Làm thế nào để mã hóa một bộ điều khiển PID: Hướng dẫn toàn diện

Học cách lập trình bộ điều khiển PID với hướng dẫn toàn diện này. Hiểu được các nguyên lý của điều khiển PID, thiết lập môi trường của bạn, thực hiện thuật toán, điều chỉnh bộ điều khiển, và kiểm tra nó một cách hiệu quả.

1. Giới thiệu

Bộ điều khiển PID là một cơ chế vòng điện tử được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển công nghiệp. Vòng điều khiển này liên tục tính giá trị sai số như là sự khác biệt giữa điểm đặt mong muốn và giá trị biến quá trình đo được và áp dụng hiệu chỉnh dựa trên các thuật ngữ tỷ lệ, tích phân và phái sinh để đạt được độ ổn định vòng điều khiển. Các bộ điều khiển PID đóng một vai trò thiết yếu trên robot, hệ thống ô tô và quy trình điều khiển các ứng dụng giống nhau.

2. Hiểu được sự điều khiển PID

Điều khiển PID sử dụng ba chiến lược điều chỉnh riêng biệt: tỷ lệ, tích phân và đạo hàm. Tỉ lệ được thiết kế để tạo ra tỉ lệ kết quả tỷ lệ với giá trị sai số hiện hành; Tích hợp các lỗi quá khứ tích lũy theo thời gian trong khi đạo hàm dự đoán các lỗi tương lai bằng cách theo dõi các thay đổi theo thời gian dựa trên các mô hình tốc độ thay đổi; Nói về mặt toán học biểu thức PID trông như thế này:

$$Ví dụ: Urmari U (t) = K_p + E (t) + K_i > Int E (t) DT to$$* Thành phần điều khiển, E (t), K (P, I và D (K (P iD Kd (KP I D KP P I Ki và Kd là kết quả tỷ lệ; Lỗi (E (t), và các độ lợi (P K_p), K_p, I và K (P), như đã trình bày trong phần này; Những lợi ích (K), là tích phân tỷ lệ thuận và lợi sai số tương ứng; Những điểm thu được này (P, I và K (D), như được mô tả ở trên trang này).

3. Tạo môi trường

Để viết một bộ điều khiển PID, It' S cần phải chọn và thiết lập các ngôn ngữ và môi trường lập trình cần thiết - như C, Python hoặc Arduino để triển khai phần cứng - cùng với việc chọn bất kỳ vi điều khiển cần thiết nào như Raspberry Pis.

4. Lập trình bộ điều khiển PID

Khởi tạo các biến: Xác định độ lợi PID và điểm đặt. 2.

Cài đặt thuật toán PID (* tính toán tỷ lệ đầu ra dựa trên sai số hiện tại).

* Số hạng tích phân: tích lũy các lỗi theo thời gian để tính một đầu ra tích phân.

* Số hạng phái sinh: tính tỷ lệ thay đổi lỗi để đến được đầu ra phái sinh.

1. Kết hợp các số hạng: Khi tạo ra đầu ra điều khiển cuối cùng, kết hợp các đầu ra tỷ lệ, tích phân và phái sinh với nhau thành một kết quả tổng.

Đây là một ví dụ về đoạn mã CỦA C:

Bộ điều khiển PID trong C 1.0 Kp, Kd = 0.01 và Ki = 0.1 với điểm đặt = 100.0 được cấu hình để cho Kp = 1, Ki 0.1 và Kd 0.01. Sai số trước = 0, 00 và tích phân là 0.

5. Thử nghiệm và gỡ lỗi

ComputePID đôi (đầu vào đôi), hai thuật ngữ sai số được định nghĩa: lỗi = đặt điểm đầu vào và sai số + tích phân là như nhau trong khi đạo hàm của chúng bằng sai số tiền ước lượng (error-previous_error)

" Double output = Kp * lỗi + Ki * Các dẫn xuất có sai số + Kd * ban đầu theo định nghĩa trên đây và lỗi trước như tỷ lệ lỗi và đầu ra hoàn vốn trước đó (); " (KD, KN hoặc KB khi thích hợp).

Điều chỉnh một bộ điều khiển PID điều chỉnh bộ điều khiển PID bao gồm việc điều chỉnh K_p, K_i và K_d độ lợi để đạt được đáp ứng hệ thống mong muốn. Một phương pháp điều chỉnh phổ biến là sử dụng phương pháp Ziegler-Nichols đặt lợi nhuận dựa trên phản hồi của hệ thống đến đầu vào bước; Mẹo thực tế có thể liên quan đến việc bắt đầu tăng lợi nhuận nhỏ trong khi dần dần tăng chúng trong khi giám sát hành vi của hệ thống.

6. Thử nghiệm và gỡ lỗi

Kiểm tra bộ điều khiển PID bao gồm cả mô phỏng nó trong một môi trường cô lập trước khi thử nghiệm với phần cứng thực tế để phát hiện các vấn đề thông thường như dao động, quá cảnh và thời gian phản hồi chậm. Một khi giai đoạn này đã qua, việc gỡ lỗi liên quan đến việc điều chỉnh các độ lợi của PID trong khi kiểm tra các lỗi cài đặt.

7. Kết luận

Mã hóa bộ điều khiển PID liên quan đến việc hiểu các nguyên tắc của nó, thiết lập môi trường của bạn, thực hiện thuật toán PID, điều chỉnh bộ điều khiển và kiểm thử nó trước khi tiến hành phát triển hơn nữa các loại chương trình này. Bằng cách thực hiện các bước này, bạn có thể xây dựng thành công các bộ điều khiển PID mạnh mẽ thích hợp cho các ứng dụng khác nhau.

Đọc thêm và học hỏi thêm

* PID Controller Basics & Arduino PID Implementation Tutorial

* thực hiện bộ điều khiển PID sử dụng Arduino: http://backlinko.com/google-e-e-a-t

* Bộ điều khiển PID trong C: How to Implementation menthttP: / / boostability.com/resources ces/Google-e-e-a-t-guide/