procesele de tratament termic exemplifică necesitatea controlului PID. Pentru a asigura o calitate consecventă a produsului, temperatura din interiorul unui cuptor sau cuptor trebuie menținută în limite înguste. Orice perturbare, cum ar fi atunci când se adaugă sau se retrage un produs sau se aplică o funcție de rampă, trebuie manipulată în mod corespunzător. deși simplă în concept, matematica care stă la baza controlului PID este complexă și obținerea unei performanțe optime presupune selectarea valorilor specifice procesului pentru o serie de parametri care interacționează.
procesul de găsire a acestor valori este denumit „tuning.”Când este reglat optim, un controler de temperatură PID minimizează abaterea de la punctul de setare și răspunde rapid la perturbații sau modificări ale punctului de setare, dar cu o depășire minimă.
această carte albă de la OMEGA Engineering discută cum să reglați un controler PID. Chiar dacă multe controlere oferă capabilități de reglare automată, o înțelegere a reglării PID va ajuta la obținerea unei performanțe optime. Secțiuni individuale adresa:
elementele de bază ale PID Control
PID Controller Tuning metode
manual de tuning
euristica de tuning
auto tune
aplicații comune de control PID
elementele de bază ale PID Control
PID control se bazează pe feedback-ul. Ieșirea unui dispozitiv sau proces, cum ar fi un încălzitor, este măsurată și comparată cu ținta sau punctul stabilit. Dacă se detectează o diferență, se calculează și se aplică o corecție. Rezultatul este măsurat din nou și orice corecție necesară recalculată.
PID înseamnă proporțional-integral-derivat. Nu fiecare controler folosește toate aceste trei funcții matematice. Multe procese pot fi gestionate la un nivel acceptabil doar cu Termenii proporționali integrali. Cu toate acestea, controlul fin și, în special, evitarea depășirii, necesită adăugarea controlului derivat.
în controlul proporțional, factorul de corecție este determinat de mărimea diferenței dintre punctul stabilit și valoarea măsurată. Problema cu aceasta este că, pe măsură ce diferența se apropie de zero, la fel și corecția, rezultând că eroarea nu ajunge niciodată la zero.
funcția integrală abordează acest lucru luând în considerare valoarea cumulativă a erorii. Cu cât diferența punct-la-RealValue este mai lungă, cu atât este mai mare dimensiunea factorului de corecție calculat. Cu toate acestea, atunci când există o întârziere ca răspuns la corecție, aceasta duce la o depășire și, eventual, la oscilație cu privire la punctul stabilit. Evitarea acestui lucru este scopul funcției derivate. Aceasta analizează rata de schimbare care se realizează, modificând progresiv factorul de corecție pentru a-i diminua efectul pe măsură ce se apropie punctul de referință.
metode de reglare a controlerului PID
fiecare proces are caracteristici unice, chiar și atunci când echipamentul este în esență identic. Fluxul de aer în jurul cuptoarelor va varia, temperaturile ambientale vor modifica densitatea și vâscozitatea fluidului, iar presiunea barometrică se va schimba de la oră la oră. Setările PID (în principal câștigul aplicat factorului de corecție împreună cu timpul utilizat în calculele integrale și derivate, denumite „resetare” și „rată”) trebuie selectate pentru a se potrivi acestor diferențe locale.
în termeni generali, există trei abordări pentru determinarea combinației optime a acestor setări: reglarea manuală, euristica reglării și metodele automate.
Regulile Zeigler-Nichols (ZN)
publicate pentru prima dată în 1942, Zeigler și Nichols au descris două metode de reglare a unei bucle PID. Prima metodă presupune măsurarea întârzierii sau întârzierii răspunsului și apoi timpul necesar pentru a atinge noua valoare de ieșire. Al doilea depinde de stabilirea perioadei de oscilație la starea de echilibru. În ambele metode, aceste valori sunt apoi introduse într-un tabel pentru a obține valori pentru câștig, Resetare timp și rată.
ZN nu este lipsit de probleme. În unele aplicații produce un răspuns considerat prea agresiv în ceea ce privește depășirea și oscilația. Un alt dezavantaj este că poate consuma mult timp în procesele care reacționează lent. Din aceste motive, unii practicanți de control preferă alte reguli, cum ar fi Tyreus-Luyben sau Rivera, Morari și Skogestad.
reglare manuală
cu suficiente informații despre procesul controlat, poate fi posibil să se calculeze valorile optime de câștig, resetare și rată. Adesea, procesul este prea complex, dar cu unele cunoștințe, în special despre viteza cu care răspunde la corecțiile de eroare, este posibil să se atingă un nivel rudimentar de reglare.
reglarea manuală se face prin setarea timpului de resetare la valoarea maximă și rata la zero și creșterea câștigului până când bucla oscilează la o amplitudine constantă. (Când răspunsul la o corecție de eroare are loc rapid un câștig mai mare poate fi utilizat. Dacă răspunsul este lent, este de dorit un câștig relativ mic). Apoi setați câștigul la jumătate din această valoare și reglați timpul de resetare, astfel încât să corecteze orice compensare într-o perioadă acceptabilă. În cele din urmă, creșteți rata până când depășirea este redusă la minimum.
cum se automatizează reglarea controlerului PID
majoritatea controlerelor PID vândute astăzi încorporează funcții de reglare automată. Detaliile de operare variază între producători, dar toate respectă regulile în care controlerul „învață” modul în care procesul răspunde la o perturbare sau modificare a punctului de setare și calculează setările PID adecvate.controlerele PID mai noi și mai sofisticate, cum ar fi seria de controlere de temperatură și proces OMEGA Platinum, încorporează logica fuzzy cu capacitățile lor de reglare automată. Aceasta oferă o modalitate de a face față impreciziei și neliniarității în situații complexe de control, cum ar fi cele întâlnite adesea în industriile de producție și de proces și ajută la optimizarea reglării.
euristica de Tuning
multe reguli au evoluat de-a lungul anilor pentru a aborda problema modului de a regla o buclă PID. Probabil primele, și cu siguranță cele mai cunoscute, sunt regulile Zeigler-Nichols (ZN). publicat pentru prima dată în 1942, Zeigler și Nichols au descris două metode de reglare a unei bucle PID. Acestea funcționează aplicând o schimbare de pas în sistem și observând răspunsul rezultat. Prima metodă presupune măsurarea întârzierii sau întârzierii răspunsului și apoi timpul necesar pentru a atinge noua valoare de ieșire. Al doilea depinde de stabilirea perioadei de oscilație la starea de echilibru. În ambele metode, aceste valori sunt apoi introduse într-un tabel pentru a obține valori pentru câștig, Resetare timp și rată.
ZN nu este lipsit de probleme. În unele aplicații produce un răspuns considerat prea agresiv în ceea ce privește depășirea și oscilația. Un alt dezavantaj este că poate consuma mult timp în procesele care reacționează doar încet. Din aceste motive, unii practicanți de control preferă alte reguli, cum ar fi Tyreus-Luyben sau Rivera, Morari și Skogestad.
PID controller Gain Tuning
PID controller gain tuning poate fi dificil. Metoda proporțională este cea mai ușor de înțeles. În acest caz, producția factorului proporțional este produsul câștigului și erorii măsurate (x). Astfel, câștigul sau eroarea proporțională mai mare determină o ieșire mai mare din factorul proporțional. Setarea câștigului proporțional prea mare determină un controler să depășească în mod repetat valoarea de referință, ducând la oscilație. În timp ce setați câștigul proporțional prea mic, ieșirea buclei este neglijabilă. O modalitate de a compensa această eroare la starea de echilibru este utilizarea metodei Zeigler-Nichols de a seta câștigurile I și D la zero și apoi de a crește câștigul P până când ieșirea buclei începe să oscileze.
Auto Tune
majoritatea controlerelor de proces vândute astăzi încorporează funcții de reglare automată. Detaliile de operare variază între producători, dar toate respectă reguli similare celor descrise mai sus. În esență, controlerul „învață” modul în care procesul răspunde la o perturbare sau modificare a punctului de setare și calculează setările PID corespunzătoare. În cazul unui controler de temperatură precum seria CNi8 OMEGA, când este selectat” Auto Tune”, controlerul activează o ieșire. Observând atât întârzierea, cât și rata cu care se face modificarea, calculează setările optime P, I și D, care pot fi apoi reglate manual, dacă este necesar. (Rețineți că acest controler necesită ca punctul de setare să fie cu cel puțin 10 centimetric C peste valoarea curentă a procesului pentru efectuarea reglării automate). controlerele mai noi și mai sofisticate, cum ar fi seria de controlere de temperatură și proces OMEGA Platinum, încorporează logica fuzzy cu capacitățile lor de reglare automată. Aceasta oferă o modalitate de a face față impreciziei și neliniarității în situații complexe de control, cum ar fi cele întâlnite adesea în industriile de producție și de proces și ajută la optimizarea reglării.
aplicații comune ale controlului PID
Simulator de Control PID
cuptoarele și cuptoarele utilizate în tratamentul termic industrial sunt necesare pentru a obține rezultate consistente, indiferent de modul în care masa și umiditatea materialului încălzit pot varia. Acest lucru face ca un astfel de echipament să fie ideal pentru controlul PID. Pompele utilizate pentru fluidele în mișcare sunt o aplicație similară, în care variația proprietăților media ar putea schimba ieșirile sistemului, cu excepția cazului în care este implementată o buclă de feedback eficientă.
sistemele de control al mișcării utilizează, de asemenea, o formă de control PID. Cu toate acestea, deoarece răspunsul este ordine de mărime mai rapid decât sistemele descrise mai sus, acestea necesită o formă diferită de controler față de cea discutată aici.
înțelegerea reglării PID
controlul PID este utilizat pentru a gestiona multe procese. Factorii de corecție sunt calculați prin compararea valorii de ieșire cu punctul stabilit și aplicarea câștigurilor care minimizează depășirea și oscilația în timp ce efectuează modificarea cât mai repede posibil.
reglarea PID presupune stabilirea unor valori de câștig adecvate pentru procesul controlat. În timp ce acest lucru se poate face manual sau prin intermediul euristicii de control, majoritatea controlerelor moderne oferă capacități de reglare automată. Cu toate acestea, rămâne important ca profesioniștii de control să înțeleagă ce se întâmplă după apăsarea butonului.