Apa itu Pengawal PID: Bekerja & Aplikasinya

Apa itu Pengawal PID: Bekerja & Aplikasinya

Seperti namanya, artikel ini akan memberikan idea yang tepat mengenai struktur dan cara kerja pengawal PID. Walau bagaimanapun, mari kita dapatkan pengenalan mengenai pengawal PID. Pengawal PID terdapat dalam pelbagai aplikasi untuk pengendalian proses industri. Kira-kira 95% operasi gelung tertutup dari automasi industri sektor menggunakan pengawal PID. PID bermaksud Proportional-Integral-Derivative. Ketiga pengawal ini digabungkan sedemikian rupa sehingga menghasilkan isyarat kawalan. Sebagai pengawal maklum balas, ia memberikan output kawalan pada tahap yang diinginkan. Sebelum mikropemproses diciptakan, kawalan PID dilaksanakan oleh komponen elektronik analog. Tetapi hari ini semua pengawal PID diproses oleh mikropemproses. Pengawal logik yang boleh diprogramkan juga mempunyai arahan pengawal PID terbina dalam. Oleh kerana fleksibiliti dan kebolehpercayaan pengawal PID, ini digunakan secara tradisional dalam aplikasi kawalan proses.



Apa itu Pengawal PID?

Istilah PID bermaksud derivatif integral berkadar dan ia adalah salah satu jenis peranti yang digunakan untuk mengawal pemboleh ubah proses yang berbeza seperti tekanan, aliran, suhu, dan kelajuan dalam aplikasi industri. Dalam pengawal ini, alat maklum balas gelung kawalan digunakan untuk mengatur semua pemboleh ubah proses.


Jenis kawalan ini digunakan untuk menggerakkan sistem ke arah lokasi objektif sebaliknya. Ia hampir di mana-mana untuk mengawal suhu dan digunakan dalam proses saintifik, automasi & pelbagai bahan kimia. Dalam pengawal ini, maklum balas gelung tertutup digunakan untuk mengekalkan output sebenar dari kaedah seperti mendekati objektif sebaliknya output pada titik pembaikan jika boleh. Dalam artikel ini, reka bentuk pengawal PID dengan mod kawalan yang digunakan di dalamnya seperti P, I & D dibincangkan.





Sejarah

Sejarah pengawal PID adalah, Pada tahun 1911, pengawal PID pertama dikembangkan oleh Elmer Sperry. Selepas itu, TIC (Taylor Instrumental Company) dilaksanakan bekas pengawal pneumatik dengan sepenuhnya dapat disesuaikan pada tahun1933. Selepas beberapa tahun, jurutera kawalan membuang kesilapan keadaan mantap yang terdapat dalam pengawal berkadaran dengan menyatukan semula beberapa nilai palsu sehingga kesalahan itu tidak sifar.

Penyambungan semula ini merangkumi ralat yang dikenali sebagai pengendali berkadar-Integral. Selepas itu, pada tahun 1940, pengawal PID pneumatik pertama dikembangkan melalui tindakan derivatif untuk mengurangkan masalah mengatasi masalah.



Pada tahun 1942, Ziegler & Nichols telah memperkenalkan peraturan penalaan untuk mengetahui dan menetapkan parameter pengawal PID yang sesuai oleh para jurutera. Akhirnya, pengawal PID automatik banyak digunakan di industri pada pertengahan tahun 1950.


Rajah Blok Pengawal PID

Sistem gelung tertutup seperti pengawal PID merangkumi sistem kawalan maklum balas. Sistem ini menilai pemboleh ubah maklum balas menggunakan titik tetap untuk menghasilkan isyarat kesalahan. Berdasarkan itu, ia mengubah output sistem. Prosedur ini akan berterusan sehingga ralat mencapai Sifar sebaliknya nilai pemboleh ubah maklum balas menjadi setara dengan titik tetap.

Pengawal ini memberikan hasil yang baik jika dibandingkan dengan pengawal jenis ON / OFF. Dalam pengawal jenis ON / OFF, hanya dua syarat yang boleh didapati untuk menguruskan sistem. Setelah nilai proses lebih rendah daripada titik tetap, maka ia akan AKTIF. Begitu juga, ia akan MATI setelah nilainya lebih tinggi daripada nilai tetap. Keluarannya tidak stabil pada pengawal jenis ini dan akan sering berayun di kawasan titik tetap. Walau bagaimanapun, pengawal ini lebih mantap & tepat berbanding dengan pengawal jenis ON / OFF.

Kerja pengawal PID

Kerja pengawal PID

Bekerja PID Controller

Dengan penggunaan alat kawalan ON-OFF sederhana yang murah, hanya dua keadaan kawalan yang mungkin, seperti ON sepenuhnya atau OFF sepenuhnya. Ia digunakan untuk aplikasi kawalan terhad di mana kedua keadaan kawalan ini cukup untuk objektif kawalan. Walau bagaimanapun, kawalan berosilasi ini membatasi penggunaannya dan oleh itu ia digantikan oleh pengawal PID.

Pengawal PID mengekalkan output sedemikian sehingga tidak ada ralat antara pemboleh ubah proses dan setpoint / output yang diinginkan oleh operasi gelung tertutup. PID menggunakan tiga tingkah laku kawalan asas yang dijelaskan di bawah.

P- Pengawal

Pengawal berkadar atau P- memberikan output yang sebanding dengan ralat semasa e (t). Ia membandingkan titik yang diinginkan atau set dengan nilai sebenar atau nilai proses maklum balas. Kesalahan yang dihasilkan dikalikan dengan pemalar berkadar untuk mendapatkan output. Sekiranya nilai ralat adalah sifar, maka output pengawal ini adalah sifar.

Pengawal P

Pengawal P

Pengawal ini memerlukan bias atau tetapan semula manual apabila digunakan sendiri. Ini kerana ia tidak pernah mencapai keadaan stabil. Ia memberikan operasi yang stabil tetapi selalu mengekalkan ralat keadaan tetap. Kelajuan tindak balas meningkat apabila pemalar Kc berkadar meningkat.

Tindak balas P-Pengawal

Tindak balas P-Pengawal

Pengawal I

Oleh kerana keterbatasan p-controller di mana selalu ada offset antara pemboleh ubah proses dan setpoint, I-controller diperlukan, yang memberikan tindakan yang diperlukan untuk menghilangkan ralat keadaan tetap. Ia mengintegrasikan kesalahan dalam jangka masa sehingga nilai kesalahan mencapai sifar. Ia menyimpan nilai ke alat kawalan akhir di mana ralat menjadi sifar.

Pengawal PI

Pengawal PI

Kawalan integral menurunkan outputnya apabila berlaku kesalahan negatif. Ini menghadkan kelajuan tindak balas dan mempengaruhi kestabilan sistem. Kelajuan tindak balas ditingkatkan dengan mengurangkan kenaikan integral, Ki.

Respons Pengawal PI

Respons Pengawal PI

Dalam rajah di atas, apabila keuntungan pengawal I berkurang, ralat keadaan tetap juga semakin berkurang. Untuk kebanyakan kes, pengawal PI digunakan terutamanya di mana tindak balas berkelajuan tinggi tidak diperlukan.

Semasa menggunakan pengawal PI, output pengawal I terhad kepada jarak yang agak jauh untuk mengatasi penggulungan integral keadaan di mana output integral terus meningkat walaupun pada keadaan ralat sifar, disebabkan oleh ketidaklarisan di kilang.

D-Pengawal

Pengawal I tidak mempunyai keupayaan untuk meramalkan tingkah laku ralat masa depan. Oleh itu, ia bertindak balas secara normal setelah titik perubahan diubah. D-controller mengatasi masalah ini dengan menjangkakan tingkah laku ralat pada masa akan datang. Keluarannya bergantung pada kadar perubahan ralat sehubungan dengan masa, didarabkan dengan pemalar turunan. Ini memberikan permulaan untuk output sehingga meningkatkan tindak balas sistem.

Pengawal PID

Pengawal PID

Dalam tindak balas rajah D di atas, pengawal lebih banyak, dibandingkan dengan pengawal PI, dan juga waktu penyelesaian output menurun. Ia meningkatkan kestabilan sistem dengan mengimbangi fasa ketinggian yang disebabkan oleh I-controller. Meningkatkan keuntungan terbitan meningkatkan kelajuan tindak balas.

Respons Pengawal PID

Respons Pengawal PID

Jadi akhirnya kami melihat bahawa dengan menggabungkan ketiga-tiga pengawal ini, kami dapat memperoleh respons yang diinginkan untuk sistem. Pengilang yang berbeza merancang algoritma PID yang berbeza.

Jenis Pengawal PID

Pengawal PID dikelaskan kepada tiga jenis seperti pengawal jenis ON / OFF, berkadar, dan standard. Pengawal ini digunakan berdasarkan sistem kontrol, pengguna dapat digunakan pengawal untuk mengatur metode.

Kawalan ON / OFF

Kaedah kawalan on-off adalah jenis peranti termudah yang digunakan untuk kawalan suhu. Output peranti mungkin ON / OFF tanpa keadaan tengah. Pengawal ini akan menghidupkan output hanya apabila suhu melepasi titik tetap. Pengawal had adalah satu jenis pengawal ON / OFF yang menggunakan geganti selak. Relay ini diset semula secara manual dan digunakan untuk mematikan kaedah setelah suhu tertentu dicapai.

Kawalan Berkadar

Pengawal jenis ini direka untuk menghilangkan kitaran yang disambungkan melalui kawalan ON / OFF. Pengawal PID ini akan mengurangkan daya normal yang dibekalkan ke pemanas sebaik sahaja suhu mencapai titik tetap.

Pengawal ini mempunyai satu ciri untuk mengawal pemanas supaya tidak melebihi titik tetap namun akan mencapai titik tetap untuk mengekalkan suhu yang stabil.
Tindakan perkadaran ini dapat dicapai dengan menghidupkan & mematikan output untuk jangka masa yang kecil. Pembahagian masa ini akan mengubah nisbah dari waktu ON ke waktu OFF untuk mengawal suhu.

Pengawal PID Jenis Piawai

Pengawal PID jenis ini akan menggabungkan kawalan berkadar melalui kawalan integral & derivatif untuk membantu unit secara automatik mengimbangi pengubahsuaian dalam sistem. Pengubahsuaian, kamiran & derivatif ini dinyatakan dalam unit berdasarkan masa.

Pengawal ini juga dirujuk melalui timbal balik mereka, RATE & RESET. Syarat PID mesti disesuaikan secara berasingan jika tidak, disesuaikan dengan sistem tertentu dengan percubaan dan juga kesalahan. Pengawal ini akan menawarkan kawalan yang paling tepat dan mantap dari 3 jenis pengawal.

Pengawal PID Masa Nyata

Pada masa ini, terdapat pelbagai jenis pengawal PID yang tersedia di pasaran. Pengawal ini digunakan untuk keperluan kawalan industri seperti tekanan, suhu, tahap, dan aliran. Setelah parameter ini dikendalikan melalui PID, pilihan merangkumi menggunakan pengawal PID yang terpisah atau PLC.
Pengawal berasingan ini digunakan di mana sahaja jika tidak, dua gelung diperlukan untuk diperiksa dan juga dikendalikan sebaliknya dalam keadaan di mana pun kompleks di sebelah kanan jalan masuk melalui sistem yang lebih besar.

Peranti kawalan ini memberikan pilihan yang berbeza untuk kawalan gelung solo & berkembar. Pengawal PID jenis mandiri menyediakan beberapa konfigurasi titik tetap untuk menghasilkan beberapa penggera autonomi.
Pengawal mandiri ini terutamanya terdiri daripada pengawal PID dari Honeywell, pengawal suhu dari Yokogawa, pengawal automatik dari pengawal OMEGA, Siemens, dan ABB.

PLC digunakan seperti pengawal PID di sebagian besar aplikasi pengendalian industri Pengaturan blok PID dapat dilakukan di dalam PAC atau PLC untuk memberikan pilihan unggul untuk kontrol PLC yang tepat. Pengawal ini lebih pintar dan hebat jika dibandingkan dengan pengawal yang berasingan. Setiap PLC merangkumi blok PID dalam pengaturcaraan perisian.

Kaedah Penalaan

Sebelum kerja pengawal PID berlaku, ia mesti diselaraskan agar sesuai dengan dinamika proses yang akan dikendalikan. Pereka memberikan nilai lalai untuk istilah P, I, dan D, dan nilai-nilai ini tidak dapat memberikan prestasi yang diinginkan dan kadang-kadang membawa kepada ketidakstabilan dan prestasi kawalan yang perlahan. Pelbagai jenis kaedah penalaan dikembangkan untuk menyesuaikan pengawal PID dan memerlukan banyak perhatian dari operator untuk memilih nilai keuntungan proporsional, integral, dan derivatif terbaik. Sebahagiannya diberikan di bawah.

Pengawal PID digunakan dalam kebanyakan aplikasi industri tetapi seseorang harus mengetahui pengaturan pengawal ini untuk menyesuaikannya dengan betul untuk menghasilkan output yang disukai. Di sini, penalaan tidak lain adalah prosedur untuk menerima balasan yang ideal dari pengawal dengan menetapkan keuntungan berkadar terbaik, faktor integral & terbitan.

Output pengawal PID yang dikehendaki dapat diperoleh dengan menala pengawal. Terdapat teknik yang berbeza yang tersedia untuk mendapatkan output yang diperlukan dari pengawal seperti percubaan & ralat, Zeigler-Nichols & keluk reaksi proses. Kaedah yang paling kerap digunakan adalah percubaan & ralat, Zeigler-Nichols, dll.

Kaedah Percubaan dan Kesalahan: Ini adalah kaedah penyesuaian pengawal PID yang mudah. Semasa sistem atau pengawal berfungsi, kita dapat menyesuaikan pengawal. Dalam kaedah ini, pertama, kita harus menetapkan nilai Ki dan Kd ke sifar dan meningkatkan istilah berkadar (Kp) sehingga sistem mencapai tingkah laku berayun. Setelah berayun, sesuaikan Ki (istilah Integral) sehingga ayunan berhenti dan akhirnya laraskan D untuk mendapatkan tindak balas yang cepat.

Teknik Keluk Tindak Balas Proses: Ini adalah teknik penalaan gelung terbuka. Ini menghasilkan tindak balas apabila input langkah diterapkan ke sistem. Pada mulanya, kita harus menerapkan beberapa output kawalan ke sistem secara manual dan harus mencatat keluk respons.

Selepas itu, kita perlu mengira cerun, waktu mati, waktu kenaikan keluk, dan akhirnya mengganti nilai ini dalam persamaan P, I, dan D untuk mendapatkan nilai keuntungan dari istilah PID.

Keluk reaksi proses

Keluk reaksi proses

Kaedah Zeigler-Nichols: Zeigler-Nichols mencadangkan kaedah gelung tertutup untuk menala pengawal PID. Itu adalah kaedah berbasikal berterusan dan kaedah ayunan lembap. Prosedur untuk kedua-dua kaedah adalah sama tetapi tingkah laku ayunan berbeza. Dalam ini, pertama, kita harus menetapkan pemalar p-pengawal, Kp ke nilai tertentu sementara nilai Ki dan Kd adalah sifar. Keuntungan berkadar meningkat sehingga sistem berayun pada amplitud yang tetap.

Keuntungan di mana sistem menghasilkan ayunan berterusan disebut keuntungan akhir (Ku) dan tempoh ayunan disebut tempoh akhir (Pc). Setelah dicapai, kita dapat memasukkan nilai P, I, dan D dalam pengawal PID oleh jadual Zeigler-Nichols bergantung pada pengawal yang digunakan seperti P, PI atau PID, seperti yang ditunjukkan di bawah.

Jadual Zeigler-Nichols

Jadual Zeigler-Nichols

Struktur Pengawal PID

Pengawal PID terdiri daripada tiga istilah, iaitu kawalan berkadar, integral, dan derivatif. Operasi gabungan ketiga-tiga pengawal ini memberikan strategi kawalan untuk pengendalian proses. Pengawal PID memanipulasi pemboleh ubah proses seperti tekanan, kelajuan, suhu, aliran, dll. Sebilangan aplikasi menggunakan pengawal PID dalam rangkaian lata dimana dua atau lebih PID digunakan untuk mencapai kawalan.

Struktur Pengawal PID

Struktur Pengawal PID

Gambar di atas menunjukkan struktur pengawal PID. Ini terdiri daripada blok PID yang memberikan outputnya ke blok proses. Proses / kilang terdiri daripada alat kawalan akhir seperti penggerak, injap kawalan, dan alat kawalan lain untuk mengawal pelbagai proses industri / kilang.

Isyarat maklum balas dari kilang proses dibandingkan dengan titik tetapan atau isyarat rujukan u (t) dan isyarat ralat e (t) yang sesuai dimasukkan ke algoritma PID. Menurut perhitungan kawalan berkadar, integral, dan derivatif dalam algoritma, pengawal menghasilkan tindak balas gabungan atau output terkawal yang digunakan pada peranti kawalan kilang.

Semua aplikasi kawalan tidak memerlukan ketiga-tiga elemen kawalan. Kombinasi seperti kawalan PI dan PD sangat sering digunakan dalam aplikasi praktikal.

Permohonan

Aplikasi pengawal PID merangkumi yang berikut.

Aplikasi pengawal PID terbaik ialah kawalan suhu di mana pengawal menggunakan input sensor suhu & outputnya dapat disatukan dengan elemen kawalan seperti kipas atau pemanas. Secara amnya, pengawal ini hanyalah satu elemen dalam sistem kawalan suhu. Keseluruhan sistem mesti diperiksa serta dipertimbangkan semasa memilih alat kawalan yang tepat.

Kawalan Suhu Tungku

Umumnya, tungku digunakan untuk merangkumi pemanasan serta menyimpan sejumlah besar bahan mentah pada suhu yang besar. Adalah biasa bagi bahan yang digunakan untuk memasukkan jisim yang besar. Akibatnya, memerlukan inersia dalam kuantiti yang tinggi & suhu bahan tidak berubah dengan cepat walaupun terdapat haba yang besar. Ciri ini menghasilkan isyarat PV yang stabil & membenarkan tempoh Derivatif untuk memperbaiki kesalahan dengan berkesan tanpa perubahan yang melampau pada FCE atau CO.

Pengawal Caj MPPT

Ciri V-I sel fotovoltaik bergantung kepada julat suhu dan juga cahaya. Berdasarkan keadaan cuaca, voltan semasa dan operasi akan berubah secara berterusan. Oleh itu, sangat penting untuk mengesan PowerPoint tertinggi dari sistem fotovoltaik yang cekap. Pengawal PID digunakan untuk mencari MPPT dengan memberikan titik voltan dan arus tetap kepada pengawal PID. Setelah keadaan cuaca berubah maka pelacak mengekalkan arus dan voltan stabil.

Penukar Elektronik Kuasa

Kami tahu bahawa penukar adalah aplikasi elektronik kuasa, jadi pengawal PID kebanyakannya digunakan dalam penukar. Setiap kali penukar bersekutu melalui sistem berdasarkan perubahan dalam beban, maka output penukar akan diubah. Sebagai contoh, penyongsang bersekutu dengan beban arus besar dibekalkan setelah beban meningkat. Oleh itu, parameter voltan dan arus tidak stabil, tetapi akan berubah berdasarkan keperluan.

Dalam keadaan ini, pengawal ini akan menghasilkan isyarat PWM untuk mengaktifkan IGBT penyongsang. Berdasarkan perubahan dalam beban, isyarat tindak balas diberikan kepada pengawal PID sehingga akan menghasilkan kesalahan n. Isyarat ini dihasilkan berdasarkan isyarat kesalahan. Dalam keadaan ini, kita dapat memperoleh input & output yang boleh diubah melalui penyongsang yang serupa.

Aplikasi Pengawal PID: Kawalan Gelung Tertutup untuk motor DC Brushless

Antaramuka Pengawal PID

Reka bentuk dan antara muka pengawal PID dapat dilakukan dengan menggunakan mikrokontroler Arduino. Di makmal, pengawal PID berasaskan Arduino dirancang menggunakan papan Arduino UNO, komponen elektronik, pendingin termoelektrik, sedangkan bahasa pengaturcaraan perisian yang digunakan dalam sistem ini adalah C atau C ++. Sistem ini digunakan untuk mengawal suhu di dalam makmal.

Parameter PID untuk pengawal tertentu dijumpai secara fizikal. Fungsi pelbagai parameter PID dapat dilaksanakan melalui kontras berikutnya antara bentuk pengawal yang berbeza.
Sistem penghubung ini dapat menghitung suhu dengan cekap melalui kesalahan ± 0,6 ℃ sedangkan suhu tetap mengatur hanya dengan perbezaan kecil dari nilai pilihan yang dicapai. Konsep yang digunakan dalam sistem ini akan memberikan teknik yang murah dan tepat untuk menguruskan parameter fizikal dalam julat pilihan di dalam makmal.

Oleh itu, artikel ini membincangkan gambaran keseluruhan pengawal PID yang merangkumi sejarah, diagram blok, struktur, jenis, cara kerja, kaedah penalaan, antara muka, kelebihan, dan aplikasi. Kami harap kami dapat memberikan pengetahuan asas tetapi tepat mengenai pengawal PID. Inilah soalan mudah untuk anda semua. Di antara kaedah penalaan yang berbeza, kaedah mana yang lebih baik digunakan untuk mencapai pengoperasian PID yang optimum dan mengapa?

Anda diminta untuk memberikan jawapan anda di bahagian komen di bawah.

Kredit Foto

Gambarajah blok pengawal PID oleh wikimedia
Struktur pengawal PID, P-pengawal, P - pengawal respons & pengawal PID oleh blog.opticontrols
P - pengawal tindak balas oleh kawalan.engin.umich
PI- tindak balas pengawal oleh makan
Tindak balas Pengawal PID oleh wikimedia
Jadual Zeigler-Nichols oleh kawalan.engin