Bộ điều khiển PID - Proportional-Integral-Derivative (PID) : A Comprehensive Overview

I. I. Giới thiệu: Cần điều khiển trong các hệ thống động

Automated control and automation systems play a vital role in the operation and management of many modern industrial devices. Chúng cho phép các hoạt động hệ thống động học chính xác và hiệu quả. Khả năng kiểm soát một hệ thống để đạt được một trạng thái cụ thể, cho dù IT' S Thiết bị vi điện tử nhỏ của điện thoại thông minh hoặc hệ thống HVAC khổng lồ tìm thấy trong các nhà máy và máy bay thủ công là điều cần thiết. Quy định này có thể khó đạt được do nhiễu loạn bên ngoài hoặc phi tuyến vốn có trong nhiều quá trình. Bộ điều khiển có tỉ lệ-tích phân-, thường được gọi là PID, xuất hiện như một giải pháp nền tảng và đa năng cho vấn đề cơ bản này trong kỹ thuật điều khiển. Bộ điều khiển PID là một cơ chế so sánh một điểm đặt mong muốn với giá trị đo được của một biến quá trình. Sau đó, nó tính toán và giảm thiểu sai số này. Sự đơn giản của bộ điều khiển PID làm cho nó trở thành một công cụ linh hoạt có thể được sử dụng trong nhiều tình huống khác nhau.

II. Khái niệm cốt lõi: Điều khiển tỷ lệ al-integral-derivative

Bộ điều khiển PID dựa trên một nguyên lý rất dễ hiểu nhưng mạnh mẽ. Bộ điều khiển PID hoạt động bằng cách đo liên tục một PV (biến quá trình) với một cảm biến. Giá trị đo được so sánh với điểm đặt (SP) đại diện cho giá trị hoặc trạng thái mong muốn cho quá trình. Sự khác biệt này được gọi là sai số (E = PV - SP). Logic cốt lõi này tính toán ra một đầu ra để sửa lỗi. Tính toán là tổng của ba thuật ngữ toán học khác nhau nhưng có liên quan, với mỗi thuật ngữ đóng góp cho hành động kiểm soát theo một cách duy nhất: số hạng tỷ lệ (P), số hạng tích phân (I) và số hạng dẫn xuất (D). Trong hầu hết các trường hợp, đầu ra của bộ điều khiển PID có thể được biểu diễn bằng công thức sau: đầu ra = E + Ki * E/dt + Kd * dE/dt. Kp, Ki và Kd đại diện cho độ lợi liên quan đến mỗi thành phần. Điều quan trọng là phải hiểu được các thuật ngữ này hoạt động như thế nào để hiểu được hoàn toàn bộ điều khiển PID.

Và quot;

Và quot;       III. Ba chế độ giải thích (Phân tích chi tiết)

Hiệu quả của các bộ điều khiển PID phụ thuộc vào khả năng hoạt động và điều chỉnh chế độ của chúng. Ba chế độ của một bộ điều khiển PID mỗi địa chỉ các khía cạnh khác nhau theo thời gian và khi kết hợp chúng cung cấp sự điều khiển mạnh mẽ.

Nó là chế độ tỷ lệ tạo thành cơ sở của bộ điều khiển PID. Đầu ra của bộ điều khiển phụ thuộc trực tiếp vào giá trị của lỗi hiện tại. Độ lợi tỷ lệ (Kp) được xác định bằng cách nhân lỗi dòng (E). Một lỗi lớn hơn sẽ dẫn đến một tín hiệu đầu ra tương ứng lớn hơn và một sai số thấp hơn, một sai số nhỏ hơn. P chủ yếu được sử dụng để phản ứng ngay lập tức với lỗi. Hệ thống cố gắng sửa chữa bất kỳ sai lệch nào càng sớm càng tốt. Giá trị của Kp xác định độ lớn của phản ứng. Giá trị Kp trên 0 cho thấy thời gian phản ứng nhanh đối với lỗi. Kp tăng cũng có thể làm tăng độ nhạy của hệ thống, và điều này có thể biểu hiện chính nó dưới dạng dao động hoặc overshoots (hệ thống vượt quá điểm đặt). Kp thấp dẫn đến phản ứng chậm hơn và lỗi lớn hơn. Sự có mặt của sai số trạng thái ổn định là một bất lợi đáng kể liên quan đến điều khiển tỷ lệ. Ngay cả với lỗi khác không, hệ thống sẽ không luôn luôn đạt được điểm đặt. Nó có thể ổn định hơi khỏi mục tiêu. P-term cung cấp một hành động khắc phục ban đầu, nhưng nó thường phụ thuộc vào sự hỗ trợ của các phương thức khác để loại bỏ lỗi dai dẳng này.

B. B.

Chế độ tích phân có thể được sử dụng để giải quyết sai số ở trạng thái ổn định có sẵn với điều khiển tỷ lệ. I là một thuật ngữ tập trung vào tổng qua thời gian của tất cả các lỗi, tích hợp lịch sử quá khứ. Tính toán toán hạng tích phân bằng cách nhân độ lợi tích phân (Ki), bằng sai số tích lũy (thường được gọi là E DT). Khâu tích phân tăng lên dần dần khi sai số tồn tại trong một khoảng thời gian dài, bất kể nhỏ đến đâu. Khâu tích phân phát triển để tăng đầu ra của bộ điều khiển, buộc hệ thống phải điều chỉnh và cuối cùng loại bỏ lỗi trạng thái ổn định. Thuật ngữ I này đẩy các biến về phía điểm đặt và đảm bảo sự hội tụ. Việc bổ sung một khâu tích phân có một số nhược điểm tiềm năng. Khâu tích phân có thể làm chậm thời gian đáp ứng của toàn bộ hệ thống. Nếu sai số thay đổi hướng thường (như dao động), nó có thể tích lũy theo một hướng, sau đó giảm nhanh khi sai số đảo ngược. Sự tích lũy qua lại của khâu tích phân và sự đảo ngược của nó có thể gây ra các dao động và sự phóng đại trong một hệ thống, đôi khi được gọi là ' Vận tốc gió tích hợp#39;. Để tối đa hóa khả năng của các khâu tích phân để loại bỏ các lỗi, điều quan trọng là Ki tăng được điều chỉnh cẩn thận.

Chế độ C. dẫn xuất (D) :

Chế độ phái sinh thêm một thành phần của điều khiển hướng về phía trước cho hành động. The D-term anticipates errors in the future based on how fast the error changes. The D term calculates its own contribution by multiplying derivative gain (Kd), by rate of error change (dE/dt). If the error increases rapidly, then the derivative will produce a signal that opposes this change in an attempt to avoid a big overshoot. In the opposite case, if an error decreases rapidly, the derivative will provide a signal to help settle the system. D-term benefits include increased stability, decreased overshoot and improved damping of oscillations. Thuật ngữ D hoạt động như một mượt mà hơn, làm giảm sự dao động nhanh chóng. It also prevents the system from overreacting to noise or short-term disturbances. The D-term helps achieve a stable, controlled response by anticipating the tendency of the system to oscillate or overshoot. The derivative term, however, is very sensitive to the noise in sensor measurements. The derivative gain can amplify rapid changes or noise at high frequencies in the signal measurement, which could lead to unstable or erratic control. The D-term is most useful when combined with P and I terms. Its gain (Kd), which must be adjusted carefully, can often be smaller than Kp or Ki.

4.Bộ điều khiển PIDCông việc: vòng điều khiển

Nó là dễ dàng nhất để hiểu hoạt động của các điều khiển PID trong bối cảnh của một vòng phản hồi. Vòng kín là một hệ thống trong đó bộ điều khiển liên tục giám sát và điều chỉnh quá trình dựa trên quan sát. Các bước này đều tuần tự và tuần tự:

Phép đo liên tục đo trạng thái của quá trình bằng cách sử dụng một cảm biến được chọn theo biến đo lường (nhiệt độ, áp suất, tốc độ dòng chảy hoặc vị trí) và cho các ứng dụng cụ thể. Biến quy trình là giá trị đo được này.

So sánh biến quá trình với điểm đặt. Điểm đặt là giá trị của biến hoặc điều kiện mà bộ điều khiển muốn đạt được.

Tính toán sai số: Chênh lệch giữa điểm đặt và biến quá trình. Giá trị sai số (E = PV - SP) định lượng độ lệch hiện tại của quá trình từ trạng thái mong muốn của nó.

Tính toán điều khiển: trong bộ điều khiển PID, thuật toán tính toán hành động sửa chữa bằng cách phân tích lỗi hiện tại, và khi hoạt động, lỗi lịch sử (đối với số hạng I), và tốc độ thay đổi lỗi (đối với D). Tín hiệu đầu ra được xác định bởi các số hạng I và P nhân với lợi ích tương ứng của Kp, Ki và Kd.

Action: Một đầu ra được tính toán từ bộ điều khiển được gửi đến một thiết bị chấp hành. Thiết bị truyền động được thiết kế để ảnh hưởng đến các biến quy trình bằng cách điều khiển đầu vào. Ví dụ, bạn có thể điều chỉnh vị trí van, thay đổi công suất sang lò sưởi hoặc động cơ hoặc thay đổi dòng chảy chất lưu.

Thay đổi biến quy trình: bằng cách thay đổi biến quy trình, thiết bị truyền động sửa đổi quy trình.

Lặp đi lặp lại: Các bước 1 đến 6 được lặp đi lặp lại (thường với tỷ lệ nhiều lần lặp lại mỗi giây). Bộ điều khiển liên tục theo dõi, so sánh và tính toán và sau đó hoạt động để giảm lỗi.

PID Controller&#Hiệu suất và sự ổn định trong các môi trường động được duy trì bởi phản hồi liên tục này.

V. Các thành phần quan trọng trong hệ điều khiển PID

Các thành phần của một hệ thống PID làm việc cùng nhau để tạo thành một hệ thống điều khiển chức năng là khác biệt, nhưng chúng cũng phụ thuộc lẫn nhau.

Transducer/Sensor: Thành phần chịu trách nhiệm xác định biến quá trình để được kiểm soát. Điều quan trọng là phải chọn cảm biến phù hợp cho ứng dụng của bạn. Ví dụ, các cặp nhiệt điện và máy dò nhiệt độ kháng được sử dụng để đo nhiệt độ. Máy phát áp suất đo áp suất. Đồng hồ đo dòng chảy. Các bộ cảm biến phải đáng tin cậy và chính xác. Chúng cũng cần phù hợp với môi trường mà chúng được sử dụng.

Bộ điều khiển: Bộ điều khiển chịu trách nhiệm thực hiện các thuật toán PID. Nó có thể có dưới nhiều hình thức. Bộ điều khiển có thể là một đơn vị phần cứng, thường là một phần của một bộ điều khiển Logic có thể lập trình hoặc các hệ thống điều khiển phân tán (DCS), chứa mạch và các mô-đun phần mềm cụ thể cho điều khiển PID. PID ngày càng được thực hiện bởi phần mềm trên vi điều khiển hoặc máy tính với mục đích chung. Bộ điều khiển, bất kể ở dạng nào, nhận được tín hiệu cảm biến và tính toán IT' s Error (bằng tiếng Anh). Sau đó nó xử lý tín hiệu theo công thức PID.

Actuator một thiết bị truyền động là một thiết bị nhận được tín hiệu đầu ra được gửi bởi bộ điều khiển. Sau đó nó chuyển thông tin thành hành động vật lý để thao túng quá trình. Sensor' s role is the opposite of its own - it control the input to the process. Sự lựa chọn của bộ chấp hành phụ thuộc vào loại quy trình được kiểm soát. Ví dụ bao gồm solenoids cho bật/tắt chuyển mạch, động cơ điện để điều khiển vị trí và tốc độ, van điều chỉnh dòng chảy hoặc nhiệt độ (tùy thuộc vào quy trình), lò sưởi hoặc hệ thống làm mát (để duy trì nhiệt độ mong muốn), cũng như biến