procesy tepelného zpracování dokládají potřebu řízení PID. Aby byla zajištěna konzistentní kvalita produktu, musí být teplota uvnitř trouby nebo pece udržována v úzkých mezích. S jakýmkoli narušením, například při přidání nebo odebrání produktu nebo při použití funkce rampy, musí být zacházeno odpovídajícím způsobem.
i když jednoduché v konceptu, matematiky oporou PID regulace je složitá a dosažení optimální výkonnosti s sebou přináší výběr procesu-konkrétní hodnoty pro rozsah interakci parametry.
proces hledání těchto hodnot se označuje jako “ ladění.“Při optimálním naladění regulátor teploty PID minimalizuje odchylku od nastavené hodnoty a reaguje na poruchy nebo změny nastavené hodnoty rychle, ale s minimálním překročením.
Tato bílá kniha z OMEGA Engineering pojednává o tom, jak naladit PID regulátor. I když mnoho regulátorů poskytuje funkce automatického ladění, porozumění ladění PID pomůže dosáhnout optimálního výkonu. Adresa jednotlivých sekcí:
Základy PID regulace
PID Controller Tuning Metody
○ Ruční Ladění
○ Ladění Heuristiky
○ Auto Tune
Společné Žádosti PID regulace
Základy PID regulace
PID regulace je založena na zpětné vazbě. Výstup zařízení nebo procesu, jako je ohřívač, se měří a porovnává s cílovou nebo nastavenou hodnotou. Pokud je zjištěn rozdíl, vypočítá se a použije korekce. Výstup je znovu změřen a veškerá požadovaná korekce přepočítána.
PID znamená proporcionální-integrální-derivát. Ne každý řadič používá všechny tři tyto matematické funkce. Mnoho procesů lze zpracovat na přijatelnou úroveň pouze s proporcionálně-integrálními pojmy. Jemná kontrola, a zejména vyhýbání se překročení, však vyžaduje přidání derivátové kontroly.
v proporcionálním řízení je korekční faktor určen velikostí rozdílu mezi nastavenou hodnotou a naměřenou hodnotou. Problém je v tom, že jak se rozdíl blíží nule, tak i korekce, což má za následek, že chyba nikdy nedosáhne nuly.
integrální funkce to řeší zvážením kumulativní hodnoty chyby. Čím delší je nastavená hodnota od bodu k skutečnémuhodnotový rozdíl přetrvává, tím větší je vypočtená velikost korekčního faktoru. Pokud však dojde ke zpoždění v reakci na korekci, vede to k překročení a případně k oscilaci nastavené hodnoty. Vyhnout se tomu je účelem derivační funkce. To vypadá na rychlost změny dosaženo, postupně mění korekční faktor snížit jeho účinek jako množina bod se blížil.
metody ladění regulátoru PID
každý proces má jedinečné vlastnosti, i když je zařízení v podstatě identické. Proudění vzduchu kolem pecí se bude lišit, okolní teploty změní hustotu a viskozitu tekutin a barometrický tlak se změní z hodiny na hodinu. PID nastavení (hlavně zisk aplikován korekční faktor spolu s časem používá v integrálu a derivace, výpočty, nazývá „reset“ a „sazba“) musí být vybrány tak, aby vyhovovaly tyto místní rozdíly.
v širším slova smyslu existují tři přístupy k určení optimální kombinace těchto nastavení: Ruční ladění, heuristika ladění a automatizované metody.
Zeigler-Nichols (Zn) pravidla
poprvé publikováno v roce 1942, Zeigler a Nichols popsali dva způsoby ladění smyčky PID. První metoda zahrnuje měření zpoždění nebo zpoždění v odezvě a poté čas potřebný k dosažení nové výstupní hodnoty. Druhá závisí na stanovení doby oscilace v ustáleném stavu. V obou metodách jsou tyto hodnoty poté zadány do tabulky pro odvození hodnot pro zisk, reset času a rychlosti.
ZN není bez problémů. V některých aplikacích vytváří odezvu považovanou za příliš agresivní, pokud jde o překročení a oscilaci. Další nevýhodou je, že může být časově náročné v procesech, které reagují pomalu. Z těchto důvodů někteří kontrolní praktici dávají přednost jiným pravidlům, jako je Tyreus-Luyben nebo Rivera, Morari a Skogestad.
Ruční Ladění
S dostatek informací o procesu, ovládán, je možné vypočítat optimální hodnoty získat, obnovit a rychlost. Často proces je příliš složitý, ale s některými poznatky, zejména o rychlost, s jakou reaguje na opravy chyb, je možné dosáhnout základní úrovně ladění.
Ruční ladění se provádí nastavením doby resetování na maximální hodnotu a rychlost na nulu a zvýšením zisku, dokud smyčka osciluje konstantní amplitudou. (Pokud dojde k rychlé reakci na opravu chyb, lze použít větší zisk. Pokud je odezva pomalá, je žádoucí relativně malý zisk). Poté nastavte zisk na polovinu této hodnoty a upravte čas resetování tak, aby korigoval jakýkoli posun v přijatelném období. Nakonec zvyšte rychlost, dokud nebude minimalizováno překročení.
jak automatizovat ladění PID regulátoru
většina PID regulátorů, které se dnes prodávají, obsahuje funkce automatického ladění. Provozní údaje se u jednotlivých výrobců liší, ale všechny se řídí pravidly, kdy se regulátor „dozví“, jak proces reaguje na poruchu nebo změnu nastavené hodnoty a vypočítá příslušná nastavení PID.
novější a sofistikovanější regulátory PID, jako je řada regulátorů teploty a procesů OMEGA Platinum, obsahují fuzzy logiku s jejich funkcemi automatického ladění. To poskytuje způsob řešení nepřesnosti a nelinearity ve složitých řídicích situacích, s nimiž se často setkáváme ve výrobním a zpracovatelském průmyslu, a pomáhá s optimalizací ladění.
Tuning Heuristics
v průběhu let se vyvinulo mnoho pravidel, která řeší otázku, jak naladit smyčku PID. Pravděpodobně první a určitě nejznámější jsou pravidla Zeigler-Nichols (ZN).
poprvé publikováno v roce 1942, Zeigler a Nichols popsali dvě metody ladění smyčky PID. Ty fungují tak, že na systém aplikují změnu kroku a sledují výslednou odezvu. První metoda zahrnuje měření zpoždění nebo zpoždění v odezvě a poté čas potřebný k dosažení nové výstupní hodnoty. Druhá závisí na stanovení doby oscilace v ustáleném stavu. V obou metodách jsou tyto hodnoty poté zadány do tabulky pro odvození hodnot pro zisk, reset času a rychlosti.
ZN není bez problémů. V některých aplikacích vytváří odezvu považovanou za příliš agresivní, pokud jde o překročení a oscilaci. Další nevýhodou je, že může být časově náročné v procesech, které reagují jen pomalu. Z těchto důvodů někteří kontrolní praktici dávají přednost jiným pravidlům, jako je Tyreus-Luyben nebo Rivera, Morari a Skogestad.
ladění zisku regulátoru PID
ladění zisku regulátoru PID může být obtížné. Proporcionální metoda je nejjednodušší pochopit. V tomto případě je výstupem proporcionálního faktoru součin zisku a měřené chyby ε. Větší proporcionální zisk nebo chyba tedy vede k většímu výstupu z proporcionálního faktoru. Příliš vysoké nastavení proporcionálního zisku způsobí, že regulátor opakovaně překročí požadovanou hodnotu, což vede k oscilaci. Při příliš nízkém nastavení proporcionálního zisku je výstup smyčky zanedbatelný. Jedním ze způsobů, jak kompenzovat tuto chybu v ustáleném stavu, je použití Zeigler-Nicholsovy metody nastavení zisků I A D na nulu a poté zvýšení zisku P, dokud výstup smyčky nezačne oscilovat.
Auto Tune
většina procesních regulátorů, které se dnes prodávají, obsahuje funkce automatického ladění. Provozní údaje se mezi výrobci liší, ale všechny se řídí pravidly podobnými pravidlům popsaným výše. V podstatě se řadič „dozví“, jak proces reaguje na rušení nebo změnu nastavené hodnoty, a vypočítá příslušná nastavení PID. V případě regulátoru teploty, jako je řada CNI8 společnosti OMEGA, je při výběru“ Auto Tune “ regulátor aktivován výstup. Pozorováním zpoždění i rychlosti, s jakou je změna provedena, vypočítá optimální nastavení P, I A D,které lze v případě potřeby ručně doladit. (Všimněte si, že tento regulátor vyžaduje, aby nastavená hodnota byla alespoň 10°C nad aktuální hodnotou procesu pro automatické ladění, které má být provedeno).
novější a sofistikovanější regulátory, jako je řada regulátorů teploty a procesů OMEGA Platinum, obsahují fuzzy logiku s jejich schopnostmi automatického ladění. To poskytuje způsob řešení nepřesnosti a nelinearity ve složitých řídicích situacích, s nimiž se často setkáváme ve výrobním a zpracovatelském průmyslu, a pomáhá s optimalizací ladění.
Běžné Aplikace Řízení PID
PID Simulátoru Řízení
Trouby a pece používané v průmyslové tepelné ošetření jsou nutné k dosažení konzistentní výsledky bez ohledu na to, jak hmotnost a vlhkost materiálu je zahříván se může lišit. Díky tomu je takové zařízení ideální pro řízení PID. Čerpadla používaná pro pohyb tekutin jsou podobnou aplikací, kde změny vlastností médií mohou změnit výstupy systému, pokud není implementována účinná zpětnovazební smyčka.
systémy řízení pohybu také používají formu řízení PID. Nicméně, protože odezva je řádově rychlejší než výše popsané systémy, vyžadují jinou formu regulátoru, než je zde diskutováno.
porozumění ladění PID
řízení PID se používá ke správě mnoha procesů. Korekční faktory se vypočítají porovnáním výstupní hodnoty s nastavenou hodnotou a použitím zisků, které minimalizují překročení a oscilaci při co nejrychlejším provedení změny.
ladění PID znamená stanovení vhodných hodnot zisku pro řízený proces. I když to lze provést ručně nebo pomocí řídicí heuristiky, většina moderních regulátorů poskytuje funkce automatického ladění. Zůstává však důležité, aby odborníci na ovládání pochopili, co se stane po stisknutí tlačítka.