- Controler PID și funcționarea sa:
- Moduri de control PID:
- Metode de reglare pentru controlerul PID:
- Structura controlerului PID:
- Aplicații ale controlerului PID:
Înainte de a explica controlerul PID, să revizuim despre sistemul de control. Există două tipuri de sisteme; sistem de buclă deschisă și sistem de buclă închisă. Un sistem cu buclă deschisă este, de asemenea, cunoscut sub numele de sistem necontrolat, iar sistemul cu buclă închisă este cunoscut sub numele de sistem controlat. În sistemul cu buclă deschisă, ieșirea nu este controlată deoarece acest sistem nu are feedback și într-un sistem cu buclă închisă, ieșirea este controlată cu ajutorul controlerului și acest sistem necesită una sau mai multe căi de feedback. Un sistem cu buclă deschisă este foarte simplu, dar nu este util în aplicațiile de control industrial, deoarece acest sistem este necontrolat. Sistemul de buclă închisă este complex, dar cel mai util pentru aplicații industriale, deoarece în acest sistem ieșirea poate fi stabilă la o valoare dorită, PID este un exemplu de sistem de buclă închisă. Diagrama bloc a acestor sisteme este așa cum se arată în figura-1 de mai jos.
Un sistem de buclă închisă este, de asemenea, cunoscut sub numele de sistem de control al feedback-ului și acest tip de sistem este utilizat pentru a proiecta un sistem stabil stabil la ieșirea sau referința dorită. Din acest motiv, generează un semnal de eroare. Semnalul de eroare e (t) este o diferență între ieșirea y (t) și semnalul de referință u (t) . Când această eroare este zero, înseamnă că ieșirea dorită este atinsă și în această condiție ieșirea este aceeași ca un semnal de referință.
De exemplu, un uscător funcționează de mai multe ori, ceea ce reprezintă o valoare prestabilită. Când uscătorul este pornit, cronometrul pornește și acesta va rula până când se termină cronometrul și va da ieșire (cârpă uscată). Acesta este un sistem simplu cu buclă deschisă, în care ieșirea nu trebuie să controleze și să nu necesite nici o cale de feedback. Dacă în acest sistem, am folosit un senzor de umiditate care oferă o cale de feedback și o comparăm cu punctul de referință și generează o eroare. Uscătorul funcționează până când această eroare este zero. Înseamnă că atunci când umiditatea cârpei este aceeași cu punctul de referință, uscătorul nu va mai funcționa. În sistemul cu buclă deschisă, uscătorul va funcționa timp fixat, indiferent dacă hainele sunt uscate sau umede. Dar, în sistem cu buclă închisă, uscătorul nu va funcționa pentru o perioadă determinată, va funcționa până când hainele sunt uscate. Acesta este avantajul sistemului buclă închisă și al utilizării controlerului.
Controler PID și funcționarea sa:
Deci, ce este controlerul PID? Controlerul PID este controler universal acceptat și cel mai frecvent utilizat în aplicații industriale, deoarece controlerul PID este simplu, oferă o stabilitate bună și un răspuns rapid. PID reprezintă proporțional, integral, derivat. În fiecare aplicație, coeficientul acestor trei acțiuni este variat pentru a obține un răspuns și control optim. Intrarea controlerului este un semnal de eroare și ieșirea este dată uzinei / procesului. Semnalul de ieșire al controlerului este generat, în așa fel încât ieșirea instalației să încerce să atingă valoarea dorită.
Controlerul PID este un sistem cu buclă închisă care are un sistem de control al feedback-ului și compară variabila Proces (variabila de feedback) cu set point și generează un semnal de eroare și, în funcție de acesta, reglează ieșirea sistemului. Acest proces continuă până când această eroare ajunge la zero sau valoarea variabilă a procesului devine egală cu punctul de referință.
Controlerul PID oferă rezultate mai bune decât controlerul ON / OFF. În controlerul ON / OFF, sunt disponibile doar două stări pentru a controla sistemul. Poate să fie PORNIT sau OPRIT. Se va PORNI când valoarea procesului este mai mică decât punctul setat și se va OPRI când valoarea procesului este mai mare decât punctul setat. În acest controler, ieșirea nu va fi niciodată stabilă, va oscila întotdeauna în jurul valorii de referință. Dar controlerul PID este mai stabil și mai precis în comparație cu controlerul ON / OFF.
Controlerul PID este o combinație de trei termeni; Proporțional, integral și derivat. Să înțelegem acești trei termeni individual.
Moduri de control PID:
Răspuns proporțional (P):
Termenul „P” este proporțional cu valoarea reală a erorii. Dacă eroarea este mare, de ieșire de control este, de asemenea, mare și dacă eroarea este de ieșire de control mic este, de asemenea, mic, dar factor de câștig (K p) este
De asemenea, luând în considerare. Viteza de reacție este, de asemenea, direct proporțională cu factorul de câștig proporțional (K p). Deci, viteza de răspuns este mărită prin creșterea valorii lui K p, dar dacă K p este crescut dincolo de intervalul normal, variabila de proces începe să oscileze la o rată ridicată și să facă sistemul instabil.
y (t) ∝ e (t) y (t) = k i * e (t)
Aici, eroarea rezultată este înmulțită cu factorul de câștig de proporționalitate (constantă proporțională) așa cum se arată în ecuația de mai sus. Dacă se folosește numai controlerul P, în acel moment, acesta necesită resetare manuală, deoarece menține eroarea de stare constantă (offset).
Răspuns integral (I):
Controlerul integral este, în general, utilizat pentru a reduce eroarea de stare staționară. Termenul „I” este integrat (în raport cu timpul) la valoarea reală a erorii . Datorită integrării, valoarea foarte mică a erorii, rezultă un răspuns integral foarte ridicat. Acțiunea controlerului integrat continuă să se schimbe până când eroarea devine zero.
y (t) ∝ ∫ e (t) y (t) = k i ∫ e (t)
Câștigul integral este invers proporțional cu viteza de răspuns, crescând k i, scade viteza de răspuns. Controlerele proporționale și integrate sunt utilizate combinate (controler PI) pentru o viteză bună de răspuns și un răspuns la starea de echilibru.
Răspuns derivat (D):
Controlerul derivat este folosit cu combinație de PD sau PID. Nu s-a folosit niciodată singur, deoarece dacă eroarea este constantă (diferită de zero), ieșirea controlerului va fi zero. În această situație, controlerul are o eroare de viață zero, dar în realitate există unele erori (constante). Ieșirea controlerului derivat este direct proporțională cu rata de schimbare a erorii în raport cu timpul așa cum se arată în ecuație. Eliminând semnul proporționalității, obținem constantă de câștig derivat (k d). În general, controlerul derivat este utilizat atunci când variabilele procesorului încep să oscileze sau se modifică la o viteză foarte mare. Controlerul D este, de asemenea, utilizat pentru a anticipa comportamentul viitor al erorii prin curba de eroare. Ecuația matematică este așa cum se arată mai jos;
y (t) ∝ de (t) / dt y (t) = K d * de (t) / dt
Controlor proporțional și integral:
Aceasta este o combinație de controler P și I. Ieșirea controlerului este însumarea ambelor răspunsuri (proporționale și integrale). Ecuația matematică este așa cum se arată mai jos;
y (t) ∝ (e (t) + ∫ e (t) dt) y (t) = k p * e (t) + k i ∫ e (t) dt
Controler proporțional și derivat: Aceasta este o combinație de controler P și D. Ieșirea controlerului este însumarea răspunsurilor proporționale și derivate. Ecuația matematică a controlerului PD este așa cum se arată mai jos;
y (t) ∝ (e (t) + de (t) / dt) y (t) = k p * e (t) + k d * de (t) / dt
Controlor proporțional, integral și derivat: Aceasta este o combinație de controlere P, I și D. Ieșirea controlerului este însumarea răspunsurilor proporționale, integrale și derivate. Ecuația matematică a controlerului PD este așa cum se arată mai jos;
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
Astfel, prin combinarea acestui răspuns de control proporțional, integral și derivat, formați un controler PID.
Metode de reglare pentru controlerul PID:
Pentru ieșirea dorită, acest controler trebuie să fie reglat corect. Procesul de obținere a răspunsului ideal de la controlerul PID prin setarea PID se numește reglarea controlerului. Setarea PID înseamnă setarea valorii optime a câștigului de răspuns proporțional (k p), derivat (k d) și integral (k i). Controlerul PID este reglat pentru respingerea perturbării înseamnă a rămâne la un punct de referință dat și urmărirea comenzii, înseamnă că dacă punctul de referință este modificat, ieșirea controlerului va urma un nou punct de referință. Dacă controlerul este reglat corect, ieșirea controlerului va urma valoarea de referință variabilă, cu o oscilație mai mică și o amortizare mai mică.
Există mai multe metode pentru reglarea controlerului PID și obținerea răspunsului dorit. Metodele pentru reglarea controlerului sunt cele de mai jos;
- Metoda de încercare și eroare
- Tehnica curbei de reacție a procesului
- Metoda Ziegler-Nichols
- Metoda releu
- Folosind software
1. Metoda de încercare și eroare:
Metoda de încercare și eroare este, de asemenea, cunoscută sub numele de metodă de reglare manuală și această metodă este cea mai simplă metodă. În această metodă, creșteți mai întâi valoarea kp până când sistemul ajunge la un răspuns oscilant, dar sistemul nu ar trebui să facă instabil și să păstreze valoarea kd și ki zero. După aceea, setați valoarea ki în așa fel încât oscilația sistemului să se oprească. După aceea, setați valoarea lui kd pentru un răspuns rapid.
2. Tehnica curbei de reacție a procesului:
Această metodă este, de asemenea, cunoscută sub numele de metodă de reglare Cohen-Coon. În această metodă se generează mai întâi o curbă de reacție a procesului ca răspuns la o perturbare. Prin această curbă putem calcula valoarea câștigului controlerului, timpul integral și timpul derivat. Această curbă este identificată prin efectuarea manuală a testului în pas cu buclă deschisă a procesului. Parametrul modelului poate găsi după perturbarea procentuală a pasului inițial. Din această curbă trebuie să găsim înclinarea, timpul mort și timpul de creștere a curbei, care nu este altceva decât valoarea kp, ki și kd.
3. Metoda Zeigler-Nichols:
În această metodă, de asemenea, setați mai întâi valoarea ki și kd zero. Câștigul proporțional (kp) crește până ajunge la câștigul final (ku). câștigul final nu este nimic, dar este un câștig la care ieșirea buclei începe să oscileze. Acest ku și perioada de oscilație Tu sunt utilizate pentru a obține câștigul controlerului PID din tabelul de mai jos.
|
Tipul controlerului |
kp |
k i |
kd |
|
P |
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 de releu:
Această metodă este, de asemenea, cunoscută sub numele de metoda Astrom-Hugglund. Aici ieșirea este comutată între două valori ale variabilei de control, dar aceste valori sunt alese în așa fel încât procesul să treacă punctul de referință. Când variabila de proces este mai mică decât valoarea de referință, ieșirea de control este setată la valoarea mai mare. Când valoarea procesului este mai mare decât valoarea de referință, ieșirea de control este setată la valoarea inferioară și se formează forma de undă de ieșire. Perioada și amplitudinea acestei forme de undă oscilatorie sunt măsurate și utilizate pentru a determina câștigul final ku și perioada Tu care este utilizată în metoda de mai sus.
5. Utilizarea software-ului:
Pentru reglarea PID și optimizarea buclei, sunt disponibile pachete software. Aceste pachete software colectează date și realizează un model matematic al sistemului. Prin acest model, software-ul găsește un parametru optim de reglare din modificările de referință.
Structura controlerului PID:
Controlerele PID sunt proiectate pe baza tehnologiei microprocesorului. Diferitele fabricanți utilizează structuri și ecuații PID diferite. Cele mai frecvente ecuații PID utilizate sunt; ecuație PID paralelă, ideală și de serie.
În ecuația PID paralelă, acțiunile proporționale, integrale și derivate funcționează separat între ele și efectul combinat al acestor trei acțiuni sunt acționate în sistem. Diagrama bloc a acestui tip de PID este așa cum se arată mai jos;
În ecuația PID ideală, câștigul constant k p este distribuit tuturor termenilor. Deci, modificările în k p afectează toți ceilalți termeni din ecuație.
În ecuația PID din serie, constantul de câștig k p este distribuit la toți termenii identici cu ecuația PID ideală, dar în această ecuație constantele integrale și derivate au efect asupra acțiunii proporționale.
Aplicații ale controlerului PID:
Controlul temperaturii:
Să luăm un exemplu de AC (aer condiționat) al oricărei instalații / procese. Valoarea de referință este temperatura (20 ͦ C), iar temperatura măsurată curent de către senzor este de 28 ͦ C. Scopul nostru este să rulăm curent alternativ la temperatura dorită (20 ͦ C). Acum, controlerul de curent alternativ, generează semnal în funcție de eroare (8 ͦ C) și acest semnal este dat AC. Conform acestui semnal, ieșirea de curent alternativ este modificată și temperatura scade la 25 ͦ C. în continuare același proces se va repeta până când senzorul de temperatură măsoară temperatura dorită. Când eroarea este zero, controlerul va da comanda de oprire la AC și din nou temperatura va crește până la o anumită valoare și din nou va genera eroare și același proces se repetă continuu.
Proiectarea controlerului de încărcare MPPT (urmărirea punctului maxim de putere) pentru fotovoltaice solare:
Caracteristica IV a unei celule PV depinde de temperatură și de nivelul de iradiere. Deci, tensiunea și curentul de funcționare se vor schimba continuu în ceea ce privește schimbarea condițiilor atmosferice. Prin urmare, este foarte important să urmăriți punctul maxim de putere pentru un sistem fotovoltaic eficient. Pentru a găsi MPPT, se folosește controlerul PID și pentru acest punct de referință curent și tensiune este dat controlerului. Dacă condițiile atmosferice se vor schimba, acest tracker menține constant tensiunea și curentul.
Convertor electronic de putere:
Controlerul PID este cel mai util în aplicațiile electronice de putere, cum ar fi convertoarele. Dacă un convertor este conectat la sistem, în funcție de schimbarea sarcinii, ieșirea convertorului trebuie să se schimbe. De exemplu, un invertor este conectat la sarcină, dacă creșterea sarcinii va curge mai mult curent din invertor. Deci, parametrul de tensiune și curent nu este fix, se va modifica în funcție de cerință. În această condiție, controlerul PID este utilizat pentru a genera impulsuri PWM pentru comutarea IGBT-urilor invertorului. În funcție de schimbarea încărcării, semnalul de feedback este dat controlerului și va genera erori. Impulsurile PWM sunt generate în funcție de semnalul de eroare. Deci, în această condiție putem obține intrare variabilă și ieșire variabilă cu același invertor.