hőkezelési folyamatok hangolása példázza a PID vezérlés szükségességét. A következetes termékminőség biztosítása érdekében a sütő vagy a kemence belsejében lévő hőmérsékletet szűk határokon belül kell tartani. A zavarokat, mint például a termék hozzáadása vagy visszavonása vagy a rámpa funkció alkalmazása, megfelelő módon kell kezelni.
bár koncepciójában egyszerű, a PID vezérlést alátámasztó matematika összetett, és az optimális teljesítmény elérése magában foglalja a folyamatspecifikus értékek kiválasztását a kölcsönhatásban lévő paraméterek tartományához.
ezeknek az értékeknek a megtalálásának folyamatát “hangolásnak” nevezik.”Optimálisan hangolva a PID hőmérséklet-szabályozó minimálisra csökkenti a beállított ponttól való eltérést, és gyorsan, de minimális túllépéssel reagál a zavarokra vagy a beállított pontváltozásokra.
Ez a fehér könyv OMEGA Engineering tárgyalja, hogyan kell beállítani a PID vezérlő. Annak ellenére, hogy sok vezérlő automatikus hangolási képességeket biztosít, a PID hangolás megértése segít az optimális teljesítmény elérésében. Egyes szakaszok címe:
a PID vezérlés alapjai
PID vezérlő hangolási módszerek
○ kézi hangolás
○ hangolás heurisztika
○ automatikus hangolás
a PID vezérlés közös alkalmazásai
A PID vezérlés alapjai
a PID vezérlés visszajelzéseken alapul. Egy eszköz vagy folyamat kimenetét, például egy fűtőtestet mérjük, összehasonlítjuk a cél-vagy beállítási ponttal. Ha különbséget észlelnek, akkor korrekciót kell kiszámítani és alkalmazni. A kimenetet újra megmérjük, és minden szükséges korrekciót újraszámítunk.
a PID az arányos-integrál-származékot jelenti. Nem minden vezérlő használja mind a három matematikai függvényt. Számos folyamat elfogadható szintre kezelhető, csak az arányos-integrált kifejezésekkel. A finom kontroll, különösen a túlhajtás elkerülése azonban származékos ellenőrzés hozzáadását igényli.
az arányos szabályozásban a korrekciós tényezőt a beállított pont és a mért érték közötti különbség nagysága határozza meg. Ezzel az a probléma, hogy mivel a különbség nullához közelít, így a korrekció is megtörténik, azzal az eredménnyel, hogy a hiba soha nem megy nullára.
az integral függvény ezt a hiba halmozott értékének figyelembevételével kezeli. Minél hosszabb a beállított pont-to-actualvalue különbség továbbra is fennáll, annál nagyobb a méret a korrekciós tényező számított. Ha azonban a korrekcióra adott válasz késleltetett, ez túllicitáláshoz, esetleg a beállított pont körüli oszcillációhoz vezet. Ennek elkerülése a származékos függvény célja. Ez megvizsgálja az elért változás sebességét, fokozatosan módosítva a korrekciós tényezőt, hogy csökkentse hatását a beállított pont megközelítésekor.
PID vezérlő hangolási módszerek
minden folyamatnak egyedi jellemzői vannak, még akkor is, ha a berendezés lényegében azonos. A kemencék körüli légáramlás változik, a környezeti hőmérséklet megváltoztatja a folyadék sűrűségét és viszkozitását, a légköri nyomás pedig óráról órára változik. A PID-beállításokat (elsősorban a korrekciós tényezőre alkalmazott nyereséget, valamint az integrál-és származékos számításokban használt időt, a “reset” és a “rate” kifejezést) úgy kell kiválasztani, hogy megfeleljenek ezeknek a helyi különbségeknek.
tágabb értelemben három megközelítés létezik ezeknek a beállításoknak az optimális kombinációjának meghatározására: kézi hangolás, heurisztika hangolása, automatizált módszerek.
Zeigler-Nichols (ZN) Rules
először 1942-ben jelent meg, Zeigler és Nichols két módszert írt le a PID hurok hangolására. Az első módszer magában foglalja a késleltetés vagy a válasz késleltetésének mérését, majd az új kimeneti érték eléréséhez szükséges időt. A második az állandósult oszcilláció időtartamának meghatározásától függ. Mindkét módszerben ezeket az értékeket egy táblázatba kell beírni, hogy értékeket nyerjenek, visszaállítsák az időt és a sebességet.
ZN nincs probléma nélkül. Egyes alkalmazásokban túl agresszívnek tartott választ ad a túlcsordulás és az oszcilláció szempontjából. Egy másik hátrány az, hogy időigényes lehet olyan folyamatokban, amelyek lassan reagálnak. Ezen okok miatt egyes ellenőrző szakemberek más szabályokat preferálnak, mint például Tyreus-Luyben vagy Rivera, Morari és Skogestad.
Kézi hangolás
ha elegendő információ áll rendelkezésre az ellenőrzött folyamatról, lehetséges lehet a nyereség, a visszaállítás és a sebesség optimális értékeinek kiszámítása. Gyakran a folyamat túl bonyolult, de bizonyos ismeretekkel, különösen a hibajavításokra adott válasz sebességével, lehetséges a kezdeti hangolási Szint elérése.
a Kézi hangolás úgy történik, hogy a visszaállítási időt a maximális értékre, a sebességet pedig nullára állítja, és addig növeli az erősítést, amíg a hurok állandó amplitúdóban nem oszcillál. (Ha a hibajavításra adott válasz gyorsan megtörténik, nagyobb nyereség használható. Ha a válasz lassú, viszonylag kis nyereség kívánatos). Ezután állítsa a nyereséget ennek az értéknek a felére, majd állítsa be a visszaállítási időt úgy, hogy az elfogadható időn belül korrigálja az eltolást. Végül növelje a sebességet, amíg a túllépés minimalizálódik.
A PID vezérlő hangolásának automatizálása
a legtöbb ma eladott PID vezérlő magában foglalja az automatikus hangolási funkciókat. A működési adatok a gyártók között eltérőek, de mindegyik követi azokat a szabályokat, amikor a vezérlő “megtanulja”, hogyan reagál a folyamat a beállított pont zavarára vagy változására, és kiszámítja a megfelelő PID beállításokat.
Az újabb és kifinomultabb PID vezérlők, mint például az OMEGA Platinum sorozatú hőmérséklet-és folyamatszabályozói, fuzzy logikát tartalmaznak automatikus beállítási képességeikkel. Ez lehetővé teszi a pontatlanság és a nemlinearitás kezelését olyan komplex ellenőrzési helyzetekben, mint amilyenekkel gyakran találkoznak a feldolgozóiparban és a feldolgozóiparban, és segít a tuning optimalizálásában.
Tuning heurisztika
sok szabály alakult ki az évek során, hogy foglalkozzon a PID hurok beállításának kérdésével. Valószínűleg az első, minden bizonnyal a legismertebb a Zeigler-Nichols (ZN) szabályok.
először 1942-ben jelent meg, Zeigler és Nichols két módszert írt le a PID-hurok hangolására. Ezek úgy működnek, hogy lépésről lépésre megváltoztatják a rendszert, és megfigyelik a kapott választ. Az első módszer magában foglalja a késleltetés vagy a válasz késleltetésének mérését, majd az új kimeneti érték eléréséhez szükséges időt. A második az állandósult oszcilláció időtartamának meghatározásától függ. Mindkét módszerben ezeket az értékeket egy táblázatba kell beírni, hogy értékeket nyerjenek, visszaállítsák az időt és a sebességet.
ZN nincs probléma nélkül. Egyes alkalmazásokban túl agresszívnek tartott választ ad a túlcsordulás és az oszcilláció szempontjából. Egy másik hátrány az, hogy időigényes lehet olyan folyamatokban, amelyek csak lassan reagálnak. Ezen okok miatt egyes ellenőrző szakemberek más szabályokat preferálnak, mint például Tyreus-Luyben vagy Rivera, Morari és Skogestad.
PID Controller Gain Tuning
PID controller gain tuning nehéz lehet. Az arányos módszer a legegyszerűbb megérteni. Ebben az esetben az arányos tényező kimenete az ε nyereség és mért hiba eredménye. Így a nagyobb arányos nyereség vagy hiba nagyobb kimenetet eredményez az arányos tényezőből. Az arányos nyereség túl magas beállítása miatt a vezérlő többször túllépi a beállított értéket, ami oszcillációhoz vezet. Miközben az arányos nyereséget túl alacsonyra állítja, a hurok kimenete elhanyagolható. Az egyensúlyi hiba ellensúlyozásának egyik módja a Zeigler-Nichols módszer alkalmazása az I és D nyereség nullára állítására, majd a P nyereség növelésére, amíg a hurok kimenet el nem kezd oszcillálni.
Auto Tune
a legtöbb ma eladott folyamatvezérlő automatikus hangolási funkciókat tartalmaz. A működési adatok a gyártók között eltérőek, de mindegyik a fent leírtakhoz hasonló szabályokat követ. Lényegében a vezérlő “megtanulja”, hogy a folyamat hogyan reagál a zavarra vagy a beállított pont változására, és kiszámítja a megfelelő PID beállításokat. Olyan hőmérséklet-szabályozó esetében, mint az OMEGA CNi8 sorozata, amikor az “Auto Tune” van kiválasztva, a vezérlő aktivál egy kimenetet. Mind a késleltetés, mind a változás sebességének megfigyelésével kiszámítja az optimális P, I és D beállításokat, amelyeket szükség esetén manuálisan finomíthat. (Vegye figyelembe,hogy ez a vezérlő megköveteli, hogy a beállítási pont legalább 10°C-kal legyen az aktuális folyamatérték felett az automatikus hangoláshoz).
Az újabb és kifinomultabb vezérlők, mint például az OMEGA Platinum sorozatú hőmérséklet-és folyamatszabályozói, fuzzy logikát tartalmaznak automatikus hangolási képességeikkel. Ez lehetővé teszi a pontatlanság és a nemlinearitás kezelését olyan komplex ellenőrzési helyzetekben, mint amilyenekkel gyakran találkoznak a feldolgozóiparban és a feldolgozóiparban, és segít a tuning optimalizálásában.
A PID Control
PID Control Simulator
az ipari hőkezelésben használt sütők és kemencék a következetes eredmények eléréséhez szükségesek, függetlenül attól, hogy a fűtött anyag tömege és páratartalma hogyan változhat. Ez ideálissá teszi az ilyen berendezéseket a PID vezérléshez. A folyadékok mozgatásához használt szivattyúk hasonló alkalmazás, ahol a Média tulajdonságainak változása megváltoztathatja a rendszer kimenetét, kivéve, ha hatékony visszacsatolási hurkot hajtanak végre.
A mozgásvezérlő rendszerek a PID vezérlés egyik formáját is használják. Mivel azonban a válasz nagyságrendekkel gyorsabb, mint a fent leírt rendszerek, ezek eltérő vezérlési formát igényelnek, mint az itt tárgyalt.
megértése PID Tuning
PID vezérlő kezelésére használják számos folyamatot. Korrekciós tényező kiszámítása összehasonlításával a kimeneti érték a beállított pont alkalmazása nyer, hogy minimalizálja túllépése, valamint oszcilláció, miközben megvalósítja a változás, amilyen gyorsan csak lehetséges.
a PID hangolás magában foglalja a megfelelő erősítési értékek létrehozását az ellenőrzött folyamathoz. Bár ezt manuálisan vagy vezérlő heurisztika segítségével lehet elvégezni, a legtöbb modern vezérlő automatikus hangolási képességeket biztosít. Azonban továbbra is fontos, hogy az ellenőrző szakemberek megértsék, mi történik a gomb megnyomása után.