Che cos'è un controller PID: funzionamento e le sue applicazioni

Come suggerisce il nome, questo articolo darà un'idea precisa della struttura e del funzionamento del controller PID. Tuttavia, entrando nei dettagli, vediamo un'introduzione sui controller PID. I controllori PID si trovano in un'ampia gamma di applicazioni per il controllo dei processi industriali. Circa il 95% delle operazioni a circuito chiuso di automazione industriale settore utilizza controllori PID. PID sta per Proporzionale-Integrale-Derivato. Questi tre controller sono combinati in modo tale da produrre un segnale di controllo. Come controller di feedback, fornisce l'uscita di controllo ai livelli desiderati. Prima dell'invenzione dei microprocessori, il controllo PID era implementato dai componenti elettronici analogici. Ma oggi tutti i controller PID vengono elaborati dai microprocessori. Controllori logici programmabili hanno anche le istruzioni del controller PID integrate. Grazie alla flessibilità e all'affidabilità dei controllori PID, questi vengono tradizionalmente utilizzati nelle applicazioni di controllo di processo.

Cos'è un controller PID?

Il termine PID sta per derivata integrale proporzionale ed è un tipo di dispositivo utilizzato per controllare diverse variabili di processo come pressione, flusso, temperatura e velocità nelle applicazioni industriali. In questo controller, un dispositivo di feedback del loop di controllo viene utilizzato per regolare tutte le variabili di processo.

Questo tipo di controllo viene utilizzato per guidare un sistema in direzione di una posizione obiettivo altrimenti livellata. È quasi ovunque per il controllo della temperatura e viene utilizzato nei processi scientifici, nell'automazione e in una miriade di prodotti chimici. In questo controller, il feedback a circuito chiuso viene utilizzato per mantenere l'output reale da un metodo come vicino all'obiettivo, altrimenti l'output nel punto fisso se possibile. In questo articolo, viene discusso il design del controller PID con modalità di controllo utilizzate in essi come P, I e D.

Storia

La storia del controller PID è, nell'anno 1911, il primo controller PID è stato sviluppato da Elmer Sperry. Successivamente, TIC (Taylor Instrumental Company) è stato implementato un ex controller pneumatico con completamente sintonizzabile nell'anno1933. Dopo alcuni anni, gli ingegneri di controllo hanno rimosso l'errore di stato stazionario che si trova nei controller proporzionali risintonizzando l'estremità su un valore falso fino a quando l'errore non era zero.

Questa risintonizzazione includeva l'errore noto come controller proporzionale-integrale. Successivamente, nel 1940, il primo controllore PID pneumatico fu sviluppato attraverso un'azione derivativa per ridurre i problemi di overshooting.

Nel 1942, Ziegler & Nichols hanno introdotto regole di ottimizzazione per scoprire e impostare i parametri adatti dei controller PID da parte degli ingegneri. Alla fine, i controllori PID automatici furono ampiamente utilizzati nelle industrie a metà del 1950.

Diagramma a blocchi del controller PID

Un sistema a circuito chiuso come un controller PID include un sistema di controllo del feedback. Questo sistema valuta la variabile di feedback utilizzando un punto fisso per generare un segnale di errore. Sulla base di ciò, altera l'output del sistema. Questa procedura continuerà fino a quando l'errore non raggiunge lo zero altrimenti il ​​valore della variabile di feedback diventa equivalente a un punto fisso.

Questo controller fornisce buoni risultati rispetto al controller di tipo ON / OFF. Nel controllore di tipo ON / OFF sono ottenibili semplicemente due condizioni per la gestione dell'impianto. Una volta che il valore di processo è inferiore al punto fisso, si accenderà. Allo stesso modo, si spegnerà quando il valore è superiore a un valore fisso. L'uscita non è stabile in questo tipo di controller e oscillerà frequentemente nella regione del punto fisso. Tuttavia, questo controller è più stabile e preciso rispetto al controller di tipo ON / OFF.

Funzionamento del controller PID

Funzionamento del controller PID

Con l'uso di un semplice controller ON-OFF a basso costo, sono possibili solo due stati di controllo, come completamente ON o completamente OFF. Viene utilizzato per un'applicazione di controllo limitata in cui questi due stati di controllo sono sufficienti per l'obiettivo di controllo. Tuttavia la natura oscillante di questo controllo limita il suo utilizzo e quindi viene sostituito da controller PID.

Il controller PID mantiene l'uscita in modo tale che non vi sia alcun errore tra la variabile di processo e il setpoint / l'uscita desiderata mediante operazioni a circuito chiuso. PID utilizza tre comportamenti di controllo di base che vengono spiegati di seguito.

P- Controller

Il controller proporzionale o P fornisce un'uscita proporzionale all'errore di corrente e (t). Confronta il valore desiderato o impostato con il valore effettivo o il valore del processo di feedback. L'errore risultante viene moltiplicato per una costante proporzionale per ottenere l'output. Se il valore di errore è zero, l'uscita del controller è zero.

P-controller

Questo controller richiede la polarizzazione o il ripristino manuale se utilizzato da solo. Questo perché non raggiunge mai la condizione di stato stazionario. Fornisce un funzionamento stabile ma mantiene sempre l'errore di stato stazionario. La velocità della risposta aumenta all'aumentare della costante proporzionale Kc.

Risposta del controller P.

I-Controller

A causa della limitazione del controller p dove esiste sempre un offset tra la variabile di processo e il setpoint, è necessario il controller I, che fornisce l'azione necessaria per eliminare l'errore di stato stazionario. Integra l'errore per un periodo di tempo fino a quando il valore dell'errore non raggiunge lo zero. Mantiene il valore al dispositivo di controllo finale in cui l'errore diventa zero.

Controller PI

Il controllo integrale diminuisce la sua uscita quando si verifica un errore negativo. Limita la velocità di risposta e influisce sulla stabilità del sistema. La velocità della risposta aumenta diminuendo il guadagno integrale Ki.

Risposta del controller PI

Nella figura sopra, al diminuire del guadagno dell'I-controller, anche l'errore di stato stazionario continua a diminuire. Nella maggior parte dei casi, il controller PI viene utilizzato in particolare dove non è richiesta la risposta ad alta velocità.

Durante l'utilizzo del controller PI, l'uscita del controller I è limitata a un intervallo per superare il carica integrale condizioni in cui l'uscita integrale continua ad aumentare anche in stato di errore zero, a causa di non linearità dell'impianto.

D-Controller

I-controller non ha la capacità di prevedere il comportamento futuro dell'errore. Quindi reagisce normalmente una volta modificato il setpoint. D-controller risolve questo problema anticipando il comportamento futuro dell'errore. La sua uscita dipende dal tasso di variazione dell'errore rispetto al tempo, moltiplicato per la costante derivativa. Dà il calcio d'inizio per l'output aumentando così la risposta del sistema.

Controller PID

Nella figura sopra la risposta di D, il controller è maggiore, rispetto al controller PI, e anche il tempo di assestamento dell'uscita è diminuito. Migliora la stabilità del sistema compensando il ritardo di fase causato dall'I-controller. Aumentando il guadagno derivativo aumenta la velocità di risposta.

Risposta del controller PID

Così finalmente abbiamo osservato che combinando questi tre controller, possiamo ottenere la risposta desiderata per il sistema. Diversi produttori progettano diversi algoritmi PID.

Tipi di controller PID

I regolatori PID sono classificati in tre tipi come regolatori di tipo ON / OFF, proporzionale e standard. Questi controller vengono utilizzati in base al sistema di controllo, l'utente può essere utilizzato il controller per regolare il metodo.

Controllo ON / OFF

Un metodo di controllo on-off è il tipo più semplice di dispositivo utilizzato per il controllo della temperatura. L'uscita del dispositivo può essere ON / OFF in assenza di uno stato centrale. Questo controller attiverà l'uscita semplicemente quando la temperatura attraversa il punto fisso. Un controller di limite è un tipo particolare di controller ON / OFF che utilizza un relè a scatto. Questo relè viene ripristinato manualmente e utilizzato per disattivare un metodo una volta raggiunta una certa temperatura.

Controllo proporzionale

Questo tipo di controller è progettato per rimuovere il ciclo che è collegato tramite il controllo ON / OFF. Questo controller PID ridurrà la normale potenza fornita al riscaldatore una volta che la temperatura raggiunge il punto fisso.

Questo controller ha una caratteristica per controllare il riscaldatore in modo che non superi il punto fisso, tuttavia raggiungerà il punto fisso per mantenere una temperatura costante.
Questo atto proporzionale può essere ottenuto accendendo e spegnendo l'uscita per brevi periodi di tempo. Questo tempo proporzionale cambierà il rapporto dal tempo di ON al tempo di OFF per il controllo della temperatura.

Controller PID di tipo standard

Questo tipo di controller PID unirà il controllo proporzionale attraverso il controllo integrale e derivativo per aiutare automaticamente l'unità a compensare le modifiche all'interno del sistema. Queste modifiche, integrale e derivata sono espresse in unità basate sul tempo.

Questi controller sono indicati anche attraverso i loro reciproci, RATE & RESET corrispondentemente. I termini del PID devono essere regolati separatamente altrimenti sintonizzati su un sistema specifico con la prova e l'errore. Questi controller offriranno il controllo più preciso e costante dei 3 tipi di controller.

Controllori PID in tempo reale

Al momento, sul mercato sono disponibili vari tipi di controller PID. Questi controller vengono utilizzati per requisiti di controllo industriale come pressione, temperatura, livello e flusso. Una volta che questi parametri sono controllati tramite PID, le scelte comprendono l'utilizzo di un controller PID separato o di un PLC.
Questi controllori separati sono impiegati ovunque sia necessario controllare uno, altrimenti due loop, nonché controllare altrimenti nelle condizioni ovunque sia complesso il diritto di accesso attraverso sistemi più grandi.

Questi dispositivi di controllo forniscono scelte diverse per il controllo solo e twin loop. I controller PID di tipo autonomo forniscono diverse configurazioni a punto fisso per produrre diversi allarmi autonomi.
Questi controller standalone comprendono principalmente controller PID di Honeywell, controller di temperatura Yokogawa, controller di autotune di OMEGA, Siemens e controller ABB.

I PLC vengono utilizzati come controllori PID nella maggior parte delle applicazioni di controllo industriale La disposizione dei blocchi PID può essere eseguita all'interno di PAC o PLC per offrire scelte superiori per un controllo PLC esatto. Questi controller sono più intelligenti e potenti rispetto a controller separati. Ogni PLC include il blocco PID all'interno della programmazione software.

Metodi di sintonizzazione

Prima che avvenga il funzionamento del controller PID, è necessario regolarlo in base alle dinamiche del processo da controllare. I progettisti forniscono i valori predefiniti per i termini P, I e D e questi valori non sono in grado di fornire le prestazioni desiderate e talvolta portano a instabilità e prestazioni di controllo lente. Diversi tipi di metodi di sintonizzazione sono sviluppati per mettere a punto i controller PID e richiedono molta attenzione da parte dell'operatore per selezionare i migliori valori di guadagni proporzionali, integrali e derivati. Alcuni di questi sono riportati di seguito.

I controller PID vengono utilizzati nella maggior parte delle applicazioni industriali, ma è necessario conoscere le impostazioni di questo controller per regolarlo correttamente e generare l'uscita preferita. Qui, la sintonizzazione non è altro che la procedura per ricevere una risposta ideale dal controller attraverso l'impostazione dei migliori guadagni proporzionali, fattori integrali e derivati.

L'uscita desiderata del controller PID può essere ottenuta sintonizzando il controller. Sono disponibili diverse tecniche per ottenere l'output richiesto dal controller come tentativi ed errori, Zeigler-Nichols e curva di reazione del processo. I metodi più utilizzati sono tentativi ed errori, Zeigler-Nichols, ecc.

Metodo di prova ed errore: È un metodo semplice per l'ottimizzazione del controller PID. Mentre il sistema o il controller è in funzione, possiamo ottimizzare il controller. In questo metodo, in primo luogo, dobbiamo impostare i valori Ki e Kd a zero e aumentare il termine proporzionale (Kp) fino a quando il sistema non raggiunge un comportamento oscillante. Una volta che oscilla, regolare Ki (termine integrale) in modo che le oscillazioni si fermino e infine regolare D per ottenere una risposta rapida.

Tecnica della curva di reazione del processo: È una tecnica di accordatura ad anello aperto. Produce una risposta quando al sistema viene applicato un input graduale. Inizialmente, dobbiamo applicare manualmente alcune uscite di controllo al sistema e registrare la curva di risposta.

Dopodiché, dobbiamo calcolare la pendenza, il tempo morto, il tempo di salita della curva e infine sostituire questi valori nelle equazioni P, I e D per ottenere i valori di guadagno dei termini PID.

Curva di reazione del processo

Metodo Zeigler-Nichols: Zeigler-Nichols ha proposto metodi a circuito chiuso per la messa a punto del controller PID. Questi sono il metodo del ciclo continuo e il metodo dell'oscillazione smorzata. Le procedure per entrambi i metodi sono le stesse ma il comportamento di oscillazione è diverso. In questo, per prima cosa, dobbiamo impostare la costante del controller p, Kp su un valore particolare mentre i valori Ki e Kd sono zero. Il guadagno proporzionale viene aumentato fino a quando il sistema oscilla a un'ampiezza costante.

Il guadagno al quale il sistema produce oscillazioni costanti è chiamato guadagno finale (Ku) e il periodo delle oscillazioni è chiamato periodo ultimo (Pc). Una volta raggiunto, possiamo inserire i valori di P, I e D nel controller PID dalla tabella Zeigler-Nichols a seconda del controller utilizzato come P, PI o PID, come mostrato di seguito.

Tavolo Zeigler-Nichols

Struttura del controller PID

Il controller PID è composto da tre termini, vale a dire controllo proporzionale, integrale e derivativo. Il funzionamento combinato di questi tre controller fornisce una strategia di controllo per il controllo del processo. Il controllore PID manipola le variabili di processo come pressione, velocità, temperatura, flusso, ecc. Alcune applicazioni utilizzano controllori PID in reti a cascata in cui due o più PID vengono utilizzati per ottenere il controllo.

Struttura del controller PID

La figura sopra mostra la struttura del controller PID. Consiste in un blocco PID che fornisce la sua uscita al blocco di processo. Il processo / impianto è costituito da dispositivi di controllo finale come attuatori, valvole di controllo e altri dispositivi di controllo per controllare vari processi dell'industria / impianto.

Un segnale di feedback dall'impianto di processo viene confrontato con un setpoint o segnale di riferimento u (t) e il corrispondente segnale di errore e (t) viene inviato all'algoritmo PID. In base ai calcoli di controllo proporzionale, integrale e derivativo dell'algoritmo, il controller produce una risposta combinata o un'uscita controllata che viene applicata ai dispositivi di controllo dell'impianto.

Tutte le applicazioni di controllo non necessitano di tutti e tre gli elementi di controllo. Combinazioni come i controlli PI e PD sono molto spesso utilizzate nelle applicazioni pratiche.

Applicazioni

Le applicazioni del controller PID includono quanto segue.

La migliore applicazione del controller PID è il controllo della temperatura in cui il controller utilizza un ingresso di un sensore di temperatura e la sua uscita può essere associata a un elemento di controllo come un ventilatore o un riscaldatore. In generale, questo controller è semplicemente un elemento in un sistema di controllo della temperatura. L'intero sistema deve essere esaminato oltre che considerato nella scelta del giusto controller.

Controllo della temperatura del forno

In generale, i forni vengono utilizzati per includere il riscaldamento e per contenere un'enorme quantità di materia prima a temperature elevate. È normale che il materiale occupato includa una massa enorme. Di conseguenza, richiede un'elevata quantità di inerzia e la temperatura del materiale non si modifica rapidamente anche quando viene applicato un calore enorme. Questa caratteristica si traduce in un segnale FV moderatamente stabile e consente al periodo di derivazione di correggere in modo efficiente il guasto senza modifiche estreme a FCE o CO.

Regolatore di carica MPPT

La caratteristica V-I di una cella fotovoltaica dipende principalmente dall'intervallo di temperatura e dall'irraggiamento. In base alle condizioni meteorologiche, la corrente e la tensione di esercizio cambieranno costantemente. Quindi, è estremamente significativo tenere traccia del PowerPoint più alto di un sistema fotovoltaico efficiente. Il controller PID viene utilizzato per trovare MPPT fornendo punti di tensione e corrente fissi al controller PID. Una volta che le condizioni meteorologiche sono cambiate, il tracker mantiene la corrente e la tensione stabili.

Il convertitore di elettronica di potenza

Sappiamo che il convertitore è un'applicazione dell'elettronica di potenza, quindi un controller PID viene utilizzato principalmente nei convertitori. Ogni volta che un convertitore è alleato attraverso un sistema basato sulla variazione all'interno del carico, l'uscita del convertitore verrà modificata. Ad esempio, un inverter è alleato con il carico, l'enorme corrente viene fornita una volta che i carichi sono aumentati. Pertanto, il parametro della tensione e della corrente non è stabile, ma cambierà in base al requisito.

In questo stato, questo controller genererà segnali PWM per attivare gli IGBT dell'inverter. In base alla variazione all'interno del carico, il segnale di risposta viene fornito al controller PID in modo che produca n errore. Questi segnali vengono generati in base al segnale di guasto. In questo stato, possiamo ottenere input e output modificabili tramite un inverter simile.

Applicazione del controller PID: Controllo ad anello chiuso per un motore CC senza spazzole

Interfaccia del controller PID

La progettazione e l'interfacciamento del controller PID possono essere eseguite utilizzando il microcontrollore Arduino. In laboratorio, il controller PID basato su Arduino è progettato utilizzando la scheda Arduino UNO, componenti elettronici, dispositivo di raffreddamento termoelettrico, mentre i linguaggi di programmazione software utilizzati in questo sistema sono C o C ++. Questo sistema viene utilizzato per controllare la temperatura all'interno del laboratorio.

I parametri del PID per un controller specifico si trovano fisicamente. La funzione di vari parametri PID può essere implementata attraverso il successivo contrasto tra diverse forme di controllori.
Questo sistema di interfacciamento può calcolare efficacemente la temperatura attraverso un errore di ± 0,6 ℃, mentre una temperatura costante si regola semplicemente attraverso una piccola differenza dal valore preferito. I concetti utilizzati in questo sistema forniranno tecniche esatte e poco costose per gestire i parametri fisici in un intervallo preferito all'interno del laboratorio.

Pertanto, questo articolo discute una panoramica del controller PID che include cronologia, diagramma a blocchi, struttura, tipi, funzionamento, metodi di ottimizzazione, interfacciamento, vantaggi e applicazioni. Ci auguriamo di essere stati in grado di fornire una conoscenza di base ma precisa sui controller PID. Ecco una semplice domanda per tutti voi. Tra i diversi metodi di sintonizzazione, quale metodo è preferibilmente utilizzato per ottenere un funzionamento ottimale del controller PID e perché?

Siete pregati di fornire gentilmente le vostre risposte nella sezione commenti qui sotto.

Crediti fotografici

Schema a blocchi del controller PID di wikimedia
Struttura del controller PID, controller P, risposta del controller P e controller PID di blog.opticontrols
P - risposta del controller di controls.engin.umich
Risposta del controller PI di carne
Risposta del controller PID di wikimedia
Tavolo Zeigler-Nichols di controls.engin