warmtebehandelingsprocessen illustreert de noodzaak van PID-regeling. Om een consistente productkwaliteit te garanderen, moet de temperatuur in een oven of oven binnen nauwe grenzen worden gehouden. Elke storing, bijvoorbeeld wanneer een product wordt toegevoegd of uit de handel genomen of wanneer een oprijplaatfunctie wordt toegepast, moet op passende wijze worden aangepakt.
hoewel het concept eenvoudig is, is de wiskunde die de PID-regeling ondersteunt complex en het bereiken van optimale prestaties vereist het selecteren van proces-specifieke waarden voor een reeks interagerende parameters.
het proces om deze waarden te vinden wordt aangeduid als “tuning.”Wanneer een PID-temperatuurregelaar optimaal is afgestemd, minimaliseert hij de afwijking van het instelpunt en reageert hij snel op storingen of veranderingen in het instelpunt, maar met minimale overshoot. dit White Paper van OMEGA Engineering bespreekt hoe je een PID regelaar kunt afstemmen. Hoewel veel controllers auto tune mogelijkheden bieden, zal een begrip van PID tuning helpen bij het bereiken van optimale prestaties. Individuele secties adres:
basis van PID-besturing
PID-regelaar Tuning Methods
Manual handmatige Tuning
Tuning Tuning heuristiek
Auto Auto Tune
gemeenschappelijke toepassingen van PID-besturing
basis van PID-besturing
PID-besturing is gebaseerd op feedback. De output van een apparaat of proces, zoals een verwarmer, wordt gemeten en vergeleken met het doel of instelpunt. Als een verschil wordt gedetecteerd, wordt een correctie berekend en toegepast. De output wordt opnieuw gemeten en eventuele vereiste correctie opnieuw berekend.
PID staat voor proportioneel-integraal-derivaat. Niet elke controller gebruikt alle drie deze wiskundige functies. Veel processen kunnen tot een aanvaardbaar niveau worden behandeld met alleen de proportionele-integrale termen. Voor fijne controle, en met name overshoot avoidance, is echter de toevoeging van afgeleide controle vereist.
In proportionele controle wordt de correctiefactor bepaald door de grootte van het verschil tussen instelpunt en gemeten waarde. Het probleem hiermee is dat als het verschil nul nadert, ook de correctie dat doet, met als gevolg dat de fout nooit naar nul gaat.
De integrale functie pakt dit aan door rekening te houden met de cumulatieve waarde van de fout. Hoe langer het instelpunt-tot-actualwaardeverschil aanhoudt, hoe groter de berekende correctiefactor. Echter, wanneer er een vertraging in reactie op de correctie leidt dit tot een overschrijding en mogelijk oscillatie over het instelpunt. Het vermijden van dit is het doel van de afgeleide functie. Hierbij wordt gekeken naar de mate van verandering die wordt bereikt, waarbij de correctiefactor geleidelijk wordt gewijzigd om het effect ervan te verminderen naarmate het instelpunt wordt benaderd.
Afstelmethoden voor PID-regelaars
elk proces heeft unieke kenmerken, zelfs wanneer de apparatuur in wezen identiek is. De luchtstroom rond ovens zal variëren, omgevingstemperaturen zullen de Vloeistofdichtheid en viscositeit veranderen en de barometerdruk zal van uur tot uur veranderen. De PID-instellingen (voornamelijk de winst toegepast op de correctiefactor samen met de tijd gebruikt in de integrale en afgeleide berekeningen, genaamd “reset” en “rate”) moeten worden geselecteerd om deze lokale verschillen aan te passen.
in grote lijnen zijn er drie benaderingen om de optimale combinatie van deze instellingen te bepalen: handmatige tuning, tuning heuristiek en geautomatiseerde methoden.
Zeigler-Nichols (ZN) Rules
Voor het eerst gepubliceerd in 1942 beschreven Zeigler en Nichols twee methoden om een PID-lus af te stemmen. De eerste methode omvat het meten van de vertraging of vertraging in reactie en vervolgens de tijd die nodig is om de nieuwe outputwaarde te bereiken. De tweede hangt af van het vaststellen van de periode van een stationaire oscillatie. In beide methoden worden deze waarden dan ingevoerd in een tabel om waarden af te leiden voor winst, reset tijd en snelheid.
ZN is niet zonder problemen. In sommige toepassingen produceert het een reactie die te agressief wordt geacht in termen van overshoot en oscillatie. Een ander nadeel is dat het tijdrovend kan zijn in processen die langzaam reageert. Om deze redenen geven sommige controle beoefenaars de voorkeur aan andere regels zoals Tyreus-Luyben of Rivera, Morari en Skogestad.
handmatige afstelling
met voldoende informatie over het proces dat wordt gecontroleerd, kan het mogelijk zijn om optimale waarden van versterking, reset en snelheid te berekenen. Vaak is het proces te complex, maar met enige kennis, met name over de snelheid waarmee het reageert op foutcorrecties, is het mogelijk om een rudimentair niveau van afstemming te bereiken.
handmatige afstelling wordt gedaan door de resettijd in te stellen op de maximale waarde en de snelheid op nul en de versterking te verhogen totdat de lus oscilleert met een constante amplitude. (Wanneer de reactie op een foutcorrectie snel optreedt, kan een grotere gain worden gebruikt. Als de respons traag is, is een relatief kleine winst wenselijk). Stel vervolgens de winst in op de helft van die waarde en pas de resettijd aan, zodat het corrigeert voor elke offset binnen een aanvaardbare periode. Tot slot, verhoog de snelheid totdat overschrijding is geminimaliseerd.
hoe Automatiseer ik de afstelling van PID-regelaars
De meeste PID-regelaars die vandaag worden verkocht, hebben automatische afstelling. De bedrijfsdetails variëren tussen fabrikanten, maar alle regels volgen waarbij de regelaar “leert” hoe het proces reageert op een storing of verandering in het instelpunt en de juiste PID-instellingen berekent.nieuwere en meer geavanceerde PID-regelaars, zoals OMEGA ‘ s Platinum-serie temperatuur-en procesregelaars, bevatten fuzzy logic met hun auto-tune-mogelijkheden. Dit biedt een manier om te gaan met onnauwkeurigheid en niet-lineariteit in complexe besturingssituaties, zoals vaak voorkomen in de productie-en procesindustrie en helpt bij het afstemmen van optimalisatie.
Tuning heuristiek
veel regels zijn in de loop der jaren geëvolueerd om de vraag te beantwoorden hoe een PID-lus af te stemmen. Waarschijnlijk de eerste, en zeker de bekendste, zijn de Zeigler-Nichols (ZN) regels. Zeigler en Nichols beschreven twee methoden om een PID-lus af te stemmen. Deze werken door het toepassen van een stap verandering in het systeem en het observeren van de resulterende reactie. De eerste methode omvat het meten van de vertraging of vertraging in reactie en vervolgens de tijd die nodig is om de nieuwe outputwaarde te bereiken. De tweede hangt af van het vaststellen van de periode van een stationaire oscillatie. In beide methoden worden deze waarden dan ingevoerd in een tabel om waarden af te leiden voor winst, reset tijd en snelheid.
ZN is niet zonder problemen. In sommige toepassingen produceert het een reactie die te agressief wordt geacht in termen van overshoot en oscillatie. Een ander nadeel is dat het tijdrovend kan zijn in processen die slechts langzaam reageren. Om deze redenen geven sommige controle beoefenaars de voorkeur aan andere regels zoals Tyreus-Luyben of Rivera, Morari en Skogestad.
PID Controller gain tuning
PID controller gain tuning kan moeilijk zijn. De proportionele methode is het makkelijkst te begrijpen. In dit geval is de output van de proportionele factor het product van winst en gemeten fout ε. Dus, Grotere proportionele winst of fout zorgt voor een grotere output van de proportionele factor. Het instellen van de proportionele winst te hoog zorgt ervoor dat een controller herhaaldelijk overshoot het setpoint, wat leidt tot oscillatie. Terwijl het instellen van de proportionele winst te laag maken van de lus output verwaarloosbaar. Een manier om deze steady-state fout te compenseren is met behulp van de Zeigler-Nichols methode van het instellen van de i en D winsten op nul en vervolgens het verhogen van P winst totdat de lus output begint te oscilleren.
Auto Tune
De meeste procesregelaars die vandaag worden verkocht, hebben automatische tuningfuncties. De bedrijfsgegevens verschillen tussen de fabrikanten, maar Alle volgen dezelfde regels als hierboven beschreven. In wezen “leert” de controller hoe het proces reageert op een storing of verandering in het instelpunt, en berekent de juiste PID-instellingen. In het geval van een temperatuurregelaar zoals OMEGA ’s CNi8-serie, wanneer” Auto Tune ” is geselecteerd, activeert de regelaar een uitgang. Door het observeren van zowel de vertraging en de snelheid waarmee de verandering wordt gemaakt berekent het optimale p, I en D-instellingen, die vervolgens handmatig kunnen worden verfijnd indien nodig. (Merk op dat Voor deze regelaar het instelpunt ten minste 10°C boven de huidige proceswaarde moet liggen om automatisch af te stemmen). nieuwere en meer geavanceerde regelaars, zoals OMEGA ‘ s Platinum serie temperatuur-en procesregelaars, bevatten fuzzy logic met hun auto tune mogelijkheden. Dit biedt een manier om te gaan met onnauwkeurigheid en niet-lineariteit in complexe besturingssituaties, zoals vaak voorkomen in de productie-en procesindustrie, en helpt bij het afstemmen van optimalisatie.
gemeenschappelijke toepassingen van PID-regeling
PID-Regelsimulator
Ovens en ovens die worden gebruikt bij industriële warmtebehandeling zijn vereist om consistente resultaten te bereiken, ongeacht hoe de massa en de vochtigheid van het verwarmde materiaal kunnen variëren. Dit maakt dergelijke apparatuur ideaal voor PID-regeling. Pompen die worden gebruikt voor het verplaatsen van vloeistoffen zijn een soortgelijke toepassing, waar variatie in media-eigenschappen systeemuitgangen kunnen veranderen, tenzij een effectieve feedback loop is geïmplementeerd.
Motion control systemen maken ook gebruik van een vorm van PID-regeling. Aangezien de respons echter ordes van grootte sneller is dan de hierboven beschreven systemen, vereisen deze een andere vorm van controller dan die hier besproken.
PID-Tuning begrijpen
PID-controle wordt gebruikt om veel processen te beheren. Correctiefactoren worden berekend door de uitgangswaarde te vergelijken met het instelpunt en winsten toe te passen die overshoot en oscillatie minimaliseren terwijl de verandering zo snel mogelijk wordt doorgevoerd.
PID tuning houdt in dat de juiste versterkingswaarden worden vastgesteld voor het proces dat wordt gecontroleerd. Hoewel dit handmatig of door middel van controle heuristiek kan worden gedaan, bieden de meeste moderne controllers auto tune mogelijkheden. Het blijft echter belangrijk voor besturingsprofessionals om te begrijpen wat er gebeurt nadat de knop ingedrukt is.