- PID kontroler i njegov rad:
- PID načini upravljanja:
- Metode ugađanja PID kontrolera:
- Struktura PID regulatora:
- Primjene PID regulatora:
Prije objašnjavanja PID kontrolera, revidirajmo sustav upravljanja. Postoje dvije vrste sustava; sustav otvorene petlje i sustav zatvorene petlje. Sustav otvorene petlje poznat je i kao nekontrolirani sustav, a sustav zatvorene petlje poznat je kao kontrolirani sustav. U sustavu otvorene petlje izlaz se ne kontrolira jer ovaj sustav nema povratne informacije, au sustavu zatvorene petlje izlaz se kontrolira uz pomoć kontrolera i ovaj sustav zahtijeva jedan ili više povratnih putova. Sustav otvorene petlje vrlo je jednostavan, ali nije koristan u industrijskim primjenama upravljanja, jer je taj sustav nekontroliran. Sustav zatvorene petlje je složen, ali najkorisniji za industrijsku primjenu, jer u ovom sustavu izlaz može biti stabilan na željenu vrijednost, PID je primjer zatvorenog kruga. Blok dijagram ovih sustava prikazan je na donjoj slici-1.
Sustav uske petlje poznat je i kao sustav upravljanja povratnim informacijama i ovaj tip sustava koristi se za dizajn automatski stabilnog sustava na željenom izlazu ili referenci. Iz tog razloga generira signal pogreške. Signal pogreške e (t) razlika je između izlaza y (t) i referentnog signala u (t) . Kad je ova pogreška nula, to znači da je postignut željeni izlaz i u ovom je stanju izlaz jednak referentnom signalu.
Na primjer, sušilica radi nekoliko puta, što je unaprijed zadana vrijednost. Kad je sušilica UKLJUČENA, tajmer se pokreće i on će raditi sve dok tajmer ne završi i da izlaz (suha krpa). Ovo je jednostavan sustav otvorene petlje, gdje izlaz nije potreban za kontrolu i ne zahtijeva bilo kakav povratni put. Ako smo koristili ovaj sustav, koristili smo senzor vlage koji pruža povratnu vezu i uspoređuje ga s zadanom vrijednošću i generira pogrešku. Sušilica radi dok ova pogreška ne bude nula. Znači kad je vlaga tkanine jednaka zadanoj vrijednosti, sušilica prestaje raditi. U sustavu otvorene petlje, sušilica će raditi određeno vrijeme, bez obzira na to je li odjeća suha ili mokra. Ali u sustavu zatvorene petlje, sušilica neće raditi određeno vrijeme, radit će dok se odjeća ne osuši. To je prednost bliskog sustava i upotrebe kontrolera.
PID kontroler i njegov rad:
Pa, što je PID kontroler? PID regulator je univerzalno prihvaćen i najčešće korišten regulator u industrijskoj primjeni jer je PID regulator jednostavan, pruža dobru stabilnost i brzi odziv. PID označava proporcionalni, integralni, izvedeni. U svakoj se aplikaciji koeficijent ove tri radnje mijenja kako bi se dobio optimalan odgovor i kontrola. Ulaz regulatora je signal pogreške, a izlaz se daje postrojenju / procesu. Izlazni signal regulatora generira se na takav način da se izlazom postrojenja pokušava postići željena vrijednost.
PID regulator je sustav zatvorene petlje koji ima sustav kontrole povratne sprege i uspoređuje varijablu procesa (varijabla povratne sprege) s postavljenom točkom i generira signal pogreške i prema tome prilagođava izlaz sustava. Ovaj se postupak nastavlja sve dok ova pogreška ne dođe do nule ili vrijednost varijable procesa postane jednaka zadanoj točki.
PID regulator daje bolje rezultate od ON / OFF regulatora. U ON / OFF regulatoru dostupna su samo dva stanja za upravljanje sustavom. Može se UKLJUČITI ili ISKLJUČITI. Uključit će se kada je vrijednost procesa manja od zadane vrijednosti, a ISKLJUČIT će se kada je vrijednost procesa veća od zadane vrijednosti. U ovom regulatoru izlaz nikada neće biti stabilan, uvijek će oscilirati oko zadane vrijednosti. Ali PID regulator je stabilniji i precizniji u usporedbi s ON / OFF regulatorom.
PID kontroler kombinacija je triju pojmova; Proporcionalno, integralno i izvedeno. Razumijemo ova tri pojma pojedinačno.
PID načini upravljanja:
Proporcionalni (P) odgovor:
Pojam "P" proporcionalan je stvarnoj vrijednosti pogreške. Ako je pogreška velika, kontrolni izlaz je također velik, a ako je pogreška mala, kontrolni izlaz je također mali, ali faktor dobitka (K p) je
Također uzimajući u obzir. Brzina odziva također je izravno proporcionalna proporcionalnom faktoru pojačanja (K p). Dakle, brzina odziva povećava se povećanjem vrijednosti K p, ali ako se K p poveća iznad normalnog raspona, procesna varijabla počinje titrati velikom brzinom i sustav čini nestabilnim.
y (t) ∝ e (t) y (t) = k i * e (t)
Ovdje se rezultirajuća pogreška množi s faktorom dobitka proporcionalnosti (proporcionalna konstanta) kao što je prikazano u gornjoj jednadžbi. Ako se tada koristi samo P kontroler, on zahtijeva ručno resetiranje jer održava pogrešku u stabilnom stanju (pomak).
Integralni (I) odgovor:
Integrirani regulator se obično koristi za smanjenje pogreške u stabilnom stanju. Pojam "I" integrira (s obzirom na vrijeme) stvarnu vrijednost pogreške . Zbog integracije, vrlo mala vrijednost pogreške, rezultira vrlo visokim integralnim odzivom. Djelovanje integralnog regulatora nastavlja se mijenjati sve dok pogreška ne postane nula.
y (t) ∝ ∫ e (t) y (t) = k i ∫ e (t)
Integralni dobitak je obrnuto proporcionalan brzini odziva, povećavajući k i, smanjujući brzinu odziva. Proporcionalni i integralni kontroleri koriste se kombinirano (PI kontroler) za dobru brzinu odziva i ustaljeni odziv.
Izvedeni odgovor (D):
Izvedeni regulator koristi se za kombinaciju PD ili PID. Nikad se nije koristio sam, jer ako je pogreška konstantna (nije nula), izlaz regulatora bit će nula. U ovoj se situaciji kontroler ponaša pogreškom nula života, ali u stvarnosti postoje neke pogreške (konstante). Izlaz izvedenog regulatora izravno je proporcionalan stopi promjene pogreške s obzirom na vrijeme kako je prikazano u jednadžbi. Uklanjanjem znaka proporcionalnosti dobivamo konstantu derivatnog dobitka (k d). Općenito, izvedeni regulator koristi se kada varijable procesora počnu oscilirati ili se mijenjaju vrlo velikom brzinom. D-kontroler se također koristi za predviđanje budućeg ponašanja pogreške prema krivulji pogreške. Matematička jednadžba je kako je prikazano dolje;
y (t) ∝ de (t) / dt y (t) = K d * de (t) / dt
Proporcionalni i integralni kontroler:
Ovo je kombinacija P i I kontrolera. Izlaz regulatora je zbrajanje oba (proporcionalnog i integralnog) odgovora. Matematička jednadžba prikazana je dolje;
y (t) ∝ (e (t) + ∫ e (t) dt) y (t) = k p * e (t) + k i ∫ e (t) dt
Proporcionalni i izvedeni regulator: Ovo je kombinacija P i D regulatora. Izlaz regulatora je zbrajanje proporcionalnih i izvedenih odgovora. Matematička jednadžba PD regulatora prikazana je dolje;
y (t) ∝ (e (t) + de (t) / dt) y (t) = k p * e (t) + k d * de (t) / dt
Proporcionalni, integralni i izvedeni regulator: Ovo je kombinacija P, I i D regulatora. Izlaz regulatora je zbrajanje proporcionalnih, integralnih i izvedenih odgovora. Matematička jednadžba PD regulatora prikazana je dolje;
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
Dakle, kombinirajući ovaj proporcionalni, integralni i izvedeni kontrolni odgovor, formirajte PID regulator.
Metode ugađanja PID kontrolera:
Za željeni izlaz, ovaj regulator mora biti pravilno podešen. Proces dobivanja idealnog odgovora PID regulatora PID podešavanjem naziva se podešavanje regulatora. PID podešavanje znači postavljanje optimalne vrijednosti pojačanja proporcionalnog (k p), izvedenog (k d) i integralnog (k i) odziva. PID regulator podešen je za odbijanje smetnji što znači zadržavanje na zadanoj zadanoj vrijednosti i praćenju naredbi, znači ako se zadana vrijednost promijeni, izlaz regulatora slijedit će novu zadanu vrijednost. Ako je regulator pravilno podešen, izlaz regulatora slijedi promjenjivu zadanu vrijednost, s manje oscilacija i manje prigušivanja.
Postoji nekoliko metoda za podešavanje PID regulatora i dobivanje željenog odgovora. Metode za podešavanje kontrolera su kao u nastavku;
- Metoda pokušaja i pogrešaka
- Tehnika krivulje procesne reakcije
- Ziegler-Nicholsova metoda
- Metoda releja
- Korištenje softvera
1. Metoda pokušaja i pogrešaka:
Metoda pokušaja i pogrešaka poznata je i kao metoda ručnog ugađanja, a ova je metoda najjednostavnija. U ovoj metodi, prvo povećavajte vrijednost kp dok sustav ne dosegne oscilirajući odziv, ali sustav ne bi trebao biti nestabilan i zadržati vrijednost kd i ki na nuli. Nakon toga, postavite vrijednost ki na takav način da se zaustavi oscilacija sustava. Nakon toga postavite vrijednost kd za brzi odgovor.
2. Tehnika krivulje procesne reakcije:
Ova metoda je također poznata i kao Cohen-Coon metoda podešavanja. U ovoj metodi prvo se generira krivulja procesne reakcije kao odgovor na poremećaj. Pomoću ove krivulje možemo izračunati vrijednost pojačanja regulatora, integralno vrijeme i izvedeno vrijeme. Ova se krivulja identificira ručnim izvođenjem u koraku ispitivanja koraka otvorene petlje. Parametar modela može se pronaći prema postotnom poremećaju početnog koraka. Iz ove krivulje moramo pronaći nagib, mrtvo vrijeme i vrijeme porasta krivulje što nije ništa drugo do vrijednost kp, ki i kd.
3. Zeigler-Nicholsova metoda:
U ovoj metodi također prvo postavite vrijednost ki i kd nula. Proporcionalni dobitak (kp) povećava se dok ne dosegne krajnji dobitak (ku). krajnji dobitak nije ništa drugo nego je dobitak pri kojem izlaz petlje počinje oscilirati. Ova ku i oscilacijsko razdoblje Tu koriste se za dobivanje pojačanja PID regulatora iz donje tablice.
|
Vrsta kontrolera |
kp |
k i |
kd |
|
Str |
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. Metoda releja:
Ova metoda je također poznata i kao Astrom-Hugglundova metoda. Ovdje se izlaz prebacuje između dvije vrijednosti kontrolne varijable, ali te su vrijednosti odabrane na takav način da proces mora prijeći zadanu vrijednost. Kada je varijabla procesa manja od zadane vrijednosti, upravljački izlaz postavlja se na veću vrijednost. Kada je vrijednost procesa veća od zadane vrijednosti, upravljački izlaz postavlja se na nižu vrijednost i formira se izlazni valni oblik. Razdoblje i amplituda ovog oscilatornog valnog oblika mjere se i koriste za određivanje konačnog pojačanja ku i razdoblja Tu koje se koristi u gornjoj metodi.
5. Korištenje softvera:
Za podešavanje PID-a i optimizaciju petlje dostupni su softverski paketi. Ovi softverski paketi prikupljaju podatke i čine matematički model sustava. Ovim modelom softver pronalazi optimalan parametar za podešavanje iz referentnih promjena.
Struktura PID regulatora:
PID kontroleri dizajnirani su na temelju mikroprocesorske tehnologije. Različiti proizvođači koriste različitu PID strukturu i jednadžbu. Najčešće korištene PID jednadžbe su; paralelna, idealna i serijska PID jednadžba.
U paralelnom jednadžbi PID, proporcionalne, integralne i izvedeni postupci rade odvojeno jedni s drugima i kombinirati učinak ove tri akcije su djelovati u sustavu. Blok dijagram ove vrste PID-a prikazan je dolje;
U idealnoj PID jednadžbi konstanta dobitka k p raspoređuje se na sav pojam. Dakle, promjene u k p utječu na sve ostale pojmove u jednadžbi.
U serijskoj PID jednadžbi konstanta dobitka k p raspoređuje se na sve pojmove jednako kao i idealna PID jednadžba, ali u ovoj jednadžbi integralne i izvedene konstante utječu na proporcionalno djelovanje.
Primjene PID regulatora:
Kontrola temperature:
Uzmimo primjer AC (klima-uređaja) bilo kojeg postrojenja / procesa. Zadana vrijednost je temperatura (20 ͦ C), a trenutna izmjerena temperatura senzorom je 28 ͦ C. Cilj nam je pokretati izmjeničnu temperaturu na željenu temperaturu (20 ͦ C). Sada, regulator AC-a, generirajte signal prema pogrešci (8 ͦ C) i ovaj signal se daje AC-u. Prema ovom signalu mijenja se izlaz AC i temperatura se smanjuje na 25 ͦ C. daljnji isti postupak ponavljat će se sve dok temperaturni senzor ne izmijeri željenu temperaturu. Kada je pogreška nula, regulator daje AC naredbu za zaustavljanje i temperatura će se opet povećavati do određene vrijednosti, a opet će se generirati pogreška i isti postupak kontinuirano ponavljati.
Dizajniranje MPPT (Maximum power point tracking) regulatora punjenja za solarni PV:
IV karakteristika PV ćelije ovisi o temperaturi i razini zračenja. Dakle, radni napon i struja neprestano će se mijenjati s obzirom na promjenu atmosferskih uvjeta. Stoga je vrlo važno pratiti maksimalnu snagu snage za učinkovit PV sustav. Da bi se pronašao MPPT, koristi se PID regulator i za to se regulatoru zadaje zadana vrijednost struje i napona. Ako se promijene atmosferski uvjeti, ovaj tracker održava napon i struju konstantnim.
Pretvarač energetske elektronike:
PID regulator je najkorisniji u primjeni energetske elektronike poput pretvarača. Ako je pretvarač povezan sa sustavom, prema promjeni opterećenja, izlaz pretvarača mora se promijeniti. Na primjer, pretvarač je povezan s opterećenjem, ako se poveća opterećenje, iz pretvarača će teći više struje. Dakle, parametar napona i struje nije fiksan, on će se mijenjati prema zahtjevu. U ovom se stanju PID regulator koristi za generiranje PWM impulsa za prebacivanje IGBT-a pretvarača. Prema promjeni opterećenja, povratni signal daje se regulatoru i on će generirati pogrešku. PWM impulsi se generiraju prema signalu pogreške. Dakle, u ovom stanju možemo dobiti varijabilni ulaz i varijabilni izlaz s istim pretvaračem.