什么是PID控制器:工作及其应用

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使用PID控制器。PID代表比例积分衍生物。这三个控制器以其产生控制信号的方式组合。作为反馈控制器,它可以在所需级别中提供控制输出。在发明微处理器之前,PID控制由模拟电子元件实现。但今天所有PID控制器都由微处理器处理。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?

术语PID代表比例整体衍生物,并且它是一种用于控制不同工艺变量,如工业应用中的压力,流量,温度和速度等不同的处理变量。在该控制器中,控制回路反馈设备用于调节所有过程变量。


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控制器是由Elmer Sperry开发的。在那之后,TIC(泰勒仪器公司)实现了一个前气动控制器与完全可调在1933年。几年后,控制工程师消除了在比例控制器中发现的稳态误差,通过返回到一些错误的值,直到误差不为零。

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。这个系统使用一个固定的点来评估反馈变量来产生一个误差信号。在此基础上,改变系统输出。这个过程将持续到误差达到零,否则反馈变量的值将等价于一个固定点。

与ON / OFF类型控制器相比,该控制器提供了良好的效果。在ON / OFF类型控制器中,可以获得两个条件来管理系统。一旦过程值低于固定点,那么它就会打开。同样,一旦值高于固定值就会关闭它。在这种控制器中输出不稳定,它将经常在固定点的区域中摆动。但是,与开/关型控制器相比,该控制器更稳定,准确。

PID控制器的工作
PID控制器的工作

PID控制器的工作

通过使用低成本简单的开关控制器,只有两个控制状态也是可能的,如完全打开或完全关闭。它用于有限控制应用,其中这两个控制状态足以让控制目标。然而,这种控制的振荡性质限制了其使用,因此它被PID控制器替换。

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

单独使用时,该控制器需要偏置或手动复位。这是因为它永远不会达到稳态条件。它提供稳定的操作,但始终保持稳态错误。当比例常数Kc增加时,响应的速度增加。

P-Controller响应
P-Controller响应

I-controller.

由于P-Controller的限制,其中在过程变量和设定值之间始终存在偏移,因此需要I-Controller,这提供了消除稳态误差的必要动作。它在一段时间内集成了错误,直到错误值达到零。它将值保存到最终控制设备的值变为零。

PI控制器
PI控制器

当出现负误差时,积分控制减少其输出。它限制了系统的响应速度,影响了系统的稳定性。通过降低积分增益Ki来提高响应速度。

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的结束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

在上图D的响应中,控制器比PI控制器更多,而且输出的沉淀时间也减少了。通过补偿i型控制器引起的相位滞后,提高了系统的稳定性。增加导数增益可以提高响应速度。

PID控制器响应
PID控制器响应

因此,我们观察到通过组合这三个控制器,我们可以获得系统的所需响应。不同的制造商设计不同的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类型的设备。设备输出可以通过无中心状态开/关。该控制器将在温度交叉一旦过度的情况下立即打开输出。限位控制器是使用锁存继电器的一个特定的开/关控制器。该继电器手动复位并用来一旦获得特定温度,就会关闭方法。

比例控制

这种控制器设计用于去除通过开/关控制连接的循环。这个PID控制器将减少正常供电给加热器,一旦温度达到固定点。

该控制器具有一个要控制加热器的功能,使其不会超过固定点,但是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互核,速率和重置相应地称为。必须将PID的条款分别调整为具有试用以及错误的特定系统。这些控制器将提供最精确且稳定地控制3种类型的控制器。

实时PID控制器

目前市场上有各种各样的PID控制器可供选择。这些控制器用于工业控制要求,如压力,温度,水平,和流量。一旦这些参数通过PID控制,选择包括利用一个单独的PID控制器或PLC。
在任何否则需要检查两个环路的情况下都采用这些单独的控制器,并在通过较大系统进入右侧的条件下否则地控制。

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。
这些独立控制器主要包括来自霍尼韦尔的PID控制器,来自Yokogawa,来自欧米茄,西门子和ABB控制器的自动调谐控制器的温度控制器。

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控制器工作之前,它必须调整以适应要控制的过程的动态。设计师为P、I和D提供了默认值,这些值不能提供理想的性能,有时会导致不稳定和缓慢的控制性能。不同类型的整定方法被发展来整定PID控制器,并且需要从操作员的注意选择最佳值的比例,积分,和微分增益。下面列出了其中一些。

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:它是一种开环调整技术。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。

之后,我们需要计算斜率,死区时间,曲线的上升时间,最后替换在p,i和d方程中的这些值来获取PID术语的增益值。

过程反应曲线
过程反应曲线

Zeigler-Nichols方法:Zeigler-Nichols提出了用于调整PID控制器的闭环方法。那些是连续循环方法和阻尼振荡方法。两种方法的程序是相同的,但振荡行为是不同的。在此,首先,我们必须将p-controller常数kp设置为特定值,而ki和kd值为零。增加比例增益,直到系统以恒定幅度振荡。

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控制器由三个术语组成,即比例,积分和衍生控制。这三个控制器的组合操作为过程控制提供了控制策略。PID控制器操纵像压力,速度,温度,流量等的过程变量。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PID用于实现控制。

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,它将其输出输出到过程块。工艺/植物由致动器,控制阀和其他控制装置等最终控制装置组成,以控制各种工业/植物的过程。

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。

最佳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与风扇或加热器相结合到控制元件。通常,该控制器仅仅是温度控制系统中的一个元件。必须检查整个系统以及选择右控制器时考虑。

炉温控制

通常,炉子用于包括加热以及在巨大温度下保持大量的原料。通常占据占据巨大质量的材料。因此,即使施加巨大热量,材料的温度也不会快速修改。此功能导致适度稳定的PV信号,允许衍生时间有效地校正故障,而没有对FCE或CO的极端变化。

MPPT充电控制器

光伏电池的V-I特征主要取决于温度范围以及辐照度。基于天气条件,电流和工作电压将不断变化。因此,跟踪高效光伏系统的最高功率非常重要。PID控制器用于通过向PID控制器提供固定电压和电流点来查找MPPT。改变天气条件后,跟踪器保持电流和电压稳定。

电力电子器件的转换器

我们知道变频器是电力电子的一种应用,所以在变频器中最常用的是PID控制器。每当一个转换器通过一个基于负载变化的系统联合起来时,转换器的输出就会发生变化。例如,逆变器与负载相关联;一旦负载增加,就会提供巨大的电流。因此,电压和电流的参数都是不稳定的,但会根据要求发生变化。

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单片机来完成。在实验室中,基于Arduino的PID控制器是使用Arduino UNO板、电子元器件、热电冷却器设计的,而本系统使用的软件编程语言是C或c++。这个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,而通过仅达到与优选值的小差异来调节恒定温度。该系统中使用的概念将提供廉价的以及精确的技术,以管理实验室内的优选范围内的物理参数。

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?

请您在下面的评论部分中提供答案。

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通过PID控制器框图维基
PID控制器结构,P控制器,P-控制器响应和PID控制器通过博客.Opticontrols.
P - 控制器响应controls.engin.umich
PI-控制器的响应由m.eet
PID控制器响应维基
Zeigler-Nichols表controls.engin.

8的评论

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