Lämpökäsittelyprosessit ovat esimerkki PID-ohjauksen tarpeesta. Tasaisen tuotteen laadun varmistamiseksi uunin tai uunin sisälämpötila on pidettävä kapeissa rajoissa. Kaikki häiriöt, kuten tuotteen lisääminen tai poistaminen tai luiskatoiminnon käyttö, on hoidettava asianmukaisesti.
vaikka PID-ohjaus on käsitteeltään yksinkertainen, matematiikka on monimutkaista ja optimaalisen suorituskyvyn saavuttaminen edellyttää prosessikohtaisten arvojen valitsemista useille vuorovaikutteisille parametreille.
näiden arvojen löytöprosessia kutsutaan ”viritykseksi.”Optimaalisesti viritettynä PID-lämpötilansäädin minimoi poikkeaman asetuspisteestä ja reagoi häiriöihin tai asetuspisteen muutoksiin nopeasti mutta minimaalisella ylityksellä.
tässä Omega Engineeringin valkoisessa kirjassa käsitellään PID-ohjaimen virittämistä. Vaikka monet ohjaimet tarjoavat auto tune ominaisuuksia, ymmärrystä PID tuning auttaa saavuttamaan optimaalisen suorituskyvyn. Yksittäisten osioiden osoite:
PID-ohjauksen perusteet
PID-ohjaimen Viritysmenetelmät
○ Manuaalinen viritys
○ Auto Tune
PID-ohjauksen yleiset sovellukset
PID-ohjauksen perusteet
PID-ohjaus perustuu palautteeseen. Laitteen tai prosessin, kuten lämmittimen, ulostulo mitataan ja sitä verrataan kohde-tai asetuspisteeseen. Jos havaitaan ero, lasketaan ja sovelletaan korjausta. Tulos mitataan uudelleen ja kaikki tarvittavat korjaukset lasketaan uudelleen.
PID tulee sanoista proportional-integral-derivaatta. Jokainen ohjain ei käytä kaikkia kolmea näistä matemaattisista funktioista. Monia prosesseja voidaan käsitellä hyväksyttävälle tasolle pelkillä suhteellis-integraalisilla termeillä. Sakkovalvonta ja erityisesti ylitysten välttäminen edellyttää kuitenkin johdannaisvalvonnan lisäämistä.
suhteellisuuskontrollissa korjauskerroin määräytyy asetuspisteen ja mitatun arvon erotuksen suuruuden mukaan. Ongelma tässä on se, että kun ero lähestyy nollaa, niin myös korjaus, jolloin virhe ei koskaan mene nollaan.
integraalifunktio käsittelee tätä tarkastelemalla virheen kumulatiivista arvoa. Mitä kauemmin asetetun pisteen ja aktuaalisen arvon välinen ero jatkuu, sitä suurempi on lasketun korjauskertoimen koko. Jos korjaus kuitenkin viivästyy, tämä johtaa ylitykseen ja mahdollisesti värähtelyyn asetuspisteen ympärillä. Tämän välttäminen on derivaattafunktion tarkoitus. Tässä tarkastellaan saavutettavaa muutosnopeutta ja muutetaan korjauskerrointa asteittain siten, että sen vaikutus vähenee asetettua pistettä lähestyttäessä.
PID-säätimen Viritysmenetelmät
jokaisella prosessilla on ainutlaatuiset ominaisuudet, vaikka laitteet olisivat oleellisesti identtisiä. Ilmavirta uunien ympärillä vaihtelee, ympäristön lämpötila muuttaa nesteen tiheyttä ja viskositeettia, ja ilmanpaine muuttuu tunnista tuntiin. PID-asetukset (pääasiassa korjauskertoimeen sovellettava vahvistus sekä integraali-ja derivaattalaskelmissa käytetty aika, joita kutsutaan ”resetiksi” ja ”koroksi”) on valittava vastaamaan näitä paikallisia eroja.
yleisesti ottaen näiden asetusten optimaalisen yhdistelmän määrittämiseen on kolme lähestymistapaa: Manuaalinen viritys, viritysheuristiikka ja automatisoidut menetelmät.
Zeigler-Nichols (ZN) säännöt
julkaistiin ensimmäisen kerran vuonna 1942, Zeigler ja Nichols kuvailivat kaksi PID-silmukan viritysmenetelmää. Ensimmäisessä menetelmässä mitataan vasteen viive tai viive ja sen jälkeen aika, joka kuluu uuden lähtöarvon saavuttamiseen. Toinen riippuu vakaan tilan oskillaation ajan määrittämisestä. Molemmissa menetelmissä nämä arvot syötetään taulukkoon, josta saadaan arvot gain -, reset time-ja rate-arvoille.
ZN ei ole ongelmaton. Joissakin sovelluksissa se tuottaa vasteen, jota pidetään liian aggressiivisena ylityksen ja värähtelyn suhteen. Toinen haittapuoli on, että se voi olla aikaa vievää prosesseissa, jotka reagoivat hitaasti. Näistä syistä jotkut kontrollin harjoittajat suosivat muita sääntöjä, kuten Tyreus-Luyben tai Rivera, Morari ja Skogestad.
Manuaalinen viritys
kun kontrolloitavasta prosessista on tarpeeksi tietoa, voi olla mahdollista laskea optimaaliset vahvistuksen, nollauksen ja nopeuden arvot. Usein prosessi on liian monimutkainen, mutta jonkin verran tietoa, erityisesti nopeutta, jolla se vastaa Virhekorjauksia, on mahdollista saavuttaa alkeellinen taso viritys.
Manuaalinen viritys tehdään asettamalla nollausaika sen maksimiarvoon ja nopeus nollaan sekä lisäämällä vahvistusta, kunnes silmukka värähtelee vakiolla amplitudilla. (Kun vastaus Virhekorjaus tapahtuu nopeasti suurempi voitto voidaan käyttää. Jos vaste on hidas, suhteellisen pieni voitto on toivottavaa). Aseta voitto puoleen tästä arvosta ja säädä nollausaika niin, että se korjaa kaikki offset hyväksyttävässä ajassa. Lopuksi lisää nopeutta, kunnes ylitys on minimoitu.
miten PID-ohjaimen viritys automatisoidaan
useimmat nykyään myytävät PID-ohjaimet sisältävät automaattisia viritystoimintoja. Käyttötiedot vaihtelevat eri valmistajien välillä, mutta kaikki noudattavat sääntöjä, joissa ohjain ”oppii”, miten prosessi reagoi häiriöön tai asetuspisteen muutokseen ja laskee asianmukaiset PID-asetukset.
uudemmat ja kehittyneemmät PID-ohjaimet, kuten Omegan Platinum-sarjan lämpötila-ja prosessiohjaimet, sisältävät sumeaa logiikkaa auto-tune-ominaisuuksillaan. Tämä tarjoaa tavan käsitellä epätarkkuutta ja epälineaarisuutta monimutkaisissa kontrollitilanteissa, kuten usein tavataan valmistus-ja prosessiteollisuudessa, ja auttaa viritysoptimoinnissa.
Viritysheuristiikka
monet säännöt ovat vuosien varrella kehittyneet vastaamaan kysymykseen PID-silmukan virittämisestä. Luultavasti ensimmäiset ja varmasti tunnetuimmat ovat Zeigler-Nicholsin (ZN) säännöt.
ensimmäisen kerran vuonna 1942 Zeigler ja Nichols kuvasivat kaksi PID-silmukan viritysmenetelmää. Nämä toimivat soveltamalla askel muutos järjestelmään ja tarkkailemalla tuloksena vastaus. Ensimmäisessä menetelmässä mitataan vasteen viive tai viive ja sen jälkeen aika, joka kuluu uuden lähtöarvon saavuttamiseen. Toinen riippuu vakaan tilan oskillaation ajan määrittämisestä. Molemmissa menetelmissä nämä arvot syötetään taulukkoon, josta saadaan arvot gain -, reset time-ja rate-arvoille.
ZN ei ole ongelmaton. Joissakin sovelluksissa se tuottaa vasteen, jota pidetään liian aggressiivisena ylityksen ja värähtelyn suhteen. Toinen haittapuoli on, että se voi olla aikaa vievää prosesseissa, jotka reagoivat vain hitaasti. Näistä syistä jotkut kontrollin harjoittajat suosivat muita sääntöjä, kuten Tyreus-Luyben tai Rivera, Morari ja Skogestad.
PID-ohjaimen vahvistuksen viritys
PID-ohjaimen vahvistuksen viritys voi olla vaikeaa. Suhteellinen menetelmä on helpoin ymmärtää. Tällöin suhteellisuuskertoimen tuotos on vahvistuksen ja mitatun virheen tulo ε. Siten suurempi suhteellinen voitto tai virhe tekee suuremman tuotoksen suhteellisesta tekijästä. Asettaminen suhteellinen voitto liian suuri aiheuttaa ohjaimen toistuvasti ylitys asetuspiste, mikä värähtely. Kun asetat suhteellisen voitto liian alhainen tehdä silmukan lähtö merkityksetön. Yksi tapa kompensoida tämä vakaan tilan virhe on Zeigler-Nichols menetelmä asettaa I ja D voitot nollaan ja sitten lisätä P vahvistuksen kunnes silmukka lähtö alkaa värähtelemään.
Automaattinen viritys
useimmat nykyään myytävät prosessiohjaimet sisältävät automaattisia viritystoimintoja. Käyttötavat vaihtelevat eri valmistajien välillä, mutta kaikki noudattavat edellä kuvattuja sääntöjä. Pohjimmiltaan ohjain ”oppii”, miten prosessi reagoi häiriöön tai asetuspisteen muutokseen, ja laskee asianmukaiset PID-asetukset. Omegan CNi8-sarjan kaltaisen lämpötilansäätimen tapauksessa, Kun” Auto Tune ” valitaan ohjain aktivoi ulostulon. Tarkkailemalla sekä viivettä että nopeutta, jolla muutos tehdään, se laskee optimaaliset p -, I-ja D-asetukset, joita voidaan tarvittaessa hienosäätää käsin. (Huomaa, että tämä ohjain edellyttää, että asetuspiste on vähintään 10°c yli nykyisen prosessin arvon, jotta automaattinen viritys suoritetaan).
uudemmat ja kehittyneemmät ohjaimet, kuten Omegan Platinum-sarjan lämpötila-ja prosessiohjaimet, sisältävät sumeaa logiikkaa auto tune-ominaisuuksillaan. Tämä tarjoaa tavan käsitellä epätarkkuutta ja epälineaarisuutta monimutkaisissa kontrollitilanteissa, kuten usein tavataan valmistus-ja prosessiteollisuudessa, ja auttaa viritysoptimoinnissa.
yleiset PID-Säätösovellukset
PID-Säätösimulaattori
teollisuuden lämpökäsittelyssä käytettävät uunit ja uunit vaaditaan yhdenmukaisten tulosten saavuttamiseksi riippumatta siitä, miten kuumennettavan materiaalin massa ja kosteus voivat vaihdella. Tämä tekee tällaisista laitteista ihanteellisia PID-ohjaukseen. Nesteiden siirtämiseen käytettävät pumput ovat samankaltainen sovellus, jossa väliaineen ominaisuuksien vaihtelu voi muuttaa järjestelmän ulostuloa, ellei tehokasta takaisinkytkentäsilmukkaa toteuteta.
Liikkeenohjausjärjestelmissä käytetään myös eräänlaista PID-ohjausta. Koska vaste on kuitenkin suuruusluokkaa nopeampi kuin edellä kuvatut järjestelmät, ne vaativat erilaisen ohjaimen kuin tässä on käsitelty.
PID-virityksen ymmärtämistä
PID-ohjausta käytetään monien prosessien hallintaan. Korjauskertoimet lasketaan vertaamalla lähtöarvoa asetuspisteeseen ja soveltamalla voittoja, jotka minimoivat ylityksen ja värähtelyn samalla kun muutos tapahtuu mahdollisimman nopeasti.
PID-viritys edellyttää asianmukaisten vahvistusarvojen määrittämistä valvottavalle prosessille. Vaikka tämä voidaan tehdä manuaalisesti tai avulla control heuristics, useimmat nykyaikaiset ohjaimet tarjoavat auto tune ominaisuuksia. Valvonnan ammattilaisten on kuitenkin edelleen tärkeää ymmärtää, mitä tapahtuu napin painamisen jälkeen.