Varmebehandlingsprocesser eksemplificerer behovet for PID-kontrol. For at sikre ensartet produktkvalitet skal temperaturen inde i en ovn eller ovn holdes inden for snævre grænser. Enhver forstyrrelse, såsom når et produkt tilføjes eller trækkes tilbage eller en rampefunktion anvendes, skal håndteres korrekt. selvom det er simpelt i konceptet, er matematikken, der understøtter PID-kontrol, kompleks, og opnåelse af optimal ydeevne indebærer valg af processpecifikke værdier for en række interagerende parametre.
processen med at finde disse værdier kaldes “tuning.”Når den er indstillet optimalt, minimerer en PID-temperaturregulator afvigelse fra setpunktet og reagerer hurtigt på forstyrrelser eller setpunktsændringer, men med minimal overskridelse.
denne hvidbog fra OMEGA Engineering diskuterer, hvordan man indstiller en PID-controller. Selvom mange controllere giver auto tune kapaciteter, vil en forståelse af PID tuning hjælpe med at opnå optimal ydeevne. Individuelle sektioner adresse:
Grundlæggende om pid-kontrol
PID-Controller-Indstillingsmetoder
liter manuel Tuning
liter Tuning heuristik
liter Auto Tune
almindelige anvendelser af PID-kontrol
Grundlæggende om PID-kontrol
PID-kontrol er baseret på feedback. Udgangen af en enhed eller proces, såsom en varmelegeme, måles og sammenlignes med målet eller setpunktet. Hvis der opdages en forskel, beregnes og anvendes en korrektion. Udgangen måles igen, og enhver nødvendig korrektion genberegnes.
PID står for proportional-integral-derivat. Ikke alle controllere bruger alle tre af disse matematiske funktioner. Mange processer kan håndteres til et acceptabelt niveau med kun de proportionale integrerede udtryk. Imidlertid kræver fin kontrol, og især overskridelse af undgåelse, tilføjelse af derivatkontrol.
i proportional kontrol bestemmes korrektionsfaktoren af størrelsen af forskellen mellem setpunkt og målt værdi. Problemet med dette er, at når forskellen nærmer sig nul, gør også korrektionen det, med det resultat, at fejlen aldrig går til nul. den integrerede funktion adresserer dette ved at overveje den kumulative værdi af fejlen. Jo længere forskellen mellem setpunkt-til-faktiskværdi vedvarer, jo større er størrelsen af den beregnede korrektionsfaktor. Men når der er en forsinkelse som reaktion på korrektionen, fører dette til en overskridelse og muligvis svingning omkring setpunktet. Undgå dette er formålet med den afledte funktion. Dette ser på den ændringshastighed, der opnås, og ændrer gradvist korrektionsfaktoren for at mindske dens virkning, når setpunktet nærmer sig.
PID Controller Tuning metoder
hver proces har unikke egenskaber, selv når udstyret er stort set identisk. Luftstrømmen omkring ovne varierer, omgivelsestemperaturer ændrer væsketæthed og viskositet, og barometertrykket ændres fra time til Time. PID-indstillingerne (hovedsagelig gevinsten anvendt på korrektionsfaktoren sammen med den tid, der bruges i de integrerede og afledte beregninger, betegnet “reset” og “rate”) skal vælges, så de passer til disse lokale forskelle.
i store træk er der tre tilgange til bestemmelse af den optimale kombination af disse indstillinger: manuel tuning, tuning heuristik og automatiserede metoder.
regler
først offentliggjort i 1942, beskrev Seigler og Nichols to metoder til tuning af en PID-loop. Den første metode indebærer måling af forsinkelse eller forsinkelse som reaktion og derefter den tid, det tager at nå den nye outputværdi. Det andet afhænger af at etablere perioden for en stabil oscillation. I begge metoder indtastes disse værdier derefter i en tabel for at udlede værdier for gevinst, nulstille tid og hastighed.
det er ikke uden problemer. I nogle applikationer producerer det et svar, der betragtes som for aggressivt med hensyn til overskridelse og svingning. En anden ulempe er, at det kan være tidskrævende i processer, der reagerer langsomt. Af disse grunde foretrækker nogle kontroludøvere andre regler som Tyreus-Luyben eller Rivera, Morari og Skogestad.
Manuel indstilling
med tilstrækkelig information om processen, der styres, kan det være muligt at beregne optimale værdier for forstærkning, nulstilling og hastighed. Ofte er processen for kompleks, men med en vis viden, især om den hastighed, hvormed den reagerer på fejlkorrektioner, er det muligt at opnå et rudimentært niveau af tuning.
Manuel indstilling udføres ved at indstille nulstillingstiden til dens maksimale værdi og hastigheden til nul og øge forstærkningen, indtil sløjfen svinger med en konstant amplitude. (Når svaret på en fejlkorrektion opstår hurtigt en større gevinst kan bruges. Hvis svaret er langsomt, er en relativt lille gevinst ønskelig). Indstil derefter gevinsten til halvdelen af denne værdi, og juster nulstillingstiden, så den korrigerer for enhver forskydning inden for en acceptabel periode. Til sidst skal du øge hastigheden, indtil overskridelsen minimeres.
sådan automatiseres Tuning af PID-Controller
de fleste PID-controllere, der sælges i dag, indeholder auto-tuning-funktioner. Betjeningsdetaljer varierer mellem producenter, men alle følger regler, hvor controlleren “lærer”, hvordan processen reagerer på en forstyrrelse eller ændring i setpunktet og beregner passende PID-indstillinger.
nyere og mere sofistikerede PID controllere, såsom OMEGA ‘ s Platinum serie af temperatur og proces controllere, indarbejde uklar logik med deres auto-tune kapaciteter. Dette giver en måde at håndtere upræcision og ikke-linearitet i komplekse kontrolsituationer, som ofte findes i fremstillings-og procesindustrier og hjælper med tuning optimering.
Tuning heuristik
mange regler har udviklet sig gennem årene for at løse spørgsmålet om, hvordan man indstiller en PID-loop. Sandsynligvis den første, og helt sikkert den mest kendte, er reglerne. første gang udgivet i 1942, beskrev han to metoder til tuning af en PID loop. Disse fungerer ved at anvende en trinændring på systemet og observere det resulterende svar. Den første metode indebærer måling af forsinkelse eller forsinkelse som reaktion og derefter den tid, det tager at nå den nye outputværdi. Det andet afhænger af at etablere perioden for en stabil oscillation. I begge metoder indtastes disse værdier derefter i en tabel for at udlede værdier for gevinst, nulstille tid og hastighed.
det er ikke uden problemer. I nogle applikationer producerer det et svar, der betragtes som for aggressivt med hensyn til overskridelse og svingning. En anden ulempe er, at det kan være tidskrævende i processer, der kun reagerer langsomt. Af disse grunde foretrækker nogle kontroludøvere andre regler som Tyreus-Luyben eller Rivera, Morari og Skogestad.
PID Controller Gain Tuning
PID controller gain tuning kan være svært. Den proportionale metode er den nemmeste at forstå. I dette tilfælde er outputtet af den proportionale faktor produktet af gevinst og målt fejl kr. Således giver større proportional forstærkning eller fejl større output fra den proportionale faktor. Indstilling af proportional forstærkning for høj får en controller til gentagne gange at overskride setpunktet, hvilket fører til svingning. Mens du indstiller den proportionale forstærkning for lav, gør sløjfeudgangen ubetydelig. En måde at udligne denne steady-state-fejl på er at bruge metoden til at indstille i-og D-gevinsterne til nul og derefter øge P-gevinsten, indtil loopudgangen begynder at svinge.
Auto Tune
de fleste proces controllere sælges i dag indarbejde auto-tuning funktioner. Driftsdetaljer varierer mellem producenter, men alle følger regler svarende til dem, der er beskrevet ovenfor. I det væsentlige “lærer” controlleren, hvordan processen reagerer på en forstyrrelse eller ændring i setpunktet, og beregner passende PID-indstillinger. I tilfælde af en temperaturregulator som omegas cni8-serie, når “Auto Tune” er valgt, aktiverer controlleren et output. Ved at observere både forsinkelsen og hastigheden, hvormed ændringen foretages, beregner den optimale P -, I-og D-indstillinger, som derefter kan finjusteres manuelt, hvis det er nødvendigt. (Bemærk, at denne controller kræver, at setpunktet skal være mindst 10 liter C over den aktuelle procesværdi for automatisk indstilling, der skal udføres).
nyere og mere sofistikerede controllere, såsom OMEGA Platinum serie af temperatur og proces controllere, indarbejde uklar logik med deres auto tune kapaciteter. Dette giver en måde at håndtere upræcision og ikke-linearitet i komplekse kontrolsituationer, som ofte findes i fremstillings-og procesindustrier, og hjælper med tuning optimering.
almindelige anvendelser af PID-kontrol
PID-Kontrolsimulator
ovne og ovne, der anvendes til industriel varmebehandling, er nødvendige for at opnå ensartede resultater uanset hvordan massen og fugtigheden af det materiale, der opvarmes, kan variere. Dette gør sådant udstyr ideelt til PID-kontrol. Pumper, der bruges til at flytte væsker, er en lignende applikation, hvor variation i medieegenskaber kan ændre systemudgange, medmindre der implementeres en effektiv feedbacksløjfe.
Bevægelseskontrolsystemer bruger også en form for PID-kontrol. Da svaret imidlertid er størrelsesordener hurtigere end de ovenfor beskrevne systemer, kræver disse en anden form for controller end den, der diskuteres her.
forståelse af PID-Tuning
PID-kontrol bruges til at styre mange processer. Korrektionsfaktorer beregnes ved at sammenligne outputværdien med setpunktet og anvende gevinster, der minimerer overskridelse og svingning, mens ændringen udføres så hurtigt som muligt.
PID-tuning indebærer etablering af passende forstærkningsværdier for den proces, der styres. Mens dette kan gøres manuelt eller ved hjælp af kontrol heuristik, de fleste moderne controllere giver auto tune kapaciteter. Det er dog stadig vigtigt for kontrolfagfolk at forstå, hvad der sker, når knappen trykkes ind.