Adından da anlaşılacağı gibi, bu makale PID denetleyicinin yapısı ve çalışması hakkında kesin bir fikir verecektir. Ancak ayrıntılara girersek, PID denetleyicileri hakkında bir giriş yapalım. PID kontrolörleri, endüstriyel proses kontrolü için çok çeşitli uygulamalarda bulunur. Kapalı döngü operasyonlarının yaklaşık% 95'i endüstriyel Otomasyon sektör PID denetleyicileri kullanır. PID, Orantılı İntegral Türev anlamına gelir. Bu üç kontrolör, bir kontrol sinyali oluşturacak şekilde birleştirilmiştir. Geri besleme kontrolörü olarak, kontrol çıkışını istenen seviyelerde sunar. Mikroişlemciler icat edilmeden önce, analog elektronik bileşenler tarafından PID kontrolü uygulanıyordu. Ancak bugün tüm PID denetleyicileri mikroişlemciler tarafından işlenmektedir. Programlanabilir mantık denetleyicileri ayrıca dahili PID kontrolör talimatlarına sahiptir. PID kontrolörlerinin esnekliği ve güvenilirliği nedeniyle, bunlar geleneksel olarak proses kontrol uygulamalarında kullanılır.
PID Denetleyicisi nedir?
PID terimi, orantılı integral türevi ifade eder ve endüstriyel uygulamalarda basınç, akış, sıcaklık ve hız gibi farklı proses değişkenlerini kontrol etmek için kullanılan bir tür cihazdır. Bu kontrolörde, tüm proses değişkenlerini düzenlemek için bir kontrol döngüsü geri besleme cihazı kullanılır.
Bu tür bir kontrol, aksi takdirde düz olmayan bir hedef konuma doğru bir sistemi sürmek için kullanılır. Sıcaklık kontrolü için neredeyse her yerde bulunur ve bilimsel süreçlerde, otomasyonda ve sayısız kimyasalda kullanılır. Bu kontrolörde, hedefe yakın gibi bir yöntemden gerçek çıktıyı korumak için kapalı döngü geri beslemesi kullanılır, aksi takdirde mümkünse sabit noktada çıktı alınır. Bu yazıda P, I & D gibi içlerinde kullanılan kontrol modları ile PID kontrolör tasarımı ele alınmıştır.
Tarih
PID denetleyicinin tarihçesi, 1911 yılında, ilk PID denetleyicisi Elmer Sperry tarafından geliştirilmiştir. Bundan sonra, TIC (Taylor Instrumental Company), 1933 yılında tamamen ayarlanabilen eski bir pnömatik kontrolör uyguladı. Birkaç yıl sonra, kontrol mühendisleri, hata sıfır oluncaya kadar sonu bazı yanlış değere döndürerek orantılı kontrolörlerde bulunan sabit durum hatasını ortadan kaldırdı.
Bu yeniden ayarlama, orantılı İntegral denetleyici olarak bilinen hatayı içeriyordu. Bundan sonra, 1940 yılında, aşırı ısınma problemlerini azaltmak için türev bir eylemle ilk pnömatik PID kontrolörü geliştirildi.
1942'de Ziegler & Nichols, mühendisler tarafından PID kontrol cihazlarının uygun parametrelerini keşfetmek ve ayarlamak için ayar kuralları getirdiler. Sonunda, otomatik PID denetleyicileri 1950'nin ortalarında endüstrilerde yaygın olarak kullanıldı.
PID Denetleyici Blok Şeması
PID denetleyicisi gibi kapalı döngü bir sistem, bir geri bildirim denetim sistemi içerir. Bu sistem, bir hata sinyali oluşturmak için sabit bir nokta kullanarak geri besleme değişkenini değerlendirir. Buna dayanarak, sistem çıktısını değiştirir. Bu prosedür, hata Sıfıra ulaşana kadar devam edecektir, aksi takdirde geri besleme değişkeninin değeri sabit bir noktaya eşdeğer hale gelir.
Bu kontrolör, AÇIK / KAPALI tipi kontrol cihazına kıyasla iyi sonuçlar sağlar. AÇIK / KAPALI tipi kontrolörde, sistemi yönetmek için sadece iki koşul elde edilebilir. Proses değeri sabit noktadan daha düşük olduğunda AÇIK hale gelecektir. Benzer şekilde, değer sabit bir değerden yüksek olduğunda KAPANACAKTIR. Bu tür bir kontrolörde çıktı sabit değildir ve sabit nokta bölgesinde sık sık sallanacaktır. Ancak, bu denetleyici, AÇIK / KAPALI tipi denetleyiciye kıyasla daha kararlı ve doğrudur.
PID denetleyicinin çalışması
PID Denetleyicisinin Çalışması
Düşük maliyetli basit bir AÇIK-KAPALI kontrolörün kullanılmasıyla, tamamen AÇIK veya tamamen KAPALI gibi yalnızca iki kontrol durumu mümkündür. Bu iki kontrol durumunun kontrol amacı için yeterli olduğu sınırlı bir kontrol uygulaması için kullanılır. Bununla birlikte, bu kontrolün salınımlı doğası, kullanımını sınırlar ve bu nedenle PID kontrolörleri ile değiştirilir.
PID kontrolörü, kapalı döngü işlemleriyle proses değişkeni ile ayar noktası / istenen çıktı arasında sıfır hata olacak şekilde çıkışı korur. PID, aşağıda açıklanan üç temel kontrol davranışını kullanır.
P- Denetleyici
Orantılı veya P- kontrolör, akım hatası e (t) ile orantılı bir çıktı verir. İstenilen veya ayar noktasını gerçek değer veya geri bildirim proses değeri ile karşılaştırır. Ortaya çıkan hata, çıktıyı elde etmek için orantılı bir sabitle çarpılır. Hata değeri sıfır ise, bu kontrolör çıkışı sıfırdır.
P denetleyici
Bu denetleyici, tek başına kullanıldığında önyargı veya manuel sıfırlama gerektirir. Bunun nedeni, asla kararlı durum durumuna ulaşmamasıdır. Kararlı çalışma sağlar ancak her zaman kararlı durum hatasını korur. Orantılı sabit Kc arttığında tepkinin hızı artar.
P Kontrolör Yanıtı
I-Denetleyici
Proses değişkeni ile ayar noktası arasında her zaman bir ofsetin bulunduğu p-kontrolör sınırlaması nedeniyle, sabit durum hatasını ortadan kaldırmak için gerekli eylemi sağlayan I-kontrol cihazı gereklidir. Hatayı, hata değeri sıfıra ulaşana kadar belirli bir süre boyunca entegre eder. Hatanın sıfır olduğu son kontrol cihazının değerini tutar.
PI denetleyici
İntegral kontrol, negatif bir hata meydana geldiğinde çıktısını azaltır. Tepki hızını sınırlar ve sistemin kararlılığını etkiler. Tepkinin hızı, integral kazancı Ki'yi düşürerek artırılır.
PI Kontrolör Yanıtı
Yukarıdaki şekilde, I kontrolörün kazancı azaldıkça, sabit durum hatası da azalmaya devam eder. Çoğu durumda, PI denetleyicisi özellikle yüksek hızlı yanıtın gerekli olmadığı durumlarda kullanılır.
PI denetleyicisini kullanırken, I-denetleyici çıkışı, bir dereceye kadar sınırlandırılmıştır. integral rüzgar tesisteki doğrusal olmama durumları nedeniyle sıfır hata durumunda bile integral çıktının artmaya devam ettiği koşullar.
D-Denetleyici
I-kontrolör, hatanın gelecekteki davranışını tahmin etme yeteneğine sahip değildir. Bu nedenle, ayar noktası değiştirildiğinde normal şekilde tepki verir. D-kontrolör, hatanın gelecekteki davranışını tahmin ederek bu sorunun üstesinden gelir. Çıktısı, türev sabiti ile çarpılan zamana göre hata değişim oranına bağlıdır. Çıktı için kick start verir ve böylece sistem tepkisini artırır.
PID denetleyici
D'nin yukarıdaki şekil yanıtında, kontrolör, PI kontrolörüne kıyasla daha fazladır ve ayrıca çıkışın yerleşme süresi azalır. I-denetleyicinin neden olduğu faz gecikmesini telafi ederek sistemin kararlılığını artırır. Türev kazancını artırmak yanıt hızını artırır.
PID Denetleyici Yanıtı
Son olarak, bu üç denetleyiciyi birleştirerek, sistem için istenen yanıtı alabileceğimizi gözlemledik. Farklı üreticiler farklı PID algoritmaları tasarlar.
PID Denetleyici Türleri
PID denetleyicileri, AÇIK / KAPALI, orantılı ve standart tip denetleyiciler gibi üç tipte sınıflandırılır. Bu kontrolörler, kontrol sistemine göre kullanılır, kullanıcı, metodu düzenlemek için kontrolörü kullanabilir.
ON / OFF Kontrolü
Açma-kapama kontrol yöntemi, sıcaklık kontrolü için kullanılan en basit cihaz türüdür. Cihaz çıkışı hiçbir merkez durumu olmadan AÇIK / KAPALI olabilir. Bu kontrolör, sıcaklık sabit noktayı geçtiğinde çıkışı basitçe AÇIK duruma getirecektir. Bir limit kontrolörü, bir mandallama rölesi kullanan belirli bir ON / OFF kontrolörü türüdür. Bu röle manuel olarak sıfırlanır ve belirli bir sıcaklığa ulaşıldığında bir yöntemi kapatmak için kullanılır.
Orantılı Kontrol
Bu tür bir kontrolör, AÇIK / KAPALI kontrolü ile bağlanan çevrimi kaldırmak için tasarlanmıştır. Bu PID kontrolörü, sıcaklık sabit noktaya ulaştığında ısıtıcıya sağlanan normal gücü azaltacaktır.
Bu kontrolör, sabit noktayı aşmayacak şekilde ısıtıcıyı kontrol etme özelliğine sahiptir, ancak sabit bir sıcaklığı korumak için sabit noktaya ulaşacaktır.
Bu oranlama eylemi, çıkışın küçük süreler için AÇIK ve KAPALI konuma getirilmesi yoluyla elde edilebilir. Bu zaman oranlaması, sıcaklığı kontrol etmek için oranı AÇIK zamandan KAPALI zamana değiştirecektir.
Standart Tip PID Denetleyici
Bu tür bir PID kontrolörü, ünitenin sistem içindeki değişiklikleri telafi etmesine otomatik olarak yardımcı olmak için integral ve türev kontrol yoluyla orantılı kontrolü birleştirecektir. Bu modifikasyonlar, integral ve türev, zamana dayalı birimlerle ifade edilir.
Bu kontrolörler aynı zamanda karşılıkları, buna göre RATE & RESET ile de anılır. PID koşulları ayrı ayrı ayarlanmalıdır, aksi takdirde deneme yanılma ile birlikte belirli bir sisteme göre ayarlanmalıdır. Bu denetleyiciler, 3 denetleyici türünün en hassas ve sabit denetimini sunacaktır.
Gerçek Zamanlı PID Kontrolörleri
Şu anda, piyasada çeşitli PID denetleyicileri bulunmaktadır. Bu kontrolörler, basınç, sıcaklık, seviye ve akış gibi endüstriyel kontrol gereksinimleri için kullanılır. Bu parametreler PID aracılığıyla kontrol edildikten sonra, seçimler ayrı bir PID kontrolörü veya PLC'den birini kullanır.
Bu ayrı kontrolörler, daha büyük sistemler aracılığıyla giriş hakkının karmaşık olduğu durumlarda, aksi takdirde iki döngünün kontrol edilmesinin yanı sıra başka şekilde kontrol edilmesi gereken durumlarda kullanılır.
Bu kontrol cihazları, solo ve ikiz döngü kontrolü için farklı seçenekler sunar. Bağımsız tip PID kontrolörler, otonom birkaç alarm üretmek için birkaç sabit nokta konfigürasyonu sağlar.
Bu bağımsız denetleyiciler temel olarak Honeywell'den PID denetleyicileri, Yokogawa'dan sıcaklık denetleyicileri, OMEGA, Siemens ve ABB denetleyicilerinden otomatik ayar denetleyicilerinden oluşur.
PLC'ler, endüstriyel kontrol uygulamalarının çoğunda PID kontrolörleri gibi kullanılır. PID bloklarının düzenlenmesi, tam bir PLC kontrolü için üstün seçenekler sunmak için PAC'ler veya PLC'ler içinde yapılabilir. Bu denetleyiciler, ayrı denetleyicilere kıyasla daha akıllı ve güçlüdür. Her PLC, yazılım programlamasında PID bloğunu içerir.
Ayarlama Yöntemleri
PID kontrolörünün çalışması gerçekleşmeden önce, kontrol edilecek prosesin dinamiklerine uyacak şekilde ayarlanmalıdır. Tasarımcılar P, I ve D terimleri için varsayılan değerleri verir ve bu değerler istenen performansı veremez ve bazen istikrarsızlığa ve yavaş kontrol performanslarına yol açar. PID kontrol cihazlarını ayarlamak için farklı tipte ayarlama yöntemleri geliştirilmiştir ve orantılı, integral ve türev kazançların en iyi değerlerini seçmek için operatörün çok dikkat etmesini gerektirir. Bunlardan bazıları aşağıda verilmiştir.
PID denetleyicileri çoğu endüstriyel uygulamada kullanılır, ancak tercih edilen çıktıyı oluşturmak için doğru şekilde ayarlamak için bu denetleyicinin ayarlarını bilmek gerekir. Burada ayarlama, en iyi orantılı kazançları, integral ve türev faktörlerini ayarlayarak kontrolörden ideal bir yanıt alma prosedüründen başka bir şey değildir.
PID denetleyicisinin istenen çıkışı, denetleyicinin ayarlanmasıyla elde edilebilir. Kontrolörden gerekli çıktıyı almak için deneme yanılma, Zeigler-Nichols ve proses reaksiyon eğrisi gibi farklı teknikler mevcuttur. En sık kullanılan yöntemler deneme yanılma, Zeigler-Nichols vb.
Deneme ve Hata Yöntemi: PID kontrolör ayarlamasının basit bir yöntemidir. Sistem veya denetleyici çalışırken denetleyiciyi ayarlayabiliriz. Bu yöntemde önce Ki ve Kd değerlerini sıfıra ayarlamalı ve orantılı terimi (Kp) sistem salınımlı davranışa ulaşıncaya kadar arttırmalıyız. Salınmaya başladığında, salınımların durması için Ki'yi (İntegral terimi) ayarlayın ve son olarak D'yi hızlı bir yanıt almak için ayarlayın.
Proses Reaksiyon Eğrisi Tekniği: Açık döngü bir ayarlama tekniğidir. Sisteme bir adım girişi uygulandığında bir yanıt üretir. Başlangıçta, bazı kontrol çıktılarını sisteme manuel olarak uygulamalı ve yanıt eğrisini kaydetmeliyiz.
Bundan sonra eğimi, ölü zamanı, eğrinin yükselme zamanını hesaplamalıyız ve son olarak bu değerleri P, I ve D denklemlerinde değiştirerek PID terimlerinin kazanç değerlerini elde etmeliyiz.
Proses reaksiyon eğrisi
Zeigler-Nichols yöntemi: Zeigler-Nichols, PID denetleyicisini ayarlamak için kapalı döngü yöntemleri önerdi. Bunlar sürekli döngü yöntemi ve sönümlü salınım yöntemidir. Her iki yöntem için prosedürler aynıdır, ancak salınım davranışı farklıdır. Bunda, önce p-kontrolör sabitini, Kp'yi belirli bir değere, Ki ve Kd değerleri sıfır iken ayarlamalıyız. Orantılı kazanç, sistem sabit bir genlikte salınana kadar artırılır.
Sistemin sabit salınımlar ürettiği kazanç, nihai kazanç (Ku) olarak adlandırılır ve salınım süresine nihai dönem (Pc) denir. Ulaşıldığında, Zeigler-Nichols tablosuna göre PID denetleyicisine P, I ve D değerlerini girebiliriz, aşağıda gösterildiği gibi P, PI veya PID gibi kullanılan denetleyiciye bağlıdır.
Zeigler-Nichols tablosu
PID Denetleyici Yapısı
PID denetleyici orantılı, integral ve türevsel kontrol olmak üzere üç terimden oluşur. Bu üç kontrol cihazının birleşik çalışması, proses kontrolü için bir kontrol stratejisi sağlar. PID denetleyici, basınç, hız, sıcaklık, akış vb. Gibi işlem değişkenlerini yönetir. Bazı uygulamalar, kontrolü sağlamak için iki veya daha fazla PID'nin kullanıldığı kademeli ağlarda PID denetleyicileri kullanır.
PID Denetleyicisinin Yapısı
Yukarıdaki şekil PID kontrolörünün yapısını göstermektedir. Çıkışını işlem bloğuna veren bir PID bloğundan oluşur. Proses / tesis, endüstri / tesisin çeşitli proseslerini kontrol etmek için aktüatörler, kontrol vanaları ve diğer kontrol cihazları gibi son kontrol cihazlarından oluşur.
Proses tesisinden bir geri besleme sinyali, bir ayar noktası veya referans sinyali u (t) ile karşılaştırılır ve karşılık gelen hata sinyali e (t), PID algoritmasına beslenir. Algoritmadaki orantısal, integral ve türev kontrol hesaplamalarına göre, kontrolör, tesis kontrol cihazlarına uygulanan bir birleşik yanıt veya kontrollü çıktı üretir.
Tüm kontrol uygulamalarının üç kontrol elemanına birden ihtiyacı yoktur. PI ve PD kontrolleri gibi kombinasyonlar, pratik uygulamalarda çok sık kullanılır.
Uygulamalar
PID kontrolör uygulamaları aşağıdakileri içerir.
En iyi PID denetleyici uygulaması, denetleyicinin bir sıcaklık sensörünün girişini kullandığı ve çıkışının bir fan veya ısıtıcı gibi bir kontrol elemanına bağlı olabileceği sıcaklık kontrolüdür. Genel olarak, bu kontrolör bir sıcaklık kontrol sistemindeki basit bir unsurdur. Doğru denetleyiciyi seçerken tüm sistem incelenmeli ve dikkate alınmalıdır.
Fırının Sıcaklık Kontrolü
Genel olarak, fırınlar ısıtmayı dahil etmek için kullanılır ve çok yüksek sıcaklıklarda çok miktarda hammadde tutar. İşgal edilen malzemenin büyük bir kütle içermesi olağandır. Sonuç olarak, yüksek miktarda atalet gerektirir ve malzemenin sıcaklığı çok büyük bir ısı uygulandığında bile hızlı bir şekilde değişmez. Bu özellik, orta derecede kararlı bir PV sinyali ile sonuçlanır ve Türev süresinin, FCE veya CO'da aşırı değişiklikler olmadan arızayı verimli bir şekilde düzeltmesine izin verir.
MPPT Şarj Kontrol Cihazı
Bir fotovoltaik hücrenin V-I özelliği, esas olarak sıcaklık aralığına ve aynı zamanda ışıma bağlıdır. Hava koşullarına bağlı olarak, akım ve çalışma voltajı sürekli değişecektir. Bu nedenle, verimli bir fotovoltaik sistemin en yüksek PowerPoint'ini izlemek son derece önemlidir. PID denetleyici, PID denetleyicisine sabit voltaj ve akım noktaları vererek MPPT'yi bulmak için kullanılır. Hava durumu değiştiğinde, izleyici akımı ve voltajı sabit tutar.
Güç Elektroniği Dönüştürücüsü
Dönüştürücünün güç elektroniğinin bir uygulaması olduğunu biliyoruz, bu nedenle bir PID denetleyicisi çoğunlukla dönüştürücülerde kullanılır. Yük içindeki değişime dayalı bir sistem aracılığıyla bir dönüştürücü müttefik olduğunda, dönüştürücünün çıkışı değişecektir. Örneğin, bir invertör yük ile birleşir, yükler arttığında büyük akım sağlanır. Bu nedenle, akımın yanı sıra voltaj parametresi de kararlı değildir, ancak ihtiyaca göre değişecektir.
Bu durumda, bu kontrol cihazı, sürücünün IGBT'lerini etkinleştirmek için PWM sinyalleri üretecektir. Yük içindeki değişime bağlı olarak, yanıt sinyali PID kontrol cihazına verilir, böylece n hata üretecektir. Bu sinyaller, arıza sinyaline göre oluşturulur. Bu durumda, benzer bir invertör üzerinden değiştirilebilir giriş ve çıkış elde edebiliriz.
PID Denetleyicisinin Uygulaması: Fırçasız DC motor için Kapalı Döngü Kontrolü
PID Denetleyici Arayüzü
PID denetleyicisinin tasarımı ve arabirimi Arduino mikro denetleyicisi kullanılarak yapılabilir. Laboratuvarda Arduino tabanlı PID denetleyici Arduino UNO kartı, elektronik bileşenler, termoelektrik soğutucu kullanılarak tasarlanırken, bu sistemde kullanılan yazılım programlama dilleri C veya C ++ 'dır. Bu sistem, laboratuvar içindeki sıcaklığı kontrol etmek için kullanılır.
Belirli bir kontrolör için PID parametreleri fiziksel olarak bulunur. Çeşitli PID parametrelerinin işlevi, farklı kontrolör biçimleri arasındaki müteakip karşıtlık yoluyla gerçekleştirilebilir.
Bu arabirim sistemi, sıcaklığı ± 0.6 ° C'lik bir hata ile verimli bir şekilde hesaplayabilirken, sabit bir sıcaklık, tercih edilen değerden basit bir şekilde küçük bir farkla düzenlenir. Bu sistemde kullanılan kavramlar, laboratuvarda tercih edilen bir aralıkta fiziksel parametreleri yönetmek için ucuz ve kesin teknikler sağlayacaktır.
Bu nedenle, bu makale geçmiş, blok diyagram, yapı, tipler, çalışma, ayarlama yöntemleri, arayüz oluşturma, avantajlar ve uygulamaları içeren PID denetleyicisine genel bir bakışı tartışır. PID denetleyicileri hakkında temel ancak kesin bilgiler sağlayabileceğimizi umuyoruz. İşte hepiniz için basit bir soru. Farklı ayarlama yöntemleri arasında, PID kontrolörünün optimum çalışmasını sağlamak için tercihen hangi yöntem kullanılır ve neden?
Aşağıdaki yorum bölümünde cevaplarınızı vermeniz rica olunur.
Fotoğrafa katkı verenler
PID kontrolör blok şeması wikimedia
PID denetleyici yapısı, P denetleyici, P - denetleyici yanıtı ve PID denetleyici blog.opticontrols
P - kontrolör yanıtı controls.engin.umich
PI- kontrolör yanıtı m. yemek
PID Denetleyici yanıtı wikimedia
Zeigler-Nichols tablosu controls.engin
