ตัวควบคุม Pid: วิธีการทำงานโครงสร้างและการปรับแต่ง

ก่อนที่จะอธิบายPID Controllerขอทบทวนเกี่ยวกับระบบควบคุม ระบบมีสองประเภท ระบบวงเปิดและระบบลูปปิด ระบบลูปเปิดเรียกอีกอย่างว่าระบบที่ไม่มีการควบคุมและระบบลูปปิดเรียกว่าระบบควบคุม. ในระบบลูปเปิดเอาต์พุตจะไม่ถูกควบคุมเนื่องจากระบบนี้ไม่มีข้อเสนอแนะและในระบบลูปปิดเอาต์พุตจะถูกควบคุมด้วยความช่วยเหลือของคอนโทรลเลอร์และระบบนี้ต้องการพา ธ ป้อนกลับอย่างน้อยหนึ่งเส้นทาง ระบบลูปเปิดนั้นง่ายมาก แต่ไม่มีประโยชน์ในการใช้งานการควบคุมอุตสาหกรรมเนื่องจากระบบนี้ไม่มีการควบคุม ปิดระบบห่วงมีความซับซ้อน แต่มีประโยชน์มากที่สุดสำหรับใช้ในอุตสาหกรรมเพราะในระบบนี้สามารถส่งออกจะมีเสถียรภาพที่ค่าที่ต้องการPID เป็นตัวอย่างของวงปิดระบบแผนภาพบล็อกของระบบนี้ดังแสดงในรูปที่ 1 ด้านล่าง

ระบบลูปปิดเรียกอีกอย่างว่าระบบควบคุมป้อนกลับและระบบประเภทนี้ใช้ในการออกแบบระบบที่เสถียรโดยอัตโนมัติที่เอาต์พุตหรือการอ้างอิงที่ต้องการ ด้วยเหตุนี้จึงสร้างสัญญาณผิดพลาดสัญญาณผิดพลาด E (t) ความแตกต่างระหว่างการส่งออก ปี (t) และอ้างอิงสัญญาณ U (t) เมื่อข้อผิดพลาดนี้เป็นศูนย์นั่นหมายความว่าได้เอาต์พุตที่ต้องการและในเอาต์พุตเงื่อนไขนี้เหมือนกับสัญญาณอ้างอิง

ตัวอย่างเช่นเครื่องอบผ้ากำลังทำงานหลายครั้งซึ่งเป็นค่าที่ตั้งไว้ล่วงหน้า เมื่อเปิดเครื่องอบผ้าตัวจับเวลาจะเริ่มและจะทำงานจนกว่าตัวจับเวลาจะสิ้นสุดลงและให้เอาต์พุต (ผ้าแห้ง) นี่คือระบบลูปเปิดแบบธรรมดาโดยที่เอาต์พุตไม่จำเป็นต้องควบคุมและไม่ต้องการเส้นทางป้อนกลับใด ๆ หากในระบบนี้เราใช้เซ็นเซอร์ความชื้นซึ่งให้เส้นทางป้อนกลับและเปรียบเทียบสิ่งนี้กับจุดที่กำหนดและทำให้เกิดข้อผิดพลาด เครื่องเป่าทำงานจนกว่าข้อผิดพลาดนี้จะเป็นศูนย์ หมายความว่าเมื่อความชื้นของผ้าเท่ากับจุดที่กำหนดเครื่องอบผ้าจะหยุดทำงาน ในระบบวงเปิดเครื่องอบผ้าจะทำงานตามเวลาที่กำหนดไม่ว่าเสื้อผ้าจะแห้งหรือเปียกก็ตาม แต่ในระบบวงปิดเครื่องอบผ้าจะไม่ทำงานตามเวลาที่กำหนดเครื่องจะทำงานจนกว่าเสื้อผ้าจะแห้ง นี่คือข้อดีของระบบลูปปิดและการใช้คอนโทรลเลอร์

PID Controller และการทำงาน:

ตัวควบคุม PID คืออะไร? คอนโทรลเลอร์ PID เป็นที่ยอมรับในระดับสากลและใช้กันมากที่สุดในงานอุตสาหกรรมเนื่องจากคอนโทรลเลอร์ PID นั้นเรียบง่ายให้เสถียรภาพที่ดีและการตอบสนองที่รวดเร็ว PID ยืนสำหรับสัดส่วนหนึ่งอนุพันธ์ ในแต่ละแอปพลิเคชันค่าสัมประสิทธิ์ของการกระทำทั้งสามนี้จะแตกต่างกันเพื่อให้ได้รับการตอบสนองและการควบคุมที่เหมาะสมที่สุด อินพุตคอนโทรลเลอร์เป็นสัญญาณข้อผิดพลาดและเอาต์พุตถูกกำหนดให้กับโรงงาน / กระบวนการ สัญญาณเอาท์พุตของตัวควบคุมถูกสร้างขึ้นในลักษณะที่พยายามส่งออกของพืชเพื่อให้ได้ค่าที่ต้องการ

ตัวควบคุม PID เป็นระบบลูปปิดซึ่งมีระบบควบคุมป้อนกลับและเปรียบเทียบตัวแปรกระบวนการ (ตัวแปรป้อนกลับ) กับชุดจุดและสร้างสัญญาณข้อผิดพลาดและตามที่ปรับเอาต์พุตของระบบ กระบวนการนี้จะดำเนินต่อไปจนกว่าข้อผิดพลาดนี้จะกลายเป็นศูนย์หรือค่าตัวแปรของกระบวนการจะเท่ากับจุดที่ตั้งไว้

ควบคุม PID ให้ผลลัพธ์ที่ดีกว่าการควบคุมเปิด ในตัวควบคุมเปิด / ปิดมีเพียงสองสถานะที่สามารถควบคุมระบบได้ สามารถเปิดหรือปิดได้ จะเปิดเมื่อค่าของกระบวนการน้อยกว่าจุดที่กำหนดและจะปิดเมื่อค่าของกระบวนการมากกว่าจุดที่กำหนด ในคอนโทรลเลอร์นี้เอาต์พุตจะไม่คงที่มันจะแกว่งรอบ ๆ setpoint เสมอ แต่ตัวควบคุม PID มีความเสถียรและแม่นยำกว่าเมื่อเทียบกับตัวควบคุมเปิด / ปิด

ตัวควบคุม PID เป็นการรวมกันของคำศัพท์สามคำ สัดส่วน Integral และอนุพันธ์ ให้เราเข้าใจคำศัพท์ทั้งสามนี้ทีละคำ

โหมดการควบคุม PID:

การตอบสนองตามสัดส่วน (P):

คำว่า 'P' เป็นสัดส่วนกับค่าที่แท้จริงของข้อผิดพลาด หากข้อผิดพลาดมีขนาดใหญ่เอาต์พุตควบคุมก็มีขนาดใหญ่เช่นกันและหากข้อผิดพลาดคือเอาต์พุตควบคุมขนาดเล็กก็มีขนาดเล็กเช่นกัน แต่ปัจจัยการเพิ่ม (K _p) คือ

นอกจากนี้ยังคำนึงถึงบัญชี ความเร็วของการตอบสนองยังเป็นสัดส่วนโดยตรงกับปัจจัยกำไรตามสัดส่วน (K _P)ดังนั้นความเร็วในการตอบสนองจึงเพิ่มขึ้นโดยการเพิ่มค่า K _pแต่ถ้า K _pเพิ่มขึ้นเกินช่วงปกติตัวแปรของกระบวนการจะเริ่มสั่นด้วยอัตราที่สูงและทำให้ระบบไม่เสถียร

y (t) ∝ e (t) y (t) = k _ผม * e (t)

ที่นี่ข้อผิดพลาดที่เกิดขึ้นจะถูกคูณด้วยปัจจัยการได้สัดส่วน (ค่าคงที่ตามสัดส่วน) ดังที่แสดงในสมการด้านบน หากใช้เฉพาะคอนโทรลเลอร์ P ในเวลานั้นจำเป็นต้องรีเซ็ตด้วยตนเองเนื่องจากมีข้อผิดพลาดสถานะคงที่ (ออฟเซ็ต)

การตอบสนองเชิงปริพันธ์ (I):

โดยทั่วไปตัวควบคุมอินทิกรัลจะใช้เพื่อลดข้อผิดพลาดสถานะคงที่ คำว่า 'ฉัน' เป็นบูรณาการ (ด้วยความเคารพต่อเวลา) กับมูลค่าที่แท้จริงของความผิดพลาด เนื่องจากการรวมค่าความผิดพลาดที่น้อยมากจึงทำให้เกิดการตอบสนองเชิงปริพันธ์ที่สูงมาก การกระทำของตัวควบคุมอินทิกรัลยังคงเปลี่ยนแปลงไปจนกว่าข้อผิดพลาดจะกลายเป็นศูนย์

y (t) ∝ ∫ e (t) y (t) = k _ฉัน ∫ e (t)

อินทิกรัลเกนแปรผกผันกับความเร็วของการตอบสนองเพิ่ม k _iลดความเร็วในการตอบสนอง ใช้ตัวควบคุมตามสัดส่วนและอินทิกรัลรวมกัน (ตัวควบคุม PI) เพื่อความเร็วในการตอบสนองที่ดีและการตอบสนองของสภาวะคงที่

การตอบสนองอนุพันธ์ (D):

ตัวควบคุมอนุพันธ์ใช้ร่วมกับ PD หรือ PID ไม่เคยใช้เพียงอย่างเดียวเพราะหากข้อผิดพลาดคงที่ (ไม่ใช่ศูนย์) เอาต์พุตของคอนโทรลเลอร์จะเป็นศูนย์ ในสถานการณ์นี้คอนโทรลเลอร์จะทำงานผิดพลาดในชีวิตเป็นศูนย์ แต่ในความเป็นจริงมีข้อผิดพลาดบางอย่าง (ค่าคงที่) ผลลัพธ์ของตัวควบคุมอนุพันธ์เป็นสัดส่วนโดยตรงกับอัตราการเปลี่ยนแปลงของข้อผิดพลาดตามเวลาดังแสดงในสมการ โดยการลบสัญลักษณ์ของความเป็นสัดส่วนเราจะได้ค่าคงที่กำไรอนุพันธ์ (k _d) โดยทั่วไปตัวควบคุมอนุพันธ์จะใช้เมื่อตัวแปรตัวประมวลผลเริ่มสั่นหรือเปลี่ยนแปลงด้วยความเร็วที่สูงมาก D-controller ยังใช้เพื่อคาดการณ์พฤติกรรมในอนาคตของข้อผิดพลาดโดย error curve สมการทางคณิตศาสตร์ดังแสดงด้านล่าง

y (เสื้อ) ∝ de (t) / dt y (t) = K _d * de (t) / dt

ตัวควบคุมตามสัดส่วนและอินทิกรัล:

นี่คือการรวมกันของตัวควบคุม P และ I เอาต์พุตของคอนโทรลเลอร์คือผลรวมของการตอบสนองทั้ง (ตามสัดส่วนและปริพันธ์) สมการทางคณิตศาสตร์ดังแสดงด้านล่าง

y (t) ∝ (e (t) + ∫ e (t) dt) y (t) = k _p * e (t) + k _i ∫ e (t) dt

ตัวควบคุมตามสัดส่วนและอนุพันธ์: เป็นการรวมกันของตัวควบคุม P และ D ผลลัพธ์ของคอนโทรลเลอร์คือผลรวมของการตอบสนองตามสัดส่วนและอนุพันธ์ สมการทางคณิตศาสตร์ของ PD controller ดังแสดงด้านล่าง

y (เสื้อ) ∝ (e (t) + de (t) / dt) y (t) = k _p * e (t) + k _d * de (t) / dt

ตัวควบคุมตามสัดส่วนอินทิกรัลและอนุพันธ์: เป็นการรวมกันของตัวควบคุม P, I และ D ผลลัพธ์ของคอนโทรลเลอร์คือผลรวมของการตอบสนองตามสัดส่วนอินทิกรัลและอนุพันธ์ สมการทางคณิตศาสตร์ของ PD controller ดังแสดงด้านล่าง

y (t) ∝ (e (t) + ∫ e (t) dt + de (t) / dt) y (t) = k _p * e (t) + k _i ∫ e (t) dt + k _d * เด (t) / dt

ดังนั้นโดยรวมนี้สัดส่วนหนึ่งและอนุพันธ์ตอบสนองการควบคุมรูปแบบการควบคุม PID

วิธีการปรับแต่งสำหรับ PID Controller:

สำหรับเอาต์พุตที่ต้องการตัวควบคุมนี้ต้องได้รับการปรับแต่งอย่างเหมาะสม ขั้นตอนการรับการตอบสนองที่เหมาะจากตัวควบคุม PID PID โดยการตั้งค่าที่เรียกว่าการปรับแต่งของตัวควบคุมการตั้งค่า PID หมายถึงกำหนดค่าที่เหมาะสมที่สุดของการตอบสนองตามสัดส่วน (k _p) อนุพันธ์ (k _d) และอินทิกรัล (k _i) ตัวควบคุม PID ได้รับการปรับแต่งสำหรับการปฏิเสธการรบกวนหมายถึงการอยู่ที่ setpoint ที่กำหนดและการติดตามคำสั่งซึ่งหมายความว่าหาก setpoint มีการเปลี่ยนแปลงเอาต์พุตของคอนโทรลเลอร์จะเป็นไปตาม setpoint ใหม่ หากตัวควบคุมได้รับการปรับแต่งอย่างถูกต้องเอาต์พุตของคอนโทรลเลอร์จะเป็นไปตามค่าที่ตั้งไว้ของตัวแปรโดยมีการสั่นน้อยลงและมีการหน่วงน้อยลง

มีหลายวิธีในการปรับแต่งคอนโทรลเลอร์ PIDและรับการตอบสนองที่ต้องการ วิธีการปรับจูนคอนโทรลเลอร์มีดังต่อไปนี้

วิธีการลองผิดลองถูก
เทคนิคเส้นโค้งปฏิกิริยาของกระบวนการ
วิธี Ziegler-Nichols
วิธีการถ่ายทอด
การใช้ซอฟต์แวร์

1. วิธีการทดลองและข้อผิดพลาด:

วิธีการลองผิดลองถูกเรียกอีกอย่างว่าวิธีการปรับแต่งด้วยตนเองและวิธีนี้เป็นวิธีที่ง่ายที่สุด ในวิธีนี้ก่อนอื่นให้เพิ่มค่า kp จนกว่าระบบจะถึงการตอบสนองแบบสั่น แต่ระบบไม่ควรทำให้ไม่เสถียรและคงค่า kd และ ki ศูนย์ไว้ หลังจากนั้นตั้งค่า ki ในลักษณะที่การสั่นของระบบจะหยุดลง หลังจากนั้นตั้งค่า kd สำหรับการตอบสนองที่รวดเร็ว

2. เทคนิคเส้นโค้งปฏิกิริยากระบวนการ:

วิธีนี้เรียกอีกอย่างว่าวิธีการปรับแต่งโคเฮน - คูน ในวิธีนี้ก่อนอื่นให้สร้างเส้นโค้งปฏิกิริยาของกระบวนการเพื่อตอบสนองต่อการรบกวน โดยเส้นโค้งนี้เราสามารถคำนวณมูลค่าของการเพิ่มของคอนโทรลเลอร์เวลาอินทิกรัลและเวลาอนุพันธ์ เส้นโค้งนี้ถูกระบุโดยดำเนินการด้วยตนเองในการทดสอบขั้นตอนวงเปิดของกระบวนการ พารามิเตอร์โมเดลสามารถค้นหาได้โดยการรบกวนเปอร์เซ็นต์ขั้นตอนเริ่มต้น จากเส้นโค้งนี้เราต้องหา slop เวลาตายและเวลาเพิ่มขึ้นของเส้นโค้งซึ่งไม่มีค่าอะไรเลยนอกจากค่าของ kp, ki และ kd

3. วิธี Zeigler-Nichols:

ในวิธีนี้ให้ตั้งค่า ki และ kd zero ก่อน กำไรตามสัดส่วน (kp) จะเพิ่มขึ้นจนกว่าจะถึงค่าสูงสุด (ku) กำไรสูงสุดคืออะไร แต่เป็นกำไรที่เอาต์พุตของลูปเริ่มแกว่ง ku และระยะเวลาการสั่นนี้ Tu ใช้เพื่อรับอัตราขยายของคอนโทรลเลอร์ PID จากตารางด้านล่าง

ประเภทของคอนโทรลเลอร์	kp	k _ผม	kd
ป	0.5 กิโล_ยู
PI	0.45 กิโล_{วัตต์}	0.54 k _u / T _u
PID	0.60 กิโล_{วัตต์}	1.2 k _u / T _u	3 k _u T _u / 40

4. วิธีการถ่ายทอด:

วิธีนี้เรียกอีกอย่างว่าวิธี Astrom-Hugglund ที่นี่เอาต์พุตจะถูกสลับระหว่างค่าสองค่าของตัวแปรควบคุม แต่ค่าเหล่านี้จะถูกเลือกในลักษณะที่กระบวนการต้องข้าม setpoint เมื่อตัวแปรกระบวนการน้อยกว่า setpoint เอาต์พุตควบคุมจะถูกตั้งค่าเป็นค่าที่สูงกว่า เมื่อค่าของกระบวนการมากกว่า setpoint เอาต์พุตควบคุมจะถูกตั้งค่าเป็นค่าที่ต่ำกว่าและรูปคลื่นเอาต์พุตจะเกิด ระยะเวลาและแอมพลิจูดของรูปคลื่นการสั่นนี้ถูกวัดและใช้เพื่อกำหนดค่า ku และระยะเวลา Tu สูงสุดซึ่งใช้ในวิธีการข้างต้น

5. การใช้ซอฟต์แวร์:

สำหรับการปรับ PID และการเพิ่มประสิทธิภาพลูปจะมีแพ็คเกจซอฟต์แวร์ โปรแกรมสำเร็จรูปเหล่านี้รวบรวมข้อมูลและสร้างแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ของระบบ โดยรุ่นนี้ซอฟต์แวร์จะค้นหาพารามิเตอร์การปรับแต่งที่เหมาะสมที่สุดจากการเปลี่ยนแปลงอ้างอิง

โครงสร้างของตัวควบคุม PID:

ตัวควบคุม PID ได้รับการออกแบบโดยใช้เทคโนโลยีไมโครโปรเซสเซอร์ ผู้ผลิตที่แตกต่างกันใช้โครงสร้างและสมการ PID ที่แตกต่างกัน สมการ PID ที่ใช้บ่อยที่สุดได้แก่ ขนานเหมาะและชุดสม PID

ในสมการ PID แบบขนานการกระทำตามสัดส่วนอินทิกรัลและอนุพันธ์กำลังทำงานแยกกันและรวมผลของการกระทำทั้งสามนี้จะกระทำในระบบ แผนภาพบล็อกของ PID ประเภทนี้มีดังที่แสดงด้านล่าง

ในสมการ PIDในอุดมคติค่าคงที่ k _pจะกระจายไปยังทุกเทอม ดังนั้นการเปลี่ยนแปลง k _{p จึง}ส่งผลต่อคำศัพท์อื่น ๆ ทั้งหมดในสมการ

ในสมการ PID แบบอนุกรมค่าคงที่ k _pจะถูกกระจายไปยังคำศัพท์ทั้งหมดเหมือนกับสมการ PID ในอุดมคติ แต่ในสมการอินทิกรัลและค่าคงที่อนุพันธ์นี้มีผลต่อการกระทำตามสัดส่วน

การใช้งานตัวควบคุม PID:

การควบคุมอุณหภูมิ:

ให้เรายกตัวอย่าง AC (เครื่องปรับอากาศ) ของโรงงาน / กระบวนการใด ๆ Setpoint คืออุณหภูมิ (20 ͦ C) และอุณหภูมิปัจจุบันที่วัดได้โดยเซ็นเซอร์คือ 28 28 C เป้าหมายของเราคือเรียกใช้ AC ที่อุณหภูมิที่ต้องการ (20 ͦ C) ตอนนี้ตัวควบคุม AC สร้างสัญญาณตามข้อผิดพลาด (8 ͦ C) และสัญญาณนี้จะมอบให้กับ AC ตามสัญญาณนี้เอาต์พุตของ AC จะเปลี่ยนไปและอุณหภูมิลดลงเป็น 25 to C กระบวนการเดียวกันจะทำซ้ำจนกว่าเซ็นเซอร์อุณหภูมิจะวัดอุณหภูมิที่ต้องการ เมื่อข้อผิดพลาดเป็นศูนย์คอนโทรลเลอร์จะให้คำสั่งหยุดกับ AC และอีกครั้งอุณหภูมิจะเพิ่มขึ้นถึงค่าที่กำหนดและข้อผิดพลาดอีกครั้งจะสร้างขึ้นและทำกระบวนการเดียวกันซ้ำอย่างต่อเนื่อง

การออกแบบตัวควบคุมการชาร์จ MPPT (การติดตามจุดพลังงานสูงสุด) สำหรับ Solar PV:

ลักษณะ IV ของเซลล์ PV ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิและระดับการฉายรังสี ดังนั้นแรงดันไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้าจะเปลี่ยนไปเรื่อย ๆ ตามการเปลี่ยนแปลงของสภาพบรรยากาศ ดังนั้นจึงเป็นเรื่องสำคัญมากในการติดตามจุดจ่ายไฟสูงสุดสำหรับระบบ PV ที่มีประสิทธิภาพ ในการค้นหา MPPT จะใช้ตัวควบคุม PID และสำหรับค่ากระแสและแรงดันไฟฟ้านั้นจะถูกกำหนดให้กับคอนโทรลเลอร์ หากสภาพบรรยากาศเปลี่ยนไปตัวติดตามนี้จะรักษาแรงดันไฟฟ้าและกระแสคงที่

ตัวแปลงอิเล็กทรอนิกส์กำลัง:

ตัวควบคุม PID มีประโยชน์มากที่สุดในแอปพลิเคชั่นอิเล็กทรอนิกส์กำลังเช่นตัวแปลง หากตัวแปลงเชื่อมต่อกับระบบตามการเปลี่ยนแปลงของโหลดเอาต์พุตของตัวแปลงจะต้องเปลี่ยนไป ตัวอย่างเช่นอินเวอร์เตอร์เชื่อมต่อกับโหลดถ้าโหลดเพิ่มกระแสมากขึ้นจะไหลจากอินเวอร์เตอร์ ดังนั้นพารามิเตอร์แรงดันและกระแสไม่ได้รับการแก้ไขจะเปลี่ยนแปลงตามความต้องการ ในเงื่อนไขนี้ตัวควบคุม PID จะใช้เพื่อสร้างพัลส์ PWM สำหรับการเปลี่ยน IGBT ของอินเวอร์เตอร์ ตามการเปลี่ยนแปลงของโหลดสัญญาณตอบรับจะถูกส่งไปยังคอนโทรลเลอร์และจะสร้างข้อผิดพลาด พัลส์ PWM ถูกสร้างขึ้นตามสัญญาณข้อผิดพลาด ดังนั้นในเงื่อนไขนี้เราจะได้รับอินพุตตัวแปรและเอาต์พุตตัวแปรด้วยอินเวอร์เตอร์เดียวกัน