procesy obróbki cieplnej są przykładem potrzeby sterowania PID . Aby zapewnić stałą jakość produktu, temperatura wewnątrz pieca lub pieca musi być utrzymywana w wąskich granicach. Wszelkie zakłócenia, takie jak dodanie lub wycofanie produktu lub zastosowanie funkcji rampy, muszą być odpowiednio obsługiwane.
chociaż koncepcja jest prosta, matematyka, na której opiera się Kontrola PID, jest złożona, a osiągnięcie optymalnej wydajności wiąże się z wyborem wartości specyficznych dla procesu dla zakresu interakcji parametrów.
proces znajdowania tych wartości nazywany jest ” strojeniem.”Po optymalnym ustawieniu Regulator Temperatury PID minimalizuje odchylenia od nastawy i szybko reaguje na zakłócenia lub zmiany nastawy, ale z minimalnym przekroczeniem.
ta biała księga z OMEGA Engineering omawia, jak dostroić kontroler PID. Mimo że wiele kontrolerów zapewnia możliwości automatycznego dostrajania, zrozumienie strojenia PID pomoże w osiągnięciu optymalnej wydajności. Adres poszczególnych sekcji:
podstawy sterowania PID
metody strojenia kontrolera PID
○ Ręczne strojenie
he heurystyka strojenia
Auto Automatyczne dostrajanie
typowe zastosowania sterowania PID
podstawy sterowania PID
sterowanie PID opiera się na sprzężeniu zwrotnym. Wyjście urządzenia lub procesu, takiego jak grzejnik, jest mierzone i porównywane z celem lub punktem zadanym. W przypadku wykrycia różnicy obliczana jest korekta i stosowana. Wynik jest ponownie mierzony i każda wymagana korekta jest ponownie obliczana.
PID oznacza pochodną proporcjonalną-całkową. Nie każdy kontroler używa wszystkich trzech tych funkcji matematycznych. Wiele procesów można obsłużyć do akceptowalnego poziomu za pomocą tylko proporcjonalno-całkowych terminów. Jednak precyzyjna kontrola, a zwłaszcza unikanie przekroczenia, wymaga dodania kontroli pochodnej.
w sterowaniu proporcjonalnym współczynnik korekcji określa się na podstawie wielkości różnicy między wartością zadaną a wartością zmierzoną. Problem z tym polega na tym, że gdy różnica zbliża się do zera, tak samo robi korekta, w wyniku czego błąd nigdy nie idzie do zera.
funkcja Całkowa rozwiązuje ten problem, rozważając skumulowaną wartość błędu . Im dłużej utrzymuje się różnica między wartością zadaną a wartością rzeczywistą, tym większy jest obliczony współczynnik korekcji. Jednakże, gdy występuje opóźnienie w odpowiedzi na korektę, prowadzi to do przekroczenia i ewentualnie oscylacji o zadanym punkcie. Unikanie tego jest celem funkcji pochodnej. To patrzy na szybkość zmian, które są osiągane, stopniowo modyfikując współczynnik korekcji, aby zmniejszyć jego wpływ w miarę zbliżania się do punktu zadanego.
metody strojenia kontrolera PID
każdy proces ma unikalne cechy, nawet jeśli sprzęt jest zasadniczo identyczny. Przepływ powietrza wokół pieców będzie się różnić, temperatury otoczenia zmienią gęstość i lepkość płynu, a ciśnienie barometryczne zmieni się z godziny na godzinę. Ustawienia PID (głównie wzmocnienie stosowane do współczynnika korekcji wraz z czasem używanym w obliczeniach całkowych i pochodnych, określane jako „reset” i „szybkość”) muszą być dobrane tak, aby pasowały do tych lokalnych różnic.
ogólnie rzecz biorąc, istnieją trzy podejścia do określenia optymalnej kombinacji tych ustawień: Strojenie ręczne, heurystyka strojenia i metody automatyczne.
Zasady Zeiglera-Nicholsa (ZN)
Po raz pierwszy opublikowane w 1942 roku, Zeigler i Nichols opisali dwie metody strojenia pętli PID. Pierwsza metoda polega na pomiarze opóźnienia lub opóźnienia w odpowiedzi, a następnie czasu potrzebnego do osiągnięcia nowej wartości wyjściowej. Drugi polega na ustaleniu okresu oscylacji w stanie ustalonym. W obu metodach wartości te są następnie wprowadzane do tabeli w celu uzyskania wartości gain, reset time I rate.
ZN nie jest bez problemów. W niektórych zastosowaniach wytwarza odpowiedź uważaną za zbyt agresywną pod względem przekroczenia i oscylacji. Inną Wadą jest to, że może to być czasochłonne w procesach, które reagują powoli. Z tych powodów niektórzy praktykujący kontrolę preferują inne zasady, takie jak Tyreus-Luyben czy Rivera, Morari i Skogestad.
Strojenie ręczne
mając wystarczającą ilość informacji o kontrolowanym procesie, możliwe jest obliczenie optymalnych wartości wzmocnienia, resetu i szybkości. Często Proces jest zbyt złożony, ale z pewną wiedzą, zwłaszcza na temat szybkości, z jaką reaguje na poprawki błędów, możliwe jest osiągnięcie podstawowego poziomu strojenia.
Strojenie ręczne odbywa się poprzez ustawienie czasu resetowania na maksymalną wartość, a szybkość na zero i zwiększenie wzmocnienia, aż pętla oscyluje ze stałą amplitudą. (Gdy odpowiedź na korekcję błędów pojawia się szybko, można użyć większego wzmocnienia. Jeśli odpowiedź jest powolna, pożądany jest stosunkowo niewielki przyrost). Następnie Ustaw wzmocnienie na połowę tej wartości i dostosuj czas resetowania, aby skorygować każde przesunięcie w akceptowalnym okresie. Na koniec zwiększ szybkość, aż przekroczenie zostanie zminimalizowane.
jak zautomatyzować strojenie kontrolera PID
większość sprzedawanych obecnie kontrolerów PID posiada funkcje automatycznego strojenia. Szczegóły obsługi różnią się w zależności od producenta, ale wszystkie są zgodne z regułami, w których sterownik „uczy się”, jak proces reaguje na zakłócenia lub zmianę wartości zadanej i oblicza odpowiednie ustawienia PID.
nowsze i bardziej Zaawansowane kontrolery PID, takie jak seria Platinum firmy OMEGA, zawierają logikę rozmytą z możliwością automatycznego dostrajania. Zapewnia to sposób radzenia sobie z nieprecyzyjnością i nieliniowością w złożonych sytuacjach kontrolnych, takich jak często spotykane w przemyśle wytwórczym i przetwórczym oraz pomaga w optymalizacji strojenia.
heurystyka strojenia
wiele zasad ewoluowało na przestrzeni lat, aby odpowiedzieć na pytanie, jak dostroić pętlę PID. Prawdopodobnie pierwszymi, a na pewno najbardziej znanymi, są zasady Zeiglera-Nicholsa (ZN).
po raz pierwszy opublikowane w 1942 roku, Zeigler i Nichols opisali dwie metody strojenia pętli PID. Działają one poprzez zastosowanie stopniowej zmiany w systemie i obserwację uzyskanej reakcji. Pierwsza metoda polega na pomiarze opóźnienia lub opóźnienia w odpowiedzi, a następnie czasu potrzebnego do osiągnięcia nowej wartości wyjściowej. Drugi polega na ustaleniu okresu oscylacji w stanie ustalonym. W obu metodach wartości te są następnie wprowadzane do tabeli w celu uzyskania wartości gain, reset time I rate.
ZN nie jest bez problemów. W niektórych zastosowaniach wytwarza odpowiedź uważaną za zbyt agresywną pod względem przekroczenia i oscylacji. Inną Wadą jest to, że może to być czasochłonne w procesach, które reagują tylko powoli. Z tych powodów niektórzy praktykujący kontrolę preferują inne zasady, takie jak Tyreus-Luyben czy Rivera, Morari i Skogestad.
dostrajanie wzmocnienia kontrolera PID
dostrajanie wzmocnienia kontrolera PID może być trudne. Metoda proporcjonalna jest najłatwiejsza do zrozumienia. W tym przypadku wyjście współczynnika proporcjonalnego jest iloczynem wzmocnienia i zmierzonego błędu ε. Tak więc większe proporcjonalne wzmocnienie lub błąd powoduje większą wydajność z współczynnika proporcjonalnego. Zbyt wysokie ustawienie proporcjonalnego wzmocnienia powoduje, że kontroler wielokrotnie przekracza wartość zadaną, co prowadzi do oscylacji. Podczas ustawiania proporcjonalnego wzmocnienia zbyt niskie sprawiają, że wyjście pętli znikome. Jednym ze sposobów zrównoważenia tego błędu w stanie ustalonym jest użycie metody Zeiglera-Nicholsa, która ustawia zyski I I D na zero, a następnie zwiększa zysk P, dopóki wyjście pętli nie zacznie oscylować.
Automatyczne dostrajanie
większość sprzedawanych obecnie kontrolerów procesowych zawiera funkcje automatycznego dostrajania. Szczegóły obsługi różnią się w zależności od producenta, ale wszystkie przestrzegają zasad podobnych do opisanych powyżej. Zasadniczo kontroler „uczy się”, jak proces reaguje na zakłócenia lub zmianę wartości zadanej i oblicza odpowiednie ustawienia PID. W przypadku regulatora temperatury, takiego jak seria CNI8 Omegi, po wybraniu opcji” Auto Tune”, sterownik aktywuje wyjście. Obserwując zarówno opóźnienie, jak i szybkość, z jaką dokonywana jest zmiana, oblicza optymalne ustawienia P, I I D, które w razie potrzeby można ręcznie dostroić. (Należy pamiętać, że ten kontroler wymaga, aby wartość zadana była co najmniej 10°C powyżej bieżącej wartości procesu do automatycznego dostrajania).
nowsze i bardziej wyrafinowane Kontrolery, takie jak seria Platinum firmy OMEGA, zawierają logikę rozmytą z możliwością automatycznego dostrajania. Zapewnia to sposób radzenia sobie z nieprecyzyjnością i nieliniowością w złożonych sytuacjach kontrolnych, takich jak często spotykane w przemyśle wytwórczym i przetwórczym, i pomaga w optymalizacji dostrajania.
typowe zastosowania sterowania PID
symulator sterowania PID
Piece i piece stosowane w przemysłowej obróbce cieplnej są wymagane do osiągnięcia spójnych wyników niezależnie od tego, jak może się różnić masa i wilgotność ogrzewanego materiału. To sprawia, że taki sprzęt jest idealny do kontroli PID. Pompy używane do przenoszenia płynów są podobnym zastosowaniem, w którym zmiana właściwości mediów może zmienić wyjścia systemu, chyba że wdrożona zostanie efektywna pętla sprzężenia zwrotnego.
systemy sterowania ruchem wykorzystują również formę sterowania PID. Ponieważ jednak odpowiedź jest o rząd wielkości szybsza niż systemy opisane powyżej, wymagają one innej formy kontrolera niż omawiana tutaj.
zrozumienie regulacji PID
Kontrola PID służy do zarządzania wieloma procesami. Współczynniki korekcyjne są obliczane przez porównanie wartości wyjściowej z wartością zadaną i zastosowanie przyrostów, które minimalizują przekroczenie i oscylację, jednocześnie dokonując zmiany tak szybko, jak to możliwe.
strojenie PID polega na ustaleniu odpowiednich wartości wzmocnienia dla kontrolowanego procesu. Chociaż można to zrobić ręcznie lub za pomocą heurystyki sterowania, większość nowoczesnych kontrolerów zapewnia możliwości automatycznego dostrajania. Jednak dla specjalistów kontroli ważne jest, aby zrozumieć, co dzieje się po naciśnięciu przycisku.