Was ist ein PID-Regler: Arbeiten und seine Anwendungen

Wie der Name schon sagt, wird dieser Artikel eine genaue Vorstellung von der Struktur und Funktionsweise des PID-Reglers geben. Lassen Sie uns jedoch im Detail eine Einführung in PID-Regler geben. PID-Regler finden sich in einer Vielzahl von Anwendungen für die industrielle Prozessregelung. Ungefähr 95% der Closed-Loop-Operationen der industrielle Automatisierung Sektor verwenden PID-Regler. PID steht für Proportional-Integral-Derivative. Diese drei Regler sind so kombiniert, dass sie ein Steuersignal erzeugen. Als Rückkopplungsregler liefert er den Steuerausgang auf den gewünschten Pegeln. Vor der Erfindung der Mikroprozessoren wurde die PID-Regelung durch die analogen elektronischen Komponenten implementiert. Heute werden jedoch alle PID-Regler von den Mikroprozessoren verarbeitet. Speicherprogrammierbare Steuerungen haben auch die eingebauten PID-Regler Anweisungen. Aufgrund der Flexibilität und Zuverlässigkeit der PID-Regler werden diese traditionell in Prozessregelungsanwendungen eingesetzt.

Was ist ein PID-Regler?

Der Begriff PID steht für Proportional Integral Derivative und ist eine Art von Gerät zur Steuerung verschiedener Prozessvariablen wie Druck, Durchfluss, Temperatur und Geschwindigkeit in industriellen Anwendungen. In dieser Steuerung wird ein Regelkreis-Rückkopplungsgerät verwendet, um alle Prozessvariablen zu regeln.

Diese Art der Steuerung wird verwendet, um ein System in Richtung eines ansonsten ebenen Zielorts zu steuern. Es ist fast überall zur Temperaturregelung und wird in wissenschaftlichen Prozessen, in der Automatisierung und in unzähligen chemischen Verfahren eingesetzt. In dieser Steuerung wird eine Rückkopplung mit geschlossenem Regelkreis verwendet, um die tatsächliche Ausgabe von einer Methode wie in der Nähe des Objektivs aufrechtzuerhalten, andernfalls wenn möglich am Fixpunkt ausgegeben. In diesem Artikel wird das Design des PID-Reglers mit darin verwendeten Regelungsmodi wie P, I und D erläutert.

Geschichte

Die Geschichte des PID-Reglers ist: Im Jahr 1911 wurde der erste PID-Regler von Elmer Sperry entwickelt. Danach wurde TIC (Taylor Instrumental Company) eine ehemalige pneumatische Steuerung implementiert, die im Jahr 1933 vollständig abstimmbar war. Nach einigen Jahren beseitigten die Steuerungsingenieure den Fehler im stationären Zustand, der in Proportionalsteuerungen auftritt, indem sie das Ende auf einen falschen Wert abstimmten, bis der Fehler nicht Null war.

Diese Neueinstellung beinhaltete den Fehler, der als Proportional-Integral-Regler bekannt ist. Danach, im Jahr 1940, wurde der erste pneumatische PID-Regler durch eine Ableitungsmaßnahme entwickelt, um Überschwingungsprobleme zu reduzieren.

1942 haben Ziegler & Nichols Abstimmungsregeln eingeführt, um die geeigneten Parameter von PID-Reglern durch die Ingenieure zu ermitteln und einzustellen. Schließlich wurden Mitte 1950 in der Industrie in großem Umfang automatische PID-Regler eingesetzt.

Blockschaltbild des PID-Reglers

Ein System mit geschlossenem Regelkreis wie ein PID-Regler umfasst ein Rückkopplungsregelungssystem. Dieses System wertet die Rückkopplungsvariable unter Verwendung eines Festpunkts aus, um ein Fehlersignal zu erzeugen. Auf dieser Grundlage wird die Systemausgabe geändert. Dieser Vorgang wird fortgesetzt, bis der Fehler Null erreicht, andernfalls entspricht der Wert der Rückkopplungsvariablen einem festen Punkt.

Dieser Controller liefert im Vergleich zum ON / OFF-Controller gute Ergebnisse. In der Steuerung vom Typ EIN / AUS sind einfach zwei Bedingungen verfügbar, um das System zu verwalten. Sobald der Prozesswert niedriger als der Festpunkt ist, wird er eingeschaltet. Ebenso wird es ausgeschaltet, sobald der Wert höher als ein fester Wert ist. Der Ausgang ist bei dieser Art von Regler nicht stabil und schwingt häufig im Bereich des Festpunkts. Dieser Controller ist jedoch im Vergleich zum ON / OFF-Controller stabiler und genauer.

Funktionsweise des PID-Reglers

Funktionsweise des PID-Reglers

Mit der Verwendung eines kostengünstigen einfachen EIN-AUS-Reglers sind nur zwei Steuerzustände möglich, z. B. vollständig EIN oder vollständig AUS. Es wird für eine begrenzte Steuerungsanwendung verwendet, bei der diese beiden Steuerzustände für das Steuerungsziel ausreichen. Die Schwingung dieses Reglers schränkt jedoch seine Verwendung ein und wird daher durch PID-Regler ersetzt.

Der PID-Regler hält den Ausgang so, dass zwischen der Prozessvariablen und dem Sollwert / dem gewünschten Ausgang bei Operationen mit geschlossenem Regelkreis kein Fehler auftritt. PID verwendet drei grundlegende Regelungsverhalten, die im Folgenden erläutert werden.

P-Controller

Proportional- oder P-Regler liefert einen Ausgang, der proportional zum Stromfehler e (t) ist. Es vergleicht den gewünschten oder Sollwert mit dem Istwert oder dem Rückkopplungsprozesswert. Der resultierende Fehler wird mit einer proportionalen Konstante multipliziert, um die Ausgabe zu erhalten. Wenn der Fehlerwert Null ist, ist dieser Reglerausgang Null.

P-Controller

Dieser Controller muss bei alleiniger Verwendung vorgespannt oder manuell zurückgesetzt werden. Dies liegt daran, dass es niemals den stationären Zustand erreicht. Es bietet einen stabilen Betrieb, behält jedoch immer den stationären Fehler bei. Die Geschwindigkeit der Reaktion wird erhöht, wenn die Proportionalitätskonstante Kc zunimmt.

P-Controller-Antwort

I-Controller

Aufgrund der Begrenzung des p-Reglers, bei der immer ein Versatz zwischen Prozessvariable und Sollwert vorhanden ist, wird ein I-Regler benötigt, der die erforderlichen Maßnahmen zur Beseitigung des stationären Fehlers bietet. Es integriert den Fehler über einen Zeitraum, bis der Fehlerwert Null erreicht. Es enthält den Wert für das Endsteuergerät, bei dem der Fehler Null wird.

PI-Regler

Die integrierte Steuerung verringert ihre Ausgabe, wenn ein negativer Fehler auftritt. Dies begrenzt die Reaktionsgeschwindigkeit und beeinträchtigt die Stabilität des Systems. Die Geschwindigkeit der Antwort wird durch Verringern der Integralverstärkung Ki erhöht.

Antwort des PI-Reglers

In der obigen Abbildung nimmt der stationäre Fehler mit abnehmender Verstärkung des I-Reglers ebenfalls weiter ab. In den meisten Fällen wird der PI-Regler insbesondere dann verwendet, wenn keine schnelle Reaktion erforderlich ist.

Während der Verwendung des PI-Reglers ist der Ausgang des I-Reglers auf einen gewissen Bereich begrenzt, um den zu überwinden integrale Abwicklung Bedingungen, bei denen der integrale Ausgang aufgrund von Nichtlinearitäten in der Anlage auch im Fehlerzustand Null weiter zunimmt.

D-Controller

Der I-Controller kann das zukünftige Fehlerverhalten nicht vorhersagen. Es reagiert also normal, sobald der Sollwert geändert wird. Der D-Controller überwindet dieses Problem, indem er das zukünftige Verhalten des Fehlers vorwegnimmt. Seine Ausgabe hängt von der zeitlichen Änderungsrate des Fehlers ab, multipliziert mit der Ableitungskonstante. Es gibt den Kickstart für die Ausgabe, wodurch die Systemreaktion erhöht wird.

PID-Regler

In der obigen Abbildung ist die Reaktion von D im Vergleich zum PI-Regler größer, und auch die Einschwingzeit der Ausgabe wird verringert. Es verbessert die Stabilität des Systems durch Kompensation der durch den I-Controller verursachten Phasenverzögerung. Durch Erhöhen der Ableitungsverstärkung wird die Reaktionsgeschwindigkeit erhöht.

Antwort des PID-Reglers

Schließlich haben wir festgestellt, dass wir durch die Kombination dieser drei Controller die gewünschte Antwort für das System erhalten können. Verschiedene Hersteller entwickeln unterschiedliche PID-Algorithmen.

Arten von PID-Reglern

PID-Regler werden in drei Typen unterteilt: EIN / AUS-, Proportional- und Standardregler. Diese Steuerungen werden basierend auf dem Steuerungssystem verwendet, der Benutzer kann die Steuerung verwenden, um die Methode zu regeln.

EIN / AUS-Steuerung

Eine Ein-Aus-Regelungsmethode ist der einfachste Gerätetyp, der zur Temperaturregelung verwendet wird. Der Geräteausgang kann ohne zentralen Zustand EIN / AUS sein. Dieser Regler schaltet den Ausgang einfach ein, sobald die Temperatur den Festpunkt überschreitet. Ein Grenzwertregler ist eine bestimmte Art von EIN / AUS-Regler, der ein Verriegelungsrelais verwendet. Dieses Relais wird manuell zurückgesetzt und zum Ausschalten einer Methode verwendet, sobald eine bestimmte Temperatur erreicht ist.

Proportionalsteuerung

Diese Art von Steuerung dient zum Entfernen des Zyklus, der über die EIN / AUS-Steuerung verbunden ist. Dieser PID-Regler reduziert die normale Leistung, die dem Heizgerät zugeführt wird, sobald die Temperatur den festen Punkt erreicht.

Dieser Regler verfügt über eine Funktion, mit der die Heizung so gesteuert werden kann, dass sie den Festpunkt nicht überschreitet. Sie erreicht jedoch den Festpunkt, um eine konstante Temperatur aufrechtzuerhalten.
Dieser Dosiervorgang kann durch Ein- und Ausschalten des Ausgangs für kleine Zeiträume erreicht werden. Diese Zeitproportionierung ändert das Verhältnis von EIN-Zeit zu AUS-Zeit zur Steuerung der Temperatur.

Standard-PID-Regler

Diese Art von PID-Regler führt die Proportionalregelung durch Integral- und Ableitungsregelung zusammen, um das Gerät automatisch beim Ausgleich von Änderungen im System zu unterstützen. Diese Modifikationen, Integral und Ableitung, werden in zeitbasierten Einheiten ausgedrückt.

Diese Steuerungen werden auch durch ihre Hin- und Herbewegungen RATE & RESET entsprechend bezeichnet. Die Bedingungen der PID müssen separat angepasst werden, andernfalls müssen sie sowohl mit dem Versuch als auch mit dem Fehler auf ein bestimmtes System abgestimmt werden. Diese Steuerungen bieten die präziseste und gleichmäßigste Steuerung der drei Steuerungsarten.

Echtzeit-PID-Regler

Derzeit sind auf dem Markt verschiedene Arten von PID-Reglern erhältlich. Diese Steuerungen werden für industrielle Steuerungsanforderungen wie Druck, Temperatur, Füllstand und Durchfluss verwendet. Sobald diese Parameter über die PID gesteuert sind, können Sie einen separaten PID-Regler oder eine der beiden SPS verwenden.
Diese getrennten Steuerungen werden überall dort eingesetzt, wo eine ansonsten zwei Schleifen geprüft werden müssen, und ansonsten unter den Bedingungen, wo es für das Recht auf Eintritt durch größere Systeme komplex ist.

Diese Steuergeräte bieten verschiedene Möglichkeiten für die Einzel- und Doppelregelung. Die eigenständigen PID-Regler bieten mehrere Festkommakonfigurationen, um die autonomen mehreren Alarme zu erzeugen.
Diese eigenständigen Regler umfassen hauptsächlich PID-Regler von Honeywell, Temperaturregler von Yokogawa, Autotune-Regler von OMEGA, Siemens und ABB-Regler.

SPS werden in den meisten industriellen Steuerungsanwendungen wie PID-Regler verwendet. Die Anordnung der PID-Blöcke kann innerhalb von PACs oder SPS erfolgen, um überlegene Auswahlmöglichkeiten für eine exakte SPS-Steuerung zu bieten. Diese Controller sind im Vergleich zu separaten Controllern sowohl intelligenter als auch leistungsfähiger. Jede SPS enthält den PID-Block in der Softwareprogrammierung.

Abstimmungsmethoden

Bevor der PID-Regler arbeitet, muss er an die Dynamik des zu regelnden Prozesses angepasst werden. Designer geben die Standardwerte für P-, I- und D-Terme an. Diese Werte können nicht die gewünschte Leistung liefern und führen manchmal zu Instabilität und langsamen Steuerungsleistungen. Verschiedene Arten von Abstimmungsmethoden werden entwickelt, um die PID-Regler abzustimmen, und erfordern vom Bediener viel Aufmerksamkeit, um die besten Werte für proportionale, integrale und abgeleitete Verstärkungen auszuwählen. Einige davon sind unten angegeben.

PID-Regler werden in den meisten industriellen Anwendungen verwendet, aber man sollte die Einstellungen dieses Reglers kennen, um ihn richtig einzustellen und die bevorzugte Ausgabe zu erzeugen. Hier ist die Abstimmung nichts anderes als das Verfahren, eine ideale Antwort von der Steuerung zu erhalten, indem die besten proportionalen Verstärkungen, Integral- und Ableitungsfaktoren eingestellt werden.

Der gewünschte Ausgang des PID-Reglers kann durch Einstellen des Reglers erhalten werden. Es stehen verschiedene Techniken zur Verfügung, um die erforderliche Ausgabe von der Steuerung zu erhalten, wie z. B. Versuch und Irrtum, Zeigler-Nichols und Prozessreaktionskurve. Die am häufigsten verwendeten Methoden sind Trial & Error, Zeigler-Nichols usw.

Test- und Fehlermethode: Dies ist eine einfache Methode zur Einstellung des PID-Reglers. Während das System oder der Controller arbeitet, können wir den Controller einstellen. Bei dieser Methode müssen wir zuerst die Ki- und Kd-Werte auf Null setzen und den Proportionalterm (Kp) erhöhen, bis das System das Schwingungsverhalten erreicht. Sobald es schwingt, stellen Sie Ki (Integraler Term) so ein, dass die Schwingungen aufhören, und stellen Sie schließlich D ein, um eine schnelle Reaktion zu erhalten.

Prozessreaktionskurventechnik: Es ist eine Open-Loop-Tuning-Technik. Es erzeugt eine Antwort, wenn eine Stufeneingabe auf das System angewendet wird. Zunächst müssen wir einige Steuerausgaben manuell auf das System anwenden und die Antwortkurve aufzeichnen.

Danach müssen wir die Steigung, die Totzeit und die Anstiegszeit der Kurve berechnen und diese Werte schließlich in die Gleichungen P, I und D einsetzen, um die Verstärkungswerte der PID-Terme zu erhalten.

Prozessreaktionskurve

Zeigler-Nichols-Methode: Zeigler-Nichols schlug Methoden zur Regelung des PID-Reglers vor. Dies sind die kontinuierliche Zyklusmethode und die gedämpfte Oszillationsmethode. Die Verfahren für beide Methoden sind gleich, das Schwingungsverhalten ist jedoch unterschiedlich. In diesem Fall müssen wir zuerst die p-Regler-Konstante Kp auf einen bestimmten Wert setzen, während die Ki- und Kd-Werte Null sind. Die proportionale Verstärkung wird erhöht, bis das System mit einer konstanten Amplitude schwingt.

Die Verstärkung, bei der das System konstante Schwingungen erzeugt, wird als Endverstärkung (Ku) und die Schwingungsperiode als Endperiode (Pc) bezeichnet. Sobald es erreicht ist, können wir die Werte von P, I und D in den PID-Regler eingeben. Die Zeigler-Nichols-Tabelle hängt vom verwendeten Regler ab, wie P, PI oder PID, wie unten gezeigt.

Zeigler-Nichols-Tisch

PID-Reglerstruktur

Der PID-Regler besteht aus drei Begriffen: Proportional-, Integral- und Derivatregelung. Der kombinierte Betrieb dieser drei Steuerungen ergibt eine Steuerungsstrategie für die Prozesssteuerung. Der PID-Regler manipuliert die Prozessvariablen wie Druck, Geschwindigkeit, Temperatur, Durchfluss usw. Einige Anwendungen verwenden PID-Regler in Kaskadennetzwerken, in denen zwei oder mehr PIDs zur Steuerung verwendet werden.

Struktur des PID-Reglers

Die obige Abbildung zeigt den Aufbau des PID-Reglers. Es besteht aus einem PID-Block, der seine Ausgabe an den Prozessblock weitergibt. Prozess / Anlage besteht aus Stellgliedern wie Stellgliedern, Regelventilen und anderen Regelgeräten zur Steuerung verschiedener Industrie- / Anlagenprozesse.

Ein Rückkopplungssignal von der Prozessanlage wird mit einem Sollwert oder Referenzsignal u (t) verglichen und das entsprechende Fehlersignal e (t) dem PID-Algorithmus zugeführt. Gemäß den Proportional-, Integral- und Ableitungssteuerungsberechnungen im Algorithmus erzeugt die Steuerung eine kombinierte Antwort oder gesteuerte Ausgabe, die auf Anlagensteuergeräte angewendet wird.

Alle Steuerungsanwendungen benötigen nicht alle drei Steuerelemente. Kombinationen wie PI- und PD-Steuerungen werden in praktischen Anwendungen sehr häufig verwendet.

Anwendungen

Die PID-Regleranwendungen umfassen Folgendes.

Die beste Anwendung für PID-Regler ist die Temperaturregelung, bei der der Regler einen Eingang eines Temperatursensors verwendet und sein Ausgang mit einem Steuerelement wie einem Lüfter oder einer Heizung verbunden werden kann. Im Allgemeinen ist dieser Regler einfach ein Element in einem Temperaturregelsystem. Das gesamte System muss bei der Auswahl des richtigen Controllers geprüft und berücksichtigt werden.

Temperaturregelung des Ofens

Im Allgemeinen werden Öfen zum Erhitzen verwendet und enthalten eine große Menge an Rohmaterial bei großen Temperaturen. Es ist üblich, dass das belegte Material eine große Masse enthält. Folglich ist eine hohe Trägheit erforderlich und die Temperatur des Materials ändert sich nicht schnell, selbst wenn große Wärme angewendet wird. Diese Funktion führt zu einem mäßig stabilen PV-Signal und ermöglicht es der Ableitungsperiode, Fehler ohne extreme Änderungen an FCE oder CO effizient zu korrigieren.

MPPT-Laderegler

Die V-I-Charakteristik einer Photovoltaikzelle hängt hauptsächlich vom Temperaturbereich sowie der Bestrahlungsstärke ab. Abhängig von den Wetterbedingungen ändern sich Strom und Betriebsspannung ständig. Daher ist es äußerst wichtig, das höchste PowerPoint einer effizienten Photovoltaikanlage zu verfolgen. Der PID-Regler wird verwendet, um MPPT zu finden, indem dem PID-Regler feste Spannungs- und Strompunkte zugewiesen werden. Sobald sich die Wetterbedingungen geändert haben, hält der Tracker Strom und Spannung stabil.

Der Konverter der Leistungselektronik

Wir wissen, dass der Wandler eine Anwendung der Leistungselektronik ist, daher wird ein PID-Regler hauptsächlich in Wandlern verwendet. Immer wenn ein Konverter aufgrund der Änderung innerhalb der Last durch ein System verbunden ist, wird die Leistung des Konverters geändert. Zum Beispiel ist ein Wechselrichter mit der Last verbunden. Der enorme Strom wird geliefert, sobald die Lasten erhöht werden. Somit ist der Parameter der Spannung sowie des Stroms nicht stabil, sondern ändert sich je nach Anforderung.

In diesem Zustand erzeugt dieser Controller PWM-Signale, um die IGBTs des Wechselrichters zu aktivieren. Basierend auf der Änderung innerhalb der Last wird das Antwortsignal an den PID-Regler geliefert, so dass es n Fehler erzeugt. Diese Signale werden basierend auf dem Fehlersignal erzeugt. In diesem Zustand können wir über einen ähnlichen Wechselrichter veränderbare Ein- und Ausgänge erhalten.

Anwendung des PID-Reglers: Regelung für einen bürstenlosen Gleichstrommotor

PID-Regler-Schnittstelle

Das Design und die Schnittstelle des PID-Reglers können mit dem Arduino-Mikrocontroller erfolgen. Im Labor wird der PID-Regler auf Arduino-Basis unter Verwendung der Arduino UNO-Karte, elektronischer Komponenten und eines thermoelektrischen Kühlers entwickelt, während die in diesem System verwendeten Software-Programmiersprachen C oder C ++ sind. Dieses System dient zur Steuerung der Temperatur im Labor.

Die PID-Parameter für einen bestimmten Regler werden physikalisch ermittelt. Die Funktion verschiedener PID-Parameter kann durch den nachfolgenden Kontrast zwischen verschiedenen Formen von Reglern implementiert werden.
Dieses Schnittstellensystem kann die Temperatur effizient durch einen Fehler von ± 0,6 ° C berechnen, während eine konstante Temperatur reguliert wird, indem lediglich eine kleine Differenz vom bevorzugten Wert erreicht wird. Die in diesem System verwendeten Konzepte bieten sowohl kostengünstige als auch genaue Techniken zur Verwaltung physikalischer Parameter in einem bevorzugten Bereich innerhalb des Labors.

In diesem Artikel wird daher ein Überblick über den PID-Regler gegeben, der Verlauf, Blockdiagramm, Struktur, Typen, Arbeitsweise, Optimierungsmethoden, Schnittstellen, Vorteile und Anwendungen enthält. Wir hoffen, dass wir grundlegende und dennoch präzise Kenntnisse über PID-Regler vermitteln konnten. Hier ist eine einfache Frage für euch alle. Welche der verschiedenen Abstimmmethoden wird vorzugsweise verwendet, um eine optimale Funktion des PID-Reglers zu erreichen, und warum?

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Bildnachweis

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PI-Regler Antwort von m. essen
PID-Reglerantwort von Wikimedia
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