Hướng dẫn giảm sự vượt trội trên điều khiển PID

Tôi hướng đến Overshoot và điều khiển PID

Quy trình công nghiệp hiện đại, ứng dụng công nghệ và hệ thống tự động hóa được dựa trên điều khiển và hệ thống tự động hóa. Các hệ thống này cho phép quản lý và điều chỉnh với độ chính xác của các hệ thống động lực. Các hệ thống có thể bao gồm từ vi điện tử trong các sản phẩm tiêu dùng đến các hoạt động lớn trong các nhà máy sản xuất hoặc cơ sở hạ tầng quan trọng. Trung tâm của nhiều chiến lược điều khiển thành công nằm ở tỷ lệ tích phân-dẫn xuất, thường được gọi là PID, bộ điều khiển. PID Controller' MỤC đích chính của S là để đo biến quá trình, hoặc PV (phép đo hiện tại), và so sánh nó với một giá trị điểm đặt (SP), mục tiêu mong muốn. Sau đó nó điều chỉnh đầu vào của hệ thống để giảm hiệu số (được gọi là lỗi). Mặc dùBộ điều khiển PIDCó thể đạt được mục tiêu này hiệu quả cao, chúng không phải lúc nào cũng tối ưu. Phóng đại là một vấn đề thường thấy. Khi biến quá trình vượt quá điểm đặt mong muốn của nó trong một thời gian ngắn trước khi giải quyết, nó được gọi là overshoot. Việc vượt mức có thể là không mong muốn, ngay cả khi đó là đôi khi không thể tránh khỏi. Điều này có thể gây ra sự mất ổn định và thiệt hại cơ khí. Nó cũng làm chậm quá trình. Hiểu biết các nguyên nhân của overshoot, và các kỹ thuật có thể được sử dụng để giảm thiểu nó là rất quan trọng để đạt được hiệu suất tối ưu cho các ứng dụng PID. Hướng dẫn này sẽ khám phá các nguyên nhân của hiện tượng lạm phát PID và cung cấp một loạt các chiến lược và phương pháp để giảm thiểu hiện tượng không mong muốn này.

II. Tại sao điều khiển PID xảy ra quá mức?

Sự tương tác của các bước tăng Kp, Ki và Kd (Controller' S gains) xác định hành vi của hệ thống do PId kiểm soát. Thuật toán PID được cấu tạo bởi nhiều số hạng, mỗi số hạng có đóng góp riêng. Việc điều chỉnh sai có thể dẫn đến sự vượt trội và bất ổn.

Đáp ứng PID được xây dựng trên khâu tỉ lệ (P). Đầu ra tỷ lệ thuận với sai số dòng. Nếu sai số cao, sẽ có ý nghĩa rằng các điều khoản tỷ lệ sẽ thúc đẩy hệ thống để sửa chữa nhanh hơn. Lợi nhuận tỷ lệ cao hơn (Kp), dẫn đến phản ứng mạnh hơn, có thể giúp giảm sai số nhanh chóng. Tuy nhiên, sự điều chỉnh nhanh chóng này có thể là vấn đề. Một Kp cao có thể làm cho biến quá trình vượt quá điểm đặt nếu hệ thống có quán tính cố hữu hoặc giảm đáng kể. Sự phóng đại là do đặc tính vốn có này.

Thuật ngữ này (D) bổ sung thêm một lớp thông tin dự đoán. Đạo hàm (D) tính toán tốc độ lỗi thay đổi và tạo ra một đầu ra đối lập với tốc độ này. Hãy tưởng tượng nó là một lực áp dụng để cố gắng và ngăn cản biến số trong quá trình từ các hướng thay đổi nhanh chóng. Lực đối kháng cũng giống như mất tác dụng. Bằng cách ngăn chặn hệ thống vượt quá điểm đặt, một thuật ngữ D được điều chỉnh đúng sẽ làm giảm đáng kể sự quá tải. Thuật ngữ D làm mịn đáp ứng và giúp hệ thống ổn định nhẹ nhàng hơn. Thuật ngữ D rất nhạy với tiếng ồn. D-term có thể tăng tiếng ồn nếu các tín hiệu cảm biến chứa các dao động nhanh. Điều này có thể dẫn đến sự sửa chữa không đáng tin cậy, chẳng hạn như mất ổn định hoặc phóng đại. Độ nhạy của hệ thống điều khiển là rất quan trọng và phải được điều chỉnh cẩn thận.

Tích phân (I), mặt khác, tập trung vào một khía cạnh khác của lỗi. Số hạng tích phân tính toán lỗi tích lũy. Khâu tích phân sẽ tăng đầu ra của bộ điều khiển nếu sai số tiếp tục, bất kể nhỏ đến đâu. Điều này khiến hệ thống làm việc chăm chỉ hơn, cho đến khi nó được sửa chữa. Mục tiêu chính của thuật ngữ I là loại bỏ sai số trạng thái ổn định và đảm bảo rằng biến quá trình đạt đến điểm đặt của nó. Thuật ngữ I, trong khi rất thuận lợi, có thể gián tiếp đóng góp cho sự vượt trội. Khâu tích phân, bằng cách thêm lực đẩy đáng kể, có thể vượt quá điểm đặt, đặc biệt nếu động lực học hệ thống ngăn cản các khâu P hoặc D chống lại các hành động tích phân đủ nhanh. Nó là nhiều hơn về sự tích lũy lực lái xe theo thời gian. Tuy nhiên, nó cũng có thể tương tác với các thuật ngữ D và P và gây ra dao động hoặc phóng đại, nếu Ki trở nên quá cao, hoặc nếu hệ thống động lực không được hiểu.

Các đặc tính vốn có của quá trình điều khiển ảnh hưởng nặng nề đến hành vi của PID. Điều này bao gồm việc phóng đại. Thứ tự của hệ thống (tức là thứ tự đầu tiên hoặc thứ hai), tần số tự nhiên của nó và tỷ lệ suy giảm là tất cả các yếu tố quan trọng. Sự vượt mức có nhiều khả năng xảy ra trong một hệ thống có suy giảm thấp và tần số tự nhiên cao. Điều quan trọng là phải hiểu những động lực này để điều chỉnh hiệu quả. Giảm sự phóng đại bằng cách cẩn thận cân bằng độ lợi PID nếu quá trình có giảm giảm hoặc dao động.

III. Tập trung vào các phương pháp điều chỉnh chính để giảm sự vượt mức

Vượt quá có thể được xử lý trực tiếp bằng cách điều chỉnh các độ lợi PID, cụ thể là tỷ lệ (Kp), tích phân (Ki) và đạo hàm (Kd). Các thông số này được điều chỉnh để tạo sự cân bằng giữa khả năng đáp ứng, sự ổn định và giảm xóc. Để giảm sự phóng đại, Kp và Ki thường được điều chỉnh trước. Ki sau đó được điều chỉnh chủ yếu để loại bỏ lỗi trạng thái ổn định sau khi hệ thống đã trở nên ổn định hợp lý.

Thông thường, điều đầu tiên phải làm là điều chỉnh mức độ tăng tỷ lệ. Kp giảm sẽ làm chậm phản ứng của hệ thống. Hệ thống có thể ổn định chậm hơn bằng cách làm chậm nó xuống. Điều này làm giảm năng lượng có thể dẫn đến một sự vượt trội. Cái này đi kèm với cái giá. Thời gian đáp ứng chậm hơn có nghĩa là hệ thống sẽ mất nhiều thời gian hơn để đạt được điểm đặt của nó. Hơn nữa, giảm Kp có thể không loại bỏ hoàn toàn lỗi trạng thái ổn định. Độ lợi tích phân (Ki), là sự khác biệt giữa biến quá trình và giá trị điểm đặt, đi kèm với lỗi này. Giảm Kp làm giảm P' s ảnh hưởng và thường yêu cầu Ki điều chỉnh cẩn thận. Giảm Kp có thể giúp làm giảm phản ứng và giảm quá mức. Tuy nhiên, điều này không đủ để ngăn chặn lỗi. Điều quan trọng là quản lý sự trao đổi.