Пид контролери: рад, структура и методе подешавања

Пре објашњавања ПИД контролера, хајде да ревидирамо систем управљања. Постоје две врсте система; систем отворене петље и систем затворене петље. Систем отворене петље познат је и као неконтролисани систем, а систем затворене петље познат је као контролисани систем. У систему отворене петље, излаз се не контролише, јер овај систем нема повратне информације, а у систему затворене петље, излаз се контролише помоћу контролера и овај систем захтева једну или више повратних путања. Систем отворене петље је врло једноставан, али није користан у индустријским апликацијама управљања, јер је овај систем неконтролисан. Затворени систем петље је сложен, али најкориснији за индустријску примену, јер у овом систему излаз може бити стабилан на жељену вредност, ПИД је пример система затворене петље. Блок дијаграм ових система приказан је на доњој слици 1.

Систем са затвореном петљом познат је и као систем за контролу повратних информација и овај тип система користи се за пројектовање аутоматски стабилног система на жељеном излазу или референци. Из тог разлога генерише сигнал грешке. Сигнал грешке е (т) је разлика између излаза и (т) и референтног сигнала у (т) . Када је ова грешка једнака нули, то значи да је постигнут жељени излаз и у овом стању је излаз једнак референтном сигналу.

На пример, сушач ради неколико пута, што је унапред подешена вредност. Када је сушилица УКЉУЧЕНА, тајмер се укључује и он ће радити док се тајмер не заврши и да излаз (сува крпа). Ово је једноставан систем отворене петље, где излаз није потребан за контролу и не захтева никакву повратну путању. Ако смо у овом систему користили сензор влаге који пружа повратну путању и упоређује ово са задатом тачком и генерише грешку. Сушач ради док ова грешка не буде нула. Значи када је влага тканине иста као задата вредност, сушач ће престати да ради. У систему отворене петље, сушара ради одређено време, без обзира на то да ли је одећа сува или мокра. Али у систему затворене петље, сушач неће радити одређено време, радиће док се одећа не осуши. То је предност блиског система и употребе контролера.

ПИД контролер и његов рад:

Па шта је ПИД контролер? ПИД контролер је универзално прихваћен и најчешће кориштен регулатор у индустријској примени, јер је ПИД контролер једноставан, пружа добру стабилност и брз одзив. ПИД означава пропорционални, интегрални, изведени. У свакој апликацији, коефицијент ове три акције варира да би се добио оптималан одговор и контрола. Улаз контролера је сигнал грешке, а излаз се даје постројењу / процесу. Излазни сигнал регулатора се генерише на такав начин да се излазом постројења покушава постићи жељена вредност.

ПИД регулатор је систем затворене петље који има систем контроле повратне спреге и он упоређује променљиву процеса (променљива повратне спреге) са постављеном тачком и генерише сигнал грешке и према томе прилагођава излаз система. Овај процес се наставља све док ова грешка не дође до нуле или док вредност променљиве процеса не постане једнака постављеној тачки.

ПИД контролер даје боље резултате од ОН / ОФФ регулатора. У ОН / ОФФ контролеру доступна су само два стања за управљање системом. Може се УКЉУЧИТИ или ИСКЉУЧИТИ. УКЉУЧИТ ће се када је вриједност процеса мања од задате вриједности, а ИСКЉУЧИТ ће се када је вриједност процеса већа од задате вриједности. У овом регулатору излаз никада неће бити стабилан, он ће увек осцилирати око задате вредности. Али ПИД контролер је стабилнији и прецизнији у поређењу са ОН / ОФФ контролером.

ПИД контролер је комбинација три појма; Пропорционално, интегрално и изведено. Разумимо ова три појма појединачно.

ПИД начини контроле:

Пропорционални (П) одговор:

Израз 'П' пропорционалан је стварној вредности грешке. Ако је грешка велика, контролни излаз је такође велик, а ако је грешка мала, контролни излаз је такође мали, али фактор добитка (К _п) је

Такође узимајући у обзир. Брзина одзива је такође директно пропорционална пропорционалном фактору појачања (К _п). Дакле, брзина одзива се повећава повећањем вредности К _п, али ако се К _п повећа изнад нормалног опсега, променљива процеса почиње да осцилира великом брзином и чини систем нестабилним.

и (т) ∝ е (т) и (т) = к _и * е (т)

Овде се резултујућа грешка множи са фактором добитка пропорционалности (пропорционална константа) као што је приказано у горњој једначини. Ако се користи само П контролер, тада му је потребно ручно ресетовање, јер одржава грешку у стабилном стању (офсет).

Интегрални (И) одговор:

Интегрисани контролер се обично користи за смањење грешке у стабилном стању. Појам „И“ интегрише се (с обзиром на време) са стварном вредношћу грешке . Због интеграције, врло мала вредност грешке, резултира врло високим интегралним одзивом. Акција интегралног контролера наставља да се мења све док грешка не постане нула.

и (т) ∝ ∫ е (т) и (т) = к _и ∫ е (т)

Интегрални добитак је обрнуто пропорционалан брзини одзива, повећавајући к _и, смањујући брзину одзива. Пропорционални и интегрални контролери се користе комбиновано (ПИ контролер) за добру брзину одзива и стабилно одзивање.

Деривативни (Д) одговор:

Деривативни регулатор се користи за комбинацију ПД или ПИД. Никада се није користио сам, јер ако је грешка константна (није нула), излаз контролера биће нула. У овој ситуацији, контролер се понаша као грешка нула живота, али у стварности постоје неке грешке (константе). Излаз дериватног регулатора је директно пропорционалан стопи промене грешке у односу на време како је приказано у једначини. Уклањањем знака пропорционалности добијамо константу дериватног добитка (к _д). Генерално, Деривативни контролер се користи када променљиве процесора почну да осцилирају или се мењају врло великом брзином. Д-контролер се такође користи за предвиђање будућег понашања грешке према кривој грешке. Математичка једначина је приказана доле;

и (т) ∝ де (т) / дт и (т) = К _д * де (т) / дт

Пропорционални и интегрални контролер:

Ово је комбинација П и И контролера. Излаз контролера је збир оба (пропорционалног и интегралног) одговора. Математичка једначина је приказана доле;

и (т) ∝ (е (т) + ∫ е (т) дт) и (т) = к _п * е (т) + к _и ∫ е (т) дт

Пропорционални и изведени контролер: Ово је комбинација П и Д контролера. Излаз контролера је збир пропорционалних и изведених одговора. Математичка једначина ПД контролера је приказана доле;

и (т) ∝ (е (т) + де (т) / дт) и (т) = к _п * е (т) + к _д * де (т) / дт

Пропорционални, интегрални и изведени регулатор: Ово је комбинација П, И и Д контролера. Излаз контролера је збир пропорционалних, интегралних и изведених одговора. Математичка једначина ПД контролера је приказана доле;

и (т) ∝ (е (т) + ∫ е (т) дт + де (т) / дт) и (т) = к _п * е (т) + к _и ∫ е (т) дт + к _д * де (т) / дт

Дакле, комбиновањем овог пропорционалног, интегралног и изведеног контролног одговора, формирајте ПИД контролер.

Методе подешавања ПИД контролера:

За жељени излаз, овај контролер мора бити правилно подешен. Процес добивања идеалног одговора од ПИД контролера подешавањем ПИД назива се подешавање контролера. ПИД подешавање значи подешавање оптималне вредности појачања пропорционалног (к _п), изведеног (к _д) и интегралног (к _и) одзива. ПИД контролер је подешен за одбијање сметњи, значи задржавање на датој заданој вредности и праћењу наредби, значи ако се задана вредност промени, излаз контролера ће следити нову задану вредност. Ако је регулатор правилно подешен, излаз контролера пратиће променљиву задану вредност, са мање осцилација и мање пригушивања.

Постоји неколико метода за подешавање ПИД контролера и добијање жељеног одговора. Методе за подешавање контролера су као у наставку;

1. Метода покушаја и грешака
2. Техника криве процесне реакције
3. Зиеглер-Ницхолсова метода
4. Метода релеја
5. Коришћење софтвера

1. Метода покушаја и грешака:

Метода покушаја и грешака позната је и као метода ручног подешавања, а ова метода је најједноставнија метода. У овој методи, прво повећавајте вредност кп док систем не достигне осцилирајући одзив, али систем не би требало да направи нестабилно и одржи вредност кд и ки нула. Након тога, подесите вредност ки на такав начин да се зауставља осцилација система. Након тога подесите вредност кд за брзи одговор.

2. Техника кривуље процесне реакције:

Ова метода је такође позната и као Цохен-Цоон метода подешавања. У овој методи прво се генерише кривуља реакције процеса као одговор на поремећај. Помоћу ове криве можемо израчунати вредност појачања регулатора, интегрално време и изведено време. Ова крива се идентификује ручним извођењем у тестној фази корака отворене петље. Параметар модела може се пронаћи према проценту сметњи у почетном кораку. Из ове криве морамо пронаћи нагиб, мртво време и време пораста криве која није ништа друго до вредност кп, ки и кд.

3. Зеиглер-Ницхолсова метода:

У овој методи такође прво подесите вредност ки и кд нула. Пропорционални добитак (кп) се повећава док не достигне крајњи добитак (ку). крајњи добитак није ништа друго него је добитак при којем излаз петље почиње да осцилира. Ова ку и период осциловања Ту се користе за добијање појачања ПИД регулатора из доње табеле.

Тип контролера	кп	к и	кд
П.	0,5 к у
ПИ	0,45 к у	0,54 к у / Т у
ПИД	0,60 к у	1,2 к у / Т у	3 к у Т у / 40

4. Метода релеја:

Ова метода је такође позната и као Астром-Хугглундова метода. Овдје се излаз пребацује између двије вриједности контролне варијабле, али ове вриједности се бирају на такав начин да процес мора пријећи задану вриједност. Када је променљива процеса мања од задате вредности, контролни излаз се поставља на већу вредност. Када је вредност процеса већа од задате вредности, контролни излаз се поставља на нижу вредност и формира се излазни таласни облик. Период и амплитуда овог осцилаторног таласног облика се мере и користе за одређивање крајњег појачања ку и периода Ту који се користи у горњој методи.

5. Коришћење софтвера:

За ПИД подешавање и оптимизацију петље доступни су софтверски пакети. Ови софтверски пакети прикупљају податке и чине математички модел система. Овим моделом софтвер проналази оптималан параметар за подешавање из референтних промена.

Структура ПИД контролера:

ПИД контролери су дизајнирани на основу микропроцесорске технологије. Различити произвођачи користе различиту ПИД структуру и једначину. Најчешће коришћене ПИД једначине су; паралелна, идеална и серијска ПИД једначина.

У паралелном ПИД једначини, пропорционалне, интегралне и изведени активности одвојено раде са сваким другим и комбинује ефекат ова три акције су акт у систему. Блок дијаграм ове врсте ПИД-а приказан је доле;

У идеалној ПИД једначини, константа добитка к _п распоређује се на све чланове. Дакле, промене к _п утичу на све остале чланове у једначини.

У серијској ПИД једначини, константа добитка к _п распоређује се на све чланове исто што и идеална ПИД једначина, али у овој једначини интегралне и изведене константе имају утицај на пропорционално деловање.

Примене ПИД контролера:

Контрола температуре:

Узмимо пример АЦ (клима-уређаја) било које биљке / процеса. Задана вредност је температура (20 Ц), а тренутна температура измерена сензором је 28 Ц. Наш циљ је покретање АЦ на жељену температуру (20 Ц). Сада, контролер АЦ, генерише сигнал према грешци (8 Ц) и овај сигнал се даје АЦ. Према овом сигналу, излаз АЦ се мења и температура се смањује на 25 Ц. даљи исти поступак ће се понављати све док сензор температуре не измери жељену температуру. Када је грешка нула, контролер ће дати наредбу заустављања наизменичном напону и температура ће се поново повећати до одређене вредности и поново ће се генерисати грешка и исти поступак се непрекидно понавља.

Дизајн МППТ (Макимум повер поинт трацкинг) контролера пуњења за соларни ПВ:

ИВ карактеристика ПВ ћелије зависи од температуре и нивоа зрачења. Дакле, радни напон и струја ће се непрекидно мењати с обзиром на промену атмосферских услова. Због тога је веома важно пратити максималну тачку снаге за ефикасан ПВ систем. Да би се пронашао МППТ, користи се ПИД контролер и за то се регулатору даје задата вредност струје и напона. Ако се атмосферски услови промене, овај трацкер одржава напон и струју константним.

Претварач енергетске електронике:

ПИД контролер је најкориснији у примени енергетске електронике попут претварача. Ако је претварач повезан са системом, према промени оптерећења, излаз претварача мора се променити. На пример, претварач је повезан са оптерећењем, ако се повећа оптерећење, из претварача ће тећи више струје. Дакле, параметар напона и струје није фиксан, он ће се променити према захтевима. У овом стању, ПИД контролер се користи за генерисање ПВМ импулса за пребацивање ИГБТ претварача. У складу са променом оптерећења, повратни сигнал се даје регулатору и он ће генерисати грешку. ПВМ импулси се генеришу према сигналу грешке. Дакле, у овом стању можемо добити променљиви улаз и променљиви излаз са истим претварачем.