什么是PID控制器:工作及其应用程序

顾名思义,本文将为PID控制器的结构提供精确的思路。但详细介绍,让我们了解PID控制器的介绍。PID控制器位于各种工业过程控制的应用中。大约95%的闭环操作工业自动化扇区采用PID控制器。PID代表比例-积分-导数。这三个控制器以这样一种方式组合,它产生一个控制信号。作为一个反馈控制器,它提供控制输出在期望的水平。在微处理器发明之前,PID控制是通过模拟电子元件来实现的。但是现在所有的PID控制器都是由微处理器处理的。可编程逻辑控制器还具有内置PID控制器指令。由于PID控制器的灵活性和可靠性,这些传统上用于过程控制应用中。

什么是PID控制器?

PID是比例积分导数的缩写,是一种用于控制工业应用中不同工艺变量如压力、流量、温度、速度等的装置。该控制器采用控制回路反馈装置来调节所有的过程变量。


这种类型的控制用于在目标位置的方向上驱动系统。它几乎无处不在为温度控制,并用于科学工艺,自动化和无数化学品。在该控制器中,闭环反馈用于维护来自靠近诸如可能的附近输出的物镜的方法的真实输出。在本文中,讨论了PID控制器设计,如P,I&D在其上使用的控制模式。

历史

PID控制器的历史是在1911年,第一个PID控制器由Elmer Sperry开发。之后,Tic(泰勒工具公司)实施了一个前气动控制器,在1933年完全可调。几年后,控制工程师通过将结束重新定义到某些假值,在比例控制器内发现稳态的误差,直到错误不是为零。

这种Reuning包括称为比例整体控制器的错误。之后,在1940年,第一个气动PID控制器是通过衍生作用而开发的,以减少过冲问题。

1942年,Ziegler&Nichols引入了调整规则来发现和设置工程师PID控制器的合适参数。最后,自动PID控制器在1950年中段广泛应用于行业。


PID控制器框图

像PID控制器这样的闭环系统包括反馈控制系统。该系统使用传出点来评估反馈变量以产生错误信号。基于此,它改变了系统输出。此过程将继续,直到误差达到零,否则反馈变量的值相当于固定点。

与ON/OFF型控制器相比,该控制器具有良好的性能。在ON/OFF类型控制器中,管理系统只需要两个条件。一旦进程值低于固定值,它就会打开。类似地,一旦值高于固定值,它将关闭。这种控制器的输出是不稳定的,它会频繁地在定点区域内摆动。然而,与ON/OFF型控制器相比,这种控制器更加稳定和准确。

PID控制器的工作
PID控制器的工作

PID控制器的工作

使用一个低成本的简单ON-OFF控制器,只有两个控制状态是可能的,如完全ON或完全OFF。它用于有限的控制应用,其中这两个控制状态对控制目标足够。然而,这种控制的振荡性质限制了它的使用,因此它被PID控制器所取代。

PID控制器维护输出,使得过程变量与闭环操作的设定值/期望输出之间存在零误差。PID使用以下三种基本控制行为。

P-控制器

比例或P-Controller给出了与当前误差e(t)成比例的输出。它将所需或设定点与实际值或反馈过程值进行比较。产生的误差乘以比例常数以获得输出。如果误差值为零,则该控制器输出为零。

p-controller.
p-controller.

这个控制器需要偏压或手动复位时,单独使用。这是因为它永远不会达到稳态状态。它提供稳定的运行,但始终保持稳态误差。当比例常数Kc增加时,响应速度增加。

P-Controller响应
P-Controller响应

I-controller.

由于p-控制器的局限性,过程变量与设定值之间总是存在一个偏移,因此需要i -控制器,这为消除稳态误差提供了必要的措施。它在一段时间内集成误差,直到误差值达到零。它保存了最终控制设备的误差为零的值。

比例积分控制器
比例积分控制器

积分控制在发生负误差时会降低其输出。它限制了响应的速度,并影响系统的稳定性。通过降低积分增益,ki来增加响应的速度。

PI控制器响应
PI控制器响应

在上图中,随着I控制器的增益降低,​​稳态误差也降低。对于大多数情况而言,PI控制器特别用于不需要高速响应的位置。

在使用PI控制器的同时,I-Controller输出仅限于若要克服的范围积分了由于工厂中的非线性,整体输出即使在零误差状态下也增加的条件。

D-Controller.

I-Controller没有能力预测错误的错误行为。因此,一旦设定点改变,它通常会反应。D-Controller通过预期错误的未来行为来克服这个问题。其输出取决于相对于时间的误差变化率,乘以导数常数。它给出了输出开始的启动,从而增加了系统响应。

PID控制器
PID控制器

在上述图中的响应中,与PI控制器相比,控制器更多,并且还减少了输出的稳定时间。它通过补偿由I控制器引起的相滞后来提高系统的稳定性。增加衍生增益增加了响应的速度。

PID控制器响应
PID控制器响应

最后我们观察到,通过结合这三个控制器,我们可以得到系统的期望响应。不同的厂家设计不同的PID算法。

PID控制器的类型

PID控制器分为三种类型,如开/关,比例和标准类型控制器。这些控制器基于控制系统使用,用户可以使用控制器来调节该方法。

开/关控制

开关控制方法是用于温度控制的最简单的装置类型。设备输出可能通过没有中心状态是ON/OFF。这个控制器将打开输出只要温度越过固定点。极限控制器是一种特殊的开/关控制器,它使用闭锁继电器。该继电器手动复位,并用于关闭一种方法,一旦达到一定的温度。

比例控制

这种控制器设计用于拆下通过开/关控制连接的循环。一旦温度达到固定点,该PID控制器将减小向加热器提供的正常功率。

该控制器的一个特点是控制加热器使其不会超过固定点,但它将达到固定点以保持稳定的温度。
这种比例行为可以通过开启和关闭输出来实现少时间段。该时间比例将使比例从时刻改变为OFF时间来控制温度。

标准类型PID控制器

这种PID控制器将通过积分和衍生控件合并成比例控制,以自动辅助设备补偿系统内的修改。这些修改,积分和衍生物以时间为基础的单位表示。

这些控制器也通过它们的倒数,相应的RATE和RESET来引用。PID的条件必须单独调整,否则调谐到一个特定的系统与试验和错误。这些控制器将提供最精确和稳定的控制3种类型的控制器。

实时PID控制器

目前,市场上有各种PID控制器。这些控制器用于工业控制要求,如压力,温度,水平和流量。一旦通过PID控制这些参数,就可以使用单独的PID控制器或PLC。
这些单独的控制器被用于任何需要检查一个或两个回路的地方,以及在通过更大的系统进入的复杂条件下进行控制。

这些控制设备为独奏和双环控制提供了不同的选择。独立类型PID控制器提供了几种固定点配置,以产生自主的几个警报。
这些独立的控制器主要包括Honeywell的PID控制器,横河的温度控制器,OMEGA、Siemens、ABB的自动调节控制器。

PLC在大多数工业控制应用中使用PID控制器,PID块的布置可以在PACS或PLC内完成,以提供精确的PLC控制的卓越选择。与单独的控制器相比,这些控制器更智能,并且与单独的控制器相比强大。每个PLC包括软件编程中的PID块。

调整方法

在PID控制器的工作发生之前,必须调整它以适合要控制的过程的动态。设计人员为p,i和d术语提供默认值,这些值无法提供所需的性能,有时会导致不稳定和控制性能缓慢。开发了不同类型的调整方法来调整PID控制器,并需要从操作员注意到比例,积分和衍生增益的最佳值。其中一些如下。

PID控制器用于大多数工业应用中,但应该知道该控制器的设置可以正确调整以生成首选输出。在这里,调整只不过是通过设置最佳比例增益,积分和衍生因子来接收来自控制器的理想回复的过程。

通过调谐控制器可以获得PID控制器的所需输出。有不同的技术可以获得来自控制器的所需输出,如试用和错误,Zeigler-Nichols和过程反应曲线。最常用的方法是试用和错误,Zeigler-Nichol等。

试验和错误方法:它是PID控制器调谐的简单方法。当系统或控制器正在运行时,我们可以调整控制器。在此方法中,首先,我们必须将ki和kd值设置为零并增加比例项(kp),直到系统达到振荡行为。一旦振荡,调整ki(积分术语),使振荡停止并最终调整d以获得快速响应。

过程反应曲线技术:它是一种开环调谐技术。当将步进输入应用于系统时,它会产生响应。最初,我们必须手动向系统应用一些控制输出,并且必须记录响应曲线。

然后,我们需要计算斜率,死区时间,曲线上升时间,最后将这些值代入P, I, D方程,得到PID项的增益值。

过程反应曲线
过程反应曲线

Zeigler-Nichols方法:Zeigler-Nichols提出了PID控制器的闭环整定方法。这是连续循环法和阻尼振荡法。两种方法的步骤是相同的,但振荡行为是不同的。在这里,首先,我们必须设置p-控制器常数Kp为一个特定的值,而Ki和Kd值为零。比例增益增加,直到系统以恒定的振幅振荡。

系统产生恒定振荡的增益称为最终增益(KU),振荡周期称为最终时段(PC)。一旦到达,我们可以通过Zeigler-Nichols表输入PID控制器中的P,I和D的值取决于像P,PI或PID的控制器,如下所示。

Zeigler-Nichols表
Zeigler-Nichols表

PID控制器结构

PID控制器由比例控制、积分控制和微分控制三部分组成。这三种控制器的组合运行为过程控制提供了一种控制策略。PID控制器控制压力、速度、温度、流量等过程变量。一些应用程序在级联网络中使用PID控制器,其中两个或更多的PID被用来实现控制。

PID控制器的结构
PID控制器的结构

上图显示了PID控制器的结构。它由一个PID块组成,该块将其输出给进程块。过程/工厂由最终控制设备如执行器,控制阀,和其他控制设备来控制工业/工厂的各种过程。

将来自处理设备的反馈信号与设定点或参考信号U(t)进行比较,并且相应的误差信号e(t)被馈送到PID算法。根据算法中的比例,积分和衍生控制计算,控制器产生应用于工厂控制设备的组合响应或受控输出。

所有控制应用程序都不需要所有三个控制元素。PI和PD控件等组合通常用于实际应用中。

应用程序

PID控制器应用程序包括以下内容。

最好的PID控制器应用是温度控制,其中控制器使用温度传感器的输入和其输出可以联合到一个控制元件,如风扇或加热器。一般来说,这种控制器只是温度控制系统中的一个元件。在选择正确的控制器时,必须对整个系统进行检查和考虑。

炉温控制

一般来说,熔炉被用来包括加热,以及在巨大的温度下保存大量的原材料。通常被占用的物质包括一个巨大的质量。因此,它需要很高的惯性量&即使应用巨大的热量,材料的温度也不会迅速改变。该特性导致了一个适度稳定的PV信号&允许导数周期有效纠正故障,而不会对FCE或CO产生极端变化。

MPPT充电控制器

光伏电池的V-I特性主要取决于温度范围和辐照度。根据天气情况,电流和工作电压会不断变化。因此,追踪高效光伏系统的最高ppt值是非常重要的。PID控制器通过给PID控制器给定固定的电压和电流点来寻找最大功率点。一旦天气状况发生变化,跟踪器就会保持电流和电压稳定。

电力电子器件的转换器ayxPG电子

我们知道转换器是电力电子设备的应用,因此PID控制器主要用于转换器。ayxPG电子每当通过系统通过基于负载内的变化通过系统共同实现转换器,那么转换器的输出将改变。例如,逆变器与负载共混;一旦加载增加,巨大的电流被提供。因此,电压的参数以及电流不稳定,但它将基于要求改变。

在此状态下,该控制器将生成PWM信号以激活变频器的IGBT。基于负载内的变化,响应信号被提供给PID控制器,以便它产生n个错误。这些信号基于故障信号生成。在这种状态下,我们可以通过类似的逆变器获得可变的输入和输出。

PID控制器的应用:无刷直流电机的闭环控制

PID控制器接口

PID控制器的设计和接口可以使用Arduino MicroController完成。在实验室中,基于Arduino的PID控制器采用Arduino Uno板,电子元件,热电冷却器设计,而该系统中使用的软件编程语言是C或C ++。该系统用于控制实验室内的温度。

物理上发现了特定控制器的PID参数。可以通过不同形式的控制器之间的随后对比度来实现各种PID参数的功能。
该接口系统可以通过±0.6℃的误差有效地计算温度,而通过与首选值的一个小的差异来实现恒温调节。在这个系统中使用的概念将提供廉价和精确的技术来管理物理参数在一个首选范围内的实验室。

因此,本文讨论了PID控制器的概述,包括历史,框图,结构,类型,工作,调整方法,接口,优点和应用程序。我们希望我们能够为PID控制器提供基本且精确的知识。这是一个对你们所有人的一个简单问题。在不同的调谐方法中,优选使用哪种方法来实现PID控制器的最佳工作,为什么?

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8评论

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  2. GC Jyothi Prasanna 说:

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