什么是PID控制器:工作及其应用

正如名字所暗示的,这篇文章将会给有关PID控制器的结构和工作精确的想法。然而进入细节,让我们得到关于PID控制器的介绍。PID控制器在广泛的用于工业过程控制应用中发现的。的闭环操作的大约95%工业自动化扇区使用PID控制器。PID代表比例 - 积分 - 微分。这些三个控制器被结合在这样一种方式,它产生一控制信号。作为反馈控制器,它提供了在所需水平的控制输出。前微处理器被发明,PID控制是由模拟电子组件来实现。但今天所有的PID控制器由微处理器处理。可编程逻辑控制器还具有内置的PID控制器的指令。由于PID控制器的灵活性和可靠性,这些传统上在过程控制应用中。

什么是PID控制器?

术语PID表示比例积分微分,它是一种用来控制不同的过程变量等的压力,流量,温度和速度在工业应用中的装置。在这种控制器中,控制环路反馈装置用于调节所有的过程变量。


这种类型的控制来驱动的系统中的物镜的位置,否则水平的方向。这几乎是无处不在的温度控制和科学的作业流程,自动化和无数化学使用。在该控制器的闭环反馈用于保持从像靠近否则目标输出在定势点如果可能的方法的实际输出。在这篇文章中,讨论了PID控制器设计与其中使用像P,I&d控制模式。

历史

PID控制器的历史,在1911年,第一PID控制器是由埃尔默斯佩里开发。在那之后,TIC(泰勒仪器公司)实施前气动控制器与在year1933完全可调。几年后,控制工程师删除了通过重新调整结束一些假值比例控制器中发现,直到错误不是零稳态误差。

这个重新调谐包含已知作为比例积分控制器的误差。之后,在1940年,第一气动PID控制器通过衍生诉讼开发,以减少超调的问题。

1942年,齐格勒&尼科尔斯引入了整定规则来发现和由工程师设定PID控制器的合适的参数。最后,自动PID控制器在行业被广泛地使用在1950年的中期。


PID控制器框图

像一个PID控制器的闭环系统包括反馈控制系统。该系统评估使用固定点,以产生误差信号反馈变量。在此基础上,它会改变系统输出。这个过程将继续直到误差达到零否则反馈变量的值变成等于一个固定点。

此控制器提供了很好的结果与ON / OFF类型的控制器相比。在ON / OFF类型的控制器,只需两个条件可获得来管理系统。一旦该过程值大于固定点低,那么它会变成ON。类似地,将关断一次的值大于一个固定值。输出不太稳定在这种控制器,它会在固定点的区域频繁摆动。然而,相比于ON / OFF类型的控制器此控制器更稳定&准确。

PID控制器的工作
PID控制器的工作

PID控制器的工作

通过使用低成本的简单的ON-OFF控制装置,只有两个控制状态是可能的,就像完全接通或完全关断。它用于其中这些两个控制状态是足够的控制目标的一个有限的控制应用程序。然而振荡该控制的性质限制了它的使用,因此它是由PID控制器所取代。

PID控制器维持输出,使得有所述过程变量和设定值/期望的输出通过闭环操作之间的零误差。PID使用了解释如下三个基本控制行为。

P-控制器

比例或P-控制器给出了一个输出,该输出正比于当前误差e(t)的。它比较与实际值或反馈过程值的期望的或设定点。所产生的误差乘以比例常数以获得输出。如果误差值是零,则该控制器输出是零。

P-控制器
P-控制器

单独使用时,该控制器需要偏压或手动复位。这是因为它从来没有达到稳定状态。它提供了稳定的运行,但始终保持稳态误差。响应的速度增加比例常数Kc时增加。

P-Controller响应
P-Controller响应

I-控制器

由于对控制器那里总是存在一个过程变量和设定点之间的偏移量的限制,需要I控制器,它提供了必要的行动,以消除稳态误差。这一段时间,直到误差值为零时集成了错误。它保存的值,以在该误差为零的最终控制装置。

PI控制器
PI控制器

当负错误发生整体控制降低其输出。它限制响应的速度,并影响系统的稳定性。响应的速度提高通过减少积分增益,奇。

比例积分控制器响应
比例积分控制器响应

另外,在上述图中,作为I-控制器的增益减小时,稳态误差也进入下降。对于大多数的情况下,PI控制器被用来特别是在不要求高速响应。

当使用PI控制器,I-控制器输出被限制在一定程度的范围内,以克服积分饱和由于被测对象的非线性,即使在零误差状态,积分输出仍在增加的条件。

d-控制器

I-controller不具备预测未来错误行为的能力。所以一旦设定值改变,它会正常反应。d控制器通过预测误差的未来行为克服了这个问题。它的输出取决于误差随时间的变化率,再乘以导数常数。它提供了踢启动的输出,从而增加系统响应。

PID控制器
PID控制器

在d的上图中响应,所述控制器被更多,相对于PI控制器,并且输出也稳定时间被减小。它通过补偿由I-控制器相位滞后提高了系统的稳定性。增大微分增益增大响应速度。

PID控制器响应
PID控制器响应

所以最后我们发现这三个控制器相结合,我们可以得到系统所需的响应。不同的厂商设计不同的PID算法。

PID控制器的类型

PID控制器分为三种类型,如开/关,比例,和标准类型控制器。这些控制器都是基于控制系统而使用的,用户可以用控制器来调节的方法。

ON / OFF控制

通 - 断控制方法是用于温度控制装置的最简单的类型。该装置输出可以是ON /通过无中心状态OFF。简单地一旦温度越过固定点此控制器将接通输出。限值控制器是一个特殊类型的ON / OFF控制器使用一个自锁继电器。这个继电器复位手动和使用一次一定温度达到关闭的方法。

比例控制

这种控制器的设计,以除去其通过ON / OFF控制连接在骑自行车。一旦温度达到固定点,该PID控制器将降低其向加热器供给的正常功率。

此控制器具有一个特征,以控制加热器,使得其不会超过固定点但它会到达固定点,以保持稳定的温度。
这种配比动作可以通过开关ON&OFF输出为小时间周期来实现。这个时间比例将改变从ON时间到关闭时间的比率以控制温度。

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,自动辅助单元对系统内的变化进行补偿。这些修改,积分和导数都是以时间为单位表示的。

这些控制器通过其倒数,RATE&RESET也称为相应。PID的条款必须单独调节否则调谐到一个特定的系统与试验以及错误。这些控制器将提供3种类型的控制器的最精确和稳定的控制。

实时PID控制器的

目前,有各种的PID控制器在市场上是可用的。这些控制器用于相同的压力,温度,电平,和流量的工业控制要求。一旦这些参数是通过PID控制,选择包括利用单独的PID控制器或PLC任一。
无论一个否则需要两个环路以及在无论它是复杂的条目的通过较大的系统右边的条件,否则控制进行检查这些单独的控制器被采用。

这些控制装置为单回路和双回路控制提供了不同的选择。独立的类型PID控制器提供几个定点配置,以产生自治的几个报警。
这些独立的控制器主要包括从霍尼韦尔PID控制器,从横河温度控制器,从OMEGA,西门子自动调谐控制器,和ABB控制器。

PLC像PID控制器一样在大多数工业控制应用中被使用,PID块的安排可以在PACs或PLC中完成,为精确的PLC控制提供更好的选择。与单独的控制器相比,这些控制器更智能,也更强大。每个PLC在软件编程中都包含PID模块。

调整方法

PID控制器的工作发生之前,必须进行调整以适合与要控制的过程的动态。设计师给出的默认值P,I,和d而言,这些值不能得到所需要的性能,有时会导致不稳定和缓慢的控制性能。不同类型的整定方法的开发,以调整PID控制器和需要多加注意,从操作者选择比例,积分,微分增益的最佳值。其中的一些在下面给出。

PID控制器在大多数工业应用中使用,但应该知道该控制器的设置,以正确地对其进行调整以产生该优选输出。这里,调谐无非是通过设置最佳的比例增益,积分和微分系数从控制器接收一个理想的答复过程。

通过对PID控制器的整定,可以得到PID控制器的理想输出。有不同的技术可以从控制器得到所需的输出,如试验与错误,齐格勒-尼科尔斯和过程反应曲线。最常用的方法是试错法、Zeigler-Nichols法等。

试错法:它是PID控制器整定的简单方法。当系统或控制器的工作,我们可以调节控制器。在该方法中,首先,我们必须设置Ki和Kd值为零并增加比例项(KP)直到系统达到振荡行为。一旦振荡,调整KI(积分项),使振荡停止并最终调整d得到快速响应。

过程中的反应曲线技术:这是一种开环调谐技术。当阶跃输入应用于系统时,它产生一个响应。首先,我们必须手动对系统施加一些控制输出,并记录响应曲线。

在那之后,我们需要计算斜率,死区时间,曲线的上升时间,终于在替换P,I,和d方程式这些值来获得PID方面的增益值。

过程的反应曲线
过程的反应曲线

齐格勒 - 尼科尔斯方法:齐格勒 - 尼提出用于调谐PID控制器的闭环方法。这些是连续循环的方法和阻尼振荡的方法。两种方法的过程是相同的,但振荡行为是不同的。在此,首先,我们必须在p控制器恒定,KP设置为特定值,而Ki和Kd值是零。比例增益以恒定的幅度增加,直到系统振荡。

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,我们可以在PID控制器的Zeigler-Nichols表中输入P, I, D的值,取决于所使用的控制器如P, PI或PID,如下图所示。

齐格勒 - 尼科尔斯表
齐格勒 - 尼科尔斯表

PID控制器的结构

PID控制器包括三个方面,即比例,积分和微分控制。这三个控制器的组合操作给出用于过程控制的控制策略。PID控制器操纵像压力,速度,温度,流量等。一些应用程序的过程变量使用级联网络PID控制器,其中两个或更多个PID的用于实现控制。

PID控制器的结构
PID控制器的结构

上述图显示了PID控制器的结构。它由一个PID块这给它的输出到过程块。过程/工厂由像致动器,控制阀和其它控制装置来控制工业/植物的各种处理的最终控制装置。

将来自过程工厂的反馈信号与设定值或参考信号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所有这三个控制元素。像PI和PD控制这样的组合经常在实际应用中使用。

应用

PID控制器的应用程序包括以下。

最好PID控制器的应用是其中所述控制器使用温度传感器和它的输出的输入端可以被联合起来像风扇或加热器的控制元件的温度控制。通常,该控制器是在简单的温度控制系统的一个元件。整个系统必须也同时选择合适的控制器考虑检查。

炉温度控制

通常,使用炉包括加热以及保持原料中的巨大的温度下一个巨大的量。该材料所占据,包括巨大的肿块,通常。因此,它需要的惯性高的量&的材料的温度也不会急剧改变,即使巨大施加热。在适度稳定PV信号这一特征的结果&允许衍生期间有效地正确进行故障而不极端变化到要么FCE或CO。

MPPT充电控制器

一个光伏电池的V-I特性主要取决于温度以及辐照度的范围内。根据天气情况,当前和工作电压会不断变化。所以,这是非常显著跟踪高效的光伏系统的最高PowerPoint文件。PID控制器用于通过给定的电压和电流点到PID控制器发现MPPT。一旦天气条件改变,则跟踪器维持电流和电压稳定。

电力电子转换器必威网址下载

我们知道,变频器是电力电子技术的应用,使一个PID控制器在转换器大多采用。必威网址下载每当一个转换器是通过基于负载范围内变化的系统结盟,那么转换器的输出将被改变。例如,逆变器结盟与负载;一旦负荷增加巨大的电流供应。因此,电压参数,以及当前并不稳定,但它会改变根据的要求。

在此状态下,控制器会产生PWM信号来激活逆变器的igbt。根据负载内的变化,将响应信号提供给PID控制器,使其产生n个误差。这些信号是基于故障信号生成的。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和输出。

PID控制器的应用:闭环控制的直流无刷电机

PID控制器接口

设计和PID控制器的接口可使用的Arduino微控制器来完成。在实验室中,将基于Arduino PID控制器使用的Arduino UNO板,电子元件,热电冷却器设计,而在本系统中使用的软件的编程语言是C或者C ++。该系统用于控制实验室内的温度。

PID的特定控制器的参数是物理找到。各个PID参数的功能可以通过不同的形式的控制器之间的随后的对比度来实现。
从达到最佳值。该接口系统可以有效地通过简单地一个小的差异计算通过的±0.6℃,而恒定的温度时调节的误差的温度。在该系统中使用的概念将提供廉价的,以及精确的技术在实验室内的优选范围管理物理参数。

因此,本文讨论了PID控制器的概述,包括历史,框图,结构,类型,工作,调谐方法,接口,优点和应用。我们希望我们已经能够提供关于PID控制器的基本而精确的知识。这里有一个简单的问题要问大家。在不同的调节方法中,哪一种方法最好被用来实现PID控制器的最佳工作,为什么?

请你到好心给你的答案在下面的评论部分。

图片来源

由PID控制器框图维基媒体
PID控制器的结构,P-控制器,P - 控制器响应&PID控制器通过blog.opticontrols
P控制器响应通过controls.engin.umich
通过PI-控制器响应遇到
由PID控制器响应维基媒体
齐格勒 - 尼科尔斯由表controls.engin

8条评论

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  2. GC此Jyothi人员Prasanna 说:

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