什么是PID控制器:工作原理及其应用

As the name suggests, this article is going to give a precise idea about the structure and working of the PID controller. However going into details, let us get an introduction about PID controllers. PID controllers are found in a wide range of applications for industrial process control. Approximately 95% of the closed-loop operations of the工业自动化扇区采用PID控制器。PID代表比例积分微分。这三个控制器以产生控制信号的方式组合在一起。作为一个反馈控制器,它提供了所需水平的控制输出。在微处理器发明之前,PID控制是通过模拟电子元件来实现的。但是今天所有的PID控制器都是由微处理器来处理的。Programmable logic controllersalso have the inbuilt PID controller instructions. Due to the flexibility and reliability of the PID controllers, these are traditionally used in process control applications.

什么是PID控制器?

PID代表比例积分微分,它是一种在工业应用中用来控制压力、流量、温度和速度等不同过程变量的装置。该控制器采用控制回路反馈装置对所有过程变量进行调节。


This type of control is used to drive a system in the direction of an objective location otherwise level. It is almost everywhere for temperature control and used in scientific processes, automation & myriad chemical. In this controller, closed-loop feedback is used to maintain the real output from a method like close to the objective otherwise output at the fixe point if possible. In this article, the PID controller design with control modes used in them like P, I & D are discussed.

历史

PID控制器的发展历史是1911年,Elmer-Sperry开发了第一个PID控制器。在那之后,TIC(泰勒仪器公司)在1933年实现了一个以前的完全可调的气动控制器。几年后,控制工程师通过将末端重新调谐到某个假值,直到误差不为零,消除了比例控制器中存在的稳态误差。

这重调包括错误被称为the proportional-Integral controller. After that, in the year 1940, the first pneumatic PID controller was developed through a derivative action to reduce overshooting problems.

In 1942, Ziegler & Nichols have introduced tuning rules to discover and set the suitable parameters of PID controllers by the engineers. At last, automatic PID controllers were extensively used in industries in the mid of 1950.


PID Controller Block Diagram

像PID控制器这样的闭环系统包括一个反馈控制系统。该系统使用一个固定点来评估反馈变量,从而生成错误信号。在此基础上,改变系统输出。此过程将继续,直到误差达到零,否则反馈变量的值将等效于一个固定点。

This controller provides good results as compared with the ON/OFF type controller. In the ON/OFF type controller, simply two conditions are obtainable to manage the system. Once the process value is lower than the fixed point, then it will turn ON. Similarly, it will turn OFF once the value is higher than a fixed value. The output is not stable in this kind of controller and it will swing frequently in the region of the fixed point. However, this controller is more steady & accurate as compared to the ON/OFF type controller.


Working of PID controller
Working of PID controller

PID控制器的工作原理

通过使用低成本的简单开关控制器,只有两种控制状态是可能的,如完全打开或完全关闭。它用于有限的控制应用,其中这两种控制状态足以满足控制目标。然而,这种控制的振荡特性限制了它的使用,因此它正被PID控制器所取代。

PID控制器maintains the output such that there is zero error between the process variable and setpoint/ desired output by closed-loop operations. PID uses three basic control behaviors that are explained below.

P- Controller

比例或P控制器给出的输出与电流误差e(t)成比例。它将期望值或设定值与实际值或反馈过程值进行比较。由此产生的误差乘以比例常数得到输出。如果误差值为零,则控制器输出为零。

P控制器
P控制器

单独使用时,此控制器需要偏置或手动复位。这是因为它从未达到稳定状态。它提供稳定的操作,但始终保持稳态误差。当比例常数Kc增加时,响应速度增加。

P控制器响应
P控制器响应

I-Controller

由于p-控制器的局限性,在过程变量和设定点之间总是存在一个偏差,因此需要I-控制器来消除稳态误差。它对一段时间内的误差进行积分,直到误差值为零。它将值保存到最终控制装置,误差为零。

PI控制器
PI控制器

当负误差发生时,积分控制减小其输出。它限制了系统的响应速度,影响了系统的稳定性。通过减小积分增益Ki来提高响应速度。

PI控制器响应
PI控制器响应

In the above figure, as the gain of the I-controller decreases, the steady-state error also goes on decreasing. For most of the cases, the PI controller is used particularly where the high-speed response is not required.

While using the PI controller, I-controller output is limited to somewhat range to overcome the整体收尾由于对象的非线性,即使在零误差状态下,积分输出仍继续增加的条件。

D控制器

I-controller不具备预测未来错误行为的能力。所以一旦设定点改变,它就会正常反应。D控制器通过预测错误的未来行为来克服这个问题。它的输出取决于误差随时间的变化率乘以导数常数。它为输出提供启动,从而增加系统响应。

PID控制器
PID控制器

在上图D的响应中,与PI控制器相比,控制器更多,并且输出的稳定时间也减少。通过补偿I控制器引起的相位滞后,提高了系统的稳定性。增加导数增益可以提高响应速度。

PID控制器响应
PID控制器响应

最后我们观察到,通过组合这三个控制器,我们可以得到系统的期望响应。不同厂家设计了不同的PID算法。

Types of PID Controller

PID控制器分为三种类型,如开/关、比例和标准型控制器。这些控制器都是基于控制系统使用的,用户可以通过控制器来调节方法。

ON/OFF Control

开关控制方法是用于温度控制的最简单类型的装置。设备输出可能在无中心状态下开启/关闭。一旦温度超过固定点,这个控制器就会打开输出。限位控制器是一种特殊的开/关控制器,它使用闭锁继电器。此继电器手动复位,用于在达到特定温度后关闭方法。

比例控制

这种控制器的设计是为了消除通过开/关控制连接的循环。一旦温度达到固定点,PID控制器将减少向加热器提供的正常功率。

这个控制器有一个特点,控制加热器,使它不会超过固定点,但它将达到固定点,以保持稳定的温度。
This proportioning act can be achieved through switching ON & OFF the output for small time periods. This time proportioning will change the ratio from ON time to OFF time for controlling the temperature.

标准型PID控制器

这种PID控制器将比例控制与积分微分控制相结合,自动辅助机组补偿系统内的变化。这些修改,积分和微分是以时间为单位表示的。

这些控制器也通过它们的往复、速率和相应的重置来引用。PID的各项参数必须单独调整,否则就要根据具体的系统进行调整,既有试验,也有误差。这些控制器将提供3种控制器中最精确和稳定的控制。

实时PID控制器

目前市场上有各种各样的PID控制器。这些控制器用于压力、温度、液位和流量等工业控制要求。一旦这些参数通过PID控制,就可以使用单独的PID控制器或PLC。
在需要检查一个或两个回路的情况下,以及在通过较大系统进入的权利复杂的情况下,采用这些单独的控制器。

这些控制装置为单回路和双回路控制提供了不同的选择。独立型PID控制器提供了几个定点配置,以产生自主的多个报警。
这些独立控制器主要包括霍尼韦尔的PID控制器、横河的温度控制器、欧米茄、西门子和ABB控制器的自动调谐控制器。

在大多数工业控制应用中,可编程逻辑控制器与PID控制器一样使用。PID模块的排列可以在PACs或PLC中完成,以便为精确的PLC控制提供更好的选择。与单独的控制器相比,这些控制器既聪明又强大。每个PLC都包括软件编程中的PID块。

Tuning Methods

在PID控制器工作之前,必须对其进行调整,以适应被控制过程的动态。设计人员为P、I和D项提供默认值,这些值不能提供所需的性能,有时会导致不稳定和控制性能缓慢。针对PID控制器的整定问题,提出了不同的整定方法,要求操作者在选择比例、积分和微分增益的最佳值时给予足够的重视。下面给出了其中一些。

PID控制器s are used in most industrial applications but one should know the settings of this controller to adjust it correctly to generate the preferred output. Here, tuning is nothing but the procedure of receiving an ideal reply from the controller through setting best proportional gains, integral & derivative factors.

PID控制器的期望输出可以通过调节控制器来获得。有不同的技术可以从控制器获得所需的输出,如试错、Zeigler-Nichols和过程反应曲线。最常用的方法是试错法、Zeigler-Nichols法等。

Trial and Error Method:It is a simple method of PID controller tuning. While the system or controller is working, we can tune the controller. In this method, first, we have to set Ki and Kd values to zero and increase the proportional term (Kp) until the system reaches oscillating behavior. Once it is oscillating, adjust Ki (Integral term) so that oscillations stop and finally adjust D to get a fast response.

过程反应曲线技术:这是一种开环调谐技术。当阶跃输入应用于系统时,它产生响应。最初,我们必须手动将一些控制输出应用于系统,并记录响应曲线。

之后,我们需要计算曲线的斜率、死区时间和上升时间,最后将这些值代入P、I和D方程中,得到PID项的增益值。

过程反应曲线
过程反应曲线

Zeigler-Nichols方法:Zeigler-Nichols提出了整定PID控制器的闭环方法。它们是连续循环法和阻尼振荡法。两种方法的步骤相同,但振荡行为不同。在这里,首先,我们必须设置p控制器常数Kp为一个特定值,而Ki和Kd值为零。比例增益增加,直到系统以恒定振幅振荡。

系统产生恒定振荡的增益称为极限增益(Ku),振荡周期称为极限周期(Pc)。一旦达到该值,我们可以通过Zeigler-Nichols表在PID控制器中输入P、I和D的值,具体取决于所使用的控制器,如P、PI或PID,如下所示。

Zeigler-Nichols表
Zeigler-Nichols表

PID控制器结构

PID控制器由三项组成,即比例控制、积分控制和微分控制。这三个控制器的联合操作为过程控制提供了一种控制策略。PID控制器控制过程变量,如压力、速度、温度、流量等。一些应用程序在级联网络中使用PID控制器,其中两个或多个PID用于实现控制。

PID控制器的结构
PID控制器的结构

上图显示了PID控制器的结构。它由一个PID块组成,PID块将其输出提供给进程块。过程/装置包括最终控制装置,如执行机构、控制阀和其他控制装置,以控制工业/装置的各种过程。

将来自过程装置的反馈信号与设定点或参考信号u(t)进行比较,并将相应的误差信号e(t)反馈给PID算法。根据算法中的比例、积分和微分控制计算,控制器产生一个组合响应或控制输出,应用于工厂控制装置。

所有的控制应用程序不需要全部三个控制元素。像PI和PD控制这样的组合在实际应用中非常常用。

应用

The PID controller applications include the following.

最佳的PID控制器应用是温度控制,其中控制器使用温度传感器的输入&其输出可以与风扇或加热器等控制元件相关联。一般来说,这个控制器只是温度控制系统中的一个元件。在选择合适的控制器时,必须对整个系统进行检查和考虑。

Temperature Control of Furnace

一般来说,熔炉是用来包括加热,以及持有大量的原材料在巨大的温度。通常情况下,所占用的材料包含一个巨大的质量。因此,它需要很大的惯性&即使施加了巨大的热量,材料的温度也不会迅速变化。这一特性产生一个中等稳定的PV信号,允许导数周期有效地校正故障,而不会对FCE或CO产生极端变化。

MPPT充电控制器

光伏电池的伏安特性主要取决于温度范围和辐照度。根据天气情况,电流和工作电压将不断变化。因此,跟踪高效光伏系统的最高运行效率具有十分重要的意义。PID控制器是通过给PID控制器给定固定的电压和电流点来寻找最大功率点。一旦天气状况发生变化,跟踪器就会保持电流和电压稳定。

电力电子变换器必威网址下载

变频器是电力电子技术的一个应用领域,因此在变频器中主要采用PID控制器。当一个转换器通过一个基于负载必威网址下载变化的系统时,那么转换器的输出就会改变。例如,逆变器与负载相连,一旦负载增加,就会产生巨大的电流。因此,电压和电流的参数并不稳定,但会根据需要而改变。

在此状态下,该控制器将生成PWM信号以激活逆变器的IGBT。根据负载的变化,将响应信号提供给PID控制器,使其产生n个误差。这些信号是根据故障信号产生的。在这种状态下,我们可以通过一个类似的逆变器获得可变的输入输出。

PID控制器的应用:无刷直流电动机的闭环控制

PID控制器接口

PID控制器的设计和接口可以使用Arduino微控制器完成。在实验室中,采用ARDUINO UNIO板、电子元器件、热电冷却器设计了基于ARDUIO的PID控制器,而该系统中使用的软件编程语言是C或C++。该系统用于控制实验室内的温度。

The parameters of PID for a specific controller are found physically. The function of various PID parameters can be implemented through the subsequent contrast between different forms of controllers.
该接口系统可以有效地计算温度,误差为±0.6℃,而恒温调节只需与优选值相差很小。该系统中使用的概念将提供廉价且精确的技术,以便在实验室内管理首选范围内的物理参数。

因此,本文对PID控制器进行了概述,包括历史、框图、结构、类型、工作原理、整定方法、接口、优点和应用。我们希望能够提供有关PID控制器的基本但精确的知识。给大家一个简单的问题。在不同的整定方法中,哪种方法更适合实现PID控制器的最佳工作?为什么?

请您在下面的评论部分给出答案。

Photo Credits

PID控制器框图维基媒体
PID控制器结构、P控制器、P控制器响应和PID控制器blog.opticontrols
P–控制器响应控件.引擎.umich
PI控制器响应m、 eet公司
PID控制器响应维基媒体
Zeigler-Nichols表by控制.eng

8条评论

  1. Waris Shaheen上尉 说:

    电气工程师信息网页。

  2. GC Jyothi Prasanna 说:

    Thank you sir it was really useful.
    我有一个疑问-“我们应该如何获得最终收益(Ku)和最终周期(Pc)值?我们需要用特殊的仪器来测量这些数值吗?我们应该如何把它和自动平衡机器人联系起来?

  3. 索姆杜特阿查里亚 说:

    This article is very useful to understand the basic concept. I thank you for this. I wish i could also get one article based on Thermocouple!!

  4. 迪皮卡 说:

    I really liked your article , your article is very
    使我在学习过程中僵化并提供
    给我额外的知识,也许我能学到
    更多来自你,你也可以看看这也是一个很好的博客

  5. 格尔迪安·辛格 说:

    It was explained in simple ways. Found it useful

  6. 苏德尔库马尔 说:

    很有帮助,简单明了。你能不能用PI、PID调节等例子来说明如何改变P、I&D值,这样会更有帮助。

  7. kali 说:

    谢谢,先生,真的很有用。。

添加注释