интегральный термин объединяет ошибку в зависимости от времени и увеличивается со временем. Таким образом, даже если ошибка невелика, интегральный термин увеличивается со временем, и она приводит к увеличению вывода контроллера, так что ошибка устойчивого состояния дополнительно уменьшается до тех пор, пока не будет равна нулю. Следовательно, пропорциональный + интегральный (PI) контроллер позволяет системе вводить устойчивое состояние без ошибок устойчивого состояния.
3PID -дифференциальный контроль, то есть человеческий взгляд, смотрящий на чашку воды и расстояние от масштаба, когда разрыв очень большой, чайник с большим количеством воды для наличия, когда люди видят количество воды Близко к масштабе, уменьшите выпуск воды в чайнике и медленно приближаясь к масштабе, пока он не остановится в чашке масштаба. Если вода останавливается в точном положении масштаба, статический дифференциальный контроль не существует; Если он останавливается вблизи масштаба, существует статический дифференциальный контроль.
ПРИМЕЧАНИЕ. В дифференциальном управлении D вывод контроллера пропорционален дифференциалу сигнала ввода ошибки (то есть скорость изменения ошибки).
В инженерной практике наиболее широко используемый закон контроля регулятора для пропорционального, интегрального, дифференциального контроля, называемого контролем PID, также известным как регулирование PID. Контроллер PID был введен почти 70 лет истории, это простая структура, хорошая стабильность, надежный, прост в адаптировании и стал одной из основных технологий промышленного контроля.
Когда структура и параметры контролируемого объекта не могут быть полностью освоены или не имеют доступа к точным математическим моделям, теория управления другими технологиями трудно использовать, структура и параметры системного контроллера должны полагаться на опыт и отладку на полевых условиях. Чтобы определить, когда применение технологии управления PID является наиболее удобным.
PID -контроллер
Контроллеры PID широко используются в управлении промышленным процессом. Около 95% операций с замкнутым контуром в промышленной автоматизации используют контроллеры PID. Контроллер объединяется таким образом, что он генерирует контрольный сигнал. В качестве контроллера обратной связи он доставляет выход управления до желаемого уровня. Перед изобретением микропроцессоров аналоговая электроника реализовала управление ПИД. Но сегодня все контроллеры PID обрабатываются микропроцессорами. Программируемые логические контроллеры также имеют встроенные инструкции контроллера PID.
Используя недорогой простой контроллер переключения, возможны только два состояния управления, такие как полный включение или полное. Он используется для ограниченных управляющих приложений, где эти два контрольных состояния достаточно для управления цели. Однако колебательный характер этого управления ограничивает его использование и поэтому заменяется контроллерами PID.
Контроллеры PID поддерживают выходной так, чтобы между переменной процесса и требоваемой операцией существует нулевая ошибка и требуемый вывод установленного/желаемого с помощью операции с замкнутым контуром. PID использует три основных управляющих поведения, которые объясняются ниже.
P-Controller:
Пропорциональный или P-контроллер дает выходной сигнал, пропорциональный текущей ошибке E (T). Он сравнивает желаемое или установленное значение с фактическим значением процесса обратной связи. Полученная ошибка умножается на постоянную пропорциональность для получения вывода. Если значение ошибки равно нулю, этот вывод контроллера равен нулю.
Этот контроллер должен быть предвзятым или вручную сбросить при использовании самостоятельно. Это потому, что он никогда не достигает устойчивого состояния. Он обеспечивает стабильную работу, но всегда поддерживает ошибку устойчивого состояния. По мере увеличения постоянной пропорциональности KC скорость отклика увеличивается.
I-Controller
Поскольку P-контроллер всегда имеет отклонение между переменной процесса и установленной точкой, необходим I-контрольщик, который обеспечивает необходимое действие для устранения ошибки устойчивого состояния. Он интегрирует ошибку в течение периода времени, пока значение ошибки не достигнет нуля. Он сохраняет значение нулевой ошибки для конечного блока управления.
Когда возникает отрицательная ошибка, интегральный элемент управления уменьшает его выход. Это ограничивает скорость ответа и влияет на стабильность системы. Скорость ответа увеличивается за счет уменьшения интегрального усиления Ki.
На приведенном выше рисунке ошибка устойчивого состояния уменьшается, когда усиление контроллера I уменьшается. По большей части контроллеры PI особенно полезны в ситуациях, когда высокоскоростная реакция не требуется.
Когда используется контроллер PI, выход I-контроллера ограничен определенной степенью, которая преодолевает интегральную насыщенность, где интегральный выход нажимается, даже если состояние нулевой ошибки увеличивается из-за условия нелинейности на указанном заводе.
D-Контроллер
I-Controller не обладает способностью предсказывать неправильное будущее поведение. Таким образом, он нормально реагирует после изменения установленной точки. D-Контроллер преодолевает эту проблему, прогнозируя ошибочное будущее поведение. Его выход зависит от скорости изменения ошибки по времени, умноженного на дифференциальную константу. Он обеспечивает запуск для вывода, который увеличивает отклик системы.
На приведенном выше рисунке контроллер D имеет больше отклика, чем контроллер PI, и время наращивания выхода уменьшается. Это улучшает стабильность системы, компенсируя фазовую задержку, вызванную контроллером I. Увеличение дифференциального усиления улучшит реакцию.
Роль контроллера PID
Роль пропорциональной регуляции
Пропорциональный ответ на отклонение системы, как только система отклонилась, пропорциональная регулирование немедленно дает регулирование для уменьшения отклонения. Большая пропорциональность может ускорить регулировку и уменьшить ошибку, но слишком большая пропорция делает стабильность системы снижения и даже вызывает нестабильность системы.
Интегральное регулирование
Это делает систему устранять ошибку устойчивого состояния и улучшает степень неординарности. Поскольку возникает ошибка, интегральное регулирование осуществляется до тех пор, пока не будет разницы, интегральное регулирование останавливается, а интегральное регулирование выводит постоянное значение. Сила интегрального эффекта зависит от постоянного интегрального времени Ti, чем меньше Ti, тем сильнее интегральный эффект. Напротив, если Ti большой, интегральный эффект слабый, и добавление интегральной регуляции может сделать снижение стабильности системы, а динамический отклик становится медленнее.
Дифференциальная регуляция
Дифференциальное действие отражает скорость изменения сигнала отклонения системы с предсказуемостью, может предвидеть тенденцию изменений отклонения, поэтому оно может создавать до начала контрольной роли в отклонения, которая не была сформирована, была устранена дифференциальной регуляцией. Дифференциальное действие на помехи шума оказывает усиливающий эффект, поэтому слишком сильная плюс дифференциальная регуляция, система не подходит для противоположных.
Направление разработки применения управления PID
В производственном процессе, чтобы улучшить качество продукции, увеличение производства, экономия сырья, управление производством и производственное процесс всегда находится в оптимальном рабочем состоянии. Следовательно, создается метод оптимального управления, который называется адаптивным управлением. В этом типе управления система должна иметь возможность автоматически регулировать систему в соответствии с изменениями измеренных параметров, среды и стоимости сырья, чтобы система всегда была в оптимальном состоянии. Адаптивный контроль состоит из трех компонентов: оценка эффективности (дискриминация), принятие решений и модификация. Это направление развития системы управления микрокомпьютерами. Однако, поскольку закон контроля трудно понять, поэтому продвижение некоторой трудности решить проблему. В адаптивное управление ПИД поставляется с некоторыми интеллектуальными характеристиками, такие как живые существа могут адаптироваться к изменениям во внешних условиях. Существует также система самообучения, она более интеллектуальна.