Con el rápido desarrollo de electrónica, computadoras, comunicaciones, diagnóstico de fallas, verificación de redundancia y tecnología de visualización gráfica, el nivel de automatización industrial también está aumentando. Sin embargo, en el proceso de producción, la calidad del producto por la interferencia de múltiples factores y las ventajas del nivel de automatización inferior. La teoría de control de PID ha surgido desde entonces.
Los sistemas de control automático se pueden dividir en sistemas de control de circuito abierto y sistemas de control de circuito cerrado. Un sistema de control incluye controladores, sensores, transmisores, actuadores, interfaces de entrada y salida utilizando el control PID para lograr la presión, la temperatura, el flujo, los controladores de nivel, los controladores programables que pueden realizar la función de control PID (PLC), así como los sistemas de PC que se puede realizar el control de PID, etc.
Control PID
En la práctica de ingeniería, la ley de control del regulador más utilizada para el control proporcional, integral y diferencial, denominado control de PID, también conocida como regulación PID. Se ha convertido en una de las principales tecnologías de control industrial por su estructura simple, buena estabilidad, operación confiable y fácil ajuste.
Cuando la estructura y los parámetros del objeto controlado no se pueden dominar por completo, o no tienen acceso a modelos matemáticos precisos, la teoría de control de otras tecnologías es difícil de usar, la estructura y los parámetros del controlador del sistema deben confiar en la experiencia y la depuración de campo. Para determinar, cuando la aplicación de la tecnología de control PID es más conveniente.
Control PID, PI y control PD En la práctica, el controlador PID se basa en el error del sistema, el uso del cálculo proporcional, integral y diferencial del volumen de control para el control. El control más ideal cuando la ley de control proporcional-integra-derivada, que combina las fortalezas de los tres: tanto el papel proporcional en un papel oportuno como rápido, pero también del papel de la integración de la eliminación de la diferencia residual en la capacidad de diferenciar El papel de la función de control de anulación.
Los enlaces del control PID
1, control proporcional (p)
El control proporcional es uno de los métodos de control más simples. La salida de su controlador es proporcional a la señal de error de entrada. Hay un error de estado estable en la salida del sistema cuando solo hay un control proporcional disponible. La señal de salida del controlador es proporcional a la señal de desviación, es decir, siempre que haya una desviación, la salida del controlador cambiará inmediatamente en proporción a la desviación, por lo que la velocidad de respuesta de la regulación P es muy rápida .
La regulación P puede reflejar los cambios en el sistema a tiempo, pero no puede eliminar por completo la desviación del sistema, por lo tanto, si solo se usa la regulación P en el proceso de control real, el sistema producirá residuos, el aumento de k P puede hacer que el sistema sea el sistema La desviación se reduce, pero de hecho, si K - D es demasiado grande conducirá a la inestabilidad del sistema.
2, control integral (i)
En el control integral, la salida del controlador es proporcional a la integral de la señal de error de entrada. Para un sistema de control automático, si hay un error de estado estable después de ingresar al estado estacionario, se dice que el sistema de control tiene un error de estado estable o simplemente un sistema diferencial.
Para eliminar el error de estado estable, se debe introducir un "término integral" en el controlador. El término integral integra el error dependiendo del tiempo y aumenta a medida que aumenta el tiempo. Por lo tanto, incluso si el error es pequeño, el término integral aumenta con el tiempo, e impulsa la salida del controlador para que aumente para que el error de estado estable se reduzca aún más hasta que esté cerca de cero.
El controlador proporcional + integral (PI), por lo tanto, permite que el sistema ingrese un estado estable casi sin un error de estado estable. El tamaño del tiempo integral determina la resistencia del efecto integral, cuanto mayor sea el tiempo integral, más débil es el efecto integral, lo que resulta en un aumento en la cantidad de sobreimpresión del sistema; Cuanto más fuerte sea el efecto integral, por el contrario, es propenso a causar la oscilación del sistema.
3, control diferencial (d)
En el control diferencial, la salida del controlador y la señal de error de entrada (es decir, la velocidad de cambio del error) es proporcional a la relación. El sistema de control automático para superar el error en el proceso de regulación puede ser oscilante o incluso desestabilización. La razón de esto se debe a la presencia de un gran componente de inercia (enlace) o un componente de histéresis, que tiene el efecto de suprimir el error, y cuyos cambios siempre se quedan atrás de los cambios en el error.
La solución es hacer el cambio en la supresión del error "por delante", es decir, cuando el error está cerca de cero, la supresión del error debe ser cero. Es decir, en el controlador solo la introducción del término "proporcional" a menudo no es suficiente, el papel del término proporcional es solo amplificar la magnitud del error y la necesidad de aumentar el "término diferencial", que puede Predecir la tendencia de los cambios de error, de modo que el controlador con un diferencial proporcional + pueda hacer el control de la supresión de errores con anticipación. De esta manera, el controlador con proporción + diferencial puede hacerse de antemano para inhibir el control del error es igual a cero, o incluso negativo, evitando así el exceso de disparo de la cantidad controlada.
Por lo tanto, para el objeto controlado con gran inercia o histéresis, el controlador proporcional+diferencial (PD) puede mejorar las características dinámicas del sistema en el proceso de regulación. La oscilación de la salida del objeto controlado y acortar el tiempo de respuesta del sistema, lo que mejora las características dinámicas del sistema. Sin embargo, un TD demasiado grande reducirá la capacidad de suprimir las señales de interferencia.
4, control PID
El control más ideal cuando la ley de control proporcional-integral-diferencial, que establece la longitud de los tres: tanto el papel proporcional en un papel oportuno y rápido, pero también el papel integral de la eliminación de la diferencia residual en la capacidad de tener la diferencial papel de la función de control con anticipación.
Cuando aparecen los ahorros de desviación, el diferencial puede actuar de manera inmediata y en gran medida, inhibir la desviación de este salto: proporcional al mismo tiempo juega un papel en la eliminación de las desviaciones, de modo que la amplitud de la desviación se reduce, porque el papel proporcional es persistente y juega un gran papel en la ley de control, de modo que el sistema es más estable: y el papel integral de la diferencia residual superada lentamente. Mientras se seleccionen correctamente los tres roles de los parámetros de control, puede dar un juego completo a las ventajas de las tres leyes de control, para obtener un efecto de control más ideal.
Por lo tanto, mientras los tres roles puedan coincidir razonablemente, puede lograr un rendimiento de regulación rápido y preciso y suave, para obtener excelentes resultados de control, que es el encanto de la regulación PID.
5, parametrización
La parametrización del controlador PID es el núcleo del diseño del sistema de control. Se basa en las características del proceso a controlar para determinar el factor de escala del controlador PID, el tiempo integral y el tamaño del tiempo diferencial.
Métodos de configuración de parámetros del controlador PID, resumidos en dos categorías: uno es el cálculo teórico del método de configuración. Se basa principalmente en el modelo matemático del sistema, después de los cálculos teóricos para determinar los parámetros del controlador. Los datos calculados obtenidos por este método no pueden usarse directamente, sino también a través de los ajustes y modificaciones de ingeniería reales. El segundo es el método de calibración de ingeniería, que se basa principalmente en la experiencia de ingeniería, directamente en la prueba del sistema de control, y el método es simple, fácil de comprender, en la práctica de ingeniería se usa ampliamente.
Parámetros del controlador PID del método de sintonización de ingeniería, principalmente método de relación crítica, método de curva de respuesta y método de atenuación. Los dos métodos tienen sus propias características, el punto común es a través de la prueba y luego de acuerdo con la experiencia de ingeniería de la fórmula para los parámetros del controlador a ajustar. Pero no importa qué método se utilice para obtener los parámetros del controlador, debe estar en el funcionamiento real del ajuste y mejora final. El método de relación crítica se usa generalmente. El uso de este método para los pasos de ajuste de parámetros del controlador PID es el siguiente:
(1) Primero selecciona un período de muestreo lo suficientemente corto para que el sistema funcione;
(2) Agregue solo el enlace de control proporcional hasta que ocurra una oscilación crítica en la respuesta del paso del sistema a la entrada, y anote el factor de amplificación proporcional y el período de oscilación crítica en este momento;
(3) bajo un cierto grado de control a través de la fórmula para obtener los parámetros del controlador PID.
En la puesta en marcha real, solo se puede establecer aproximadamente un valor empírico primero y luego modificarse de acuerdo con el efecto de la regulación.
Para el sistema de temperatura: P (%) {{0}}, i (puntos) 3 - 10, d (puntos) 0. 5 - 3
Para el sistema de flujo: P (%) {{0}}, i (min) 0. 1--1
Para sistemas de presión: p (%) {{0}}, i (min) 0. 4--3
Para sistemas de nivel de líquido: P (%) 20--80, i (min) 1-5
¿No suena un poco difícil de entender? Pidamos a Ming que nos lo explique.
Ming ha recibido una tarea: hay una fuga de tanque de agua, y la velocidad de fuga es variable, pero se requiere la superficie del agua para mantener la altura de la superficie del agua en una determinada posición, una vez que se encuentra que la superficie del agua es más baja que la posición requerida, debe agregar agua al tanque de agua.
El comienzo de Xiaoming con un cajonal para agregar agua, el grifo del tanque tiene una distancia de más de diez metros, a menudo tiene que correr varias veces para agregar suficiente agua, por lo que Xiaoming y cambiado para usar un cubo para agregar un cubo, un lugar más es un balde, corre menos veces, además de que la velocidad del agua también es rápida, pero varias veces se le darán al tanque para agregar el desbordamiento del accidentalmente húmedo varias veces, Xiaoming y lluvia de ideas, I No use un ceñador y no un cubo, el viejo con una cuenca, varias veces hacia abajo, descubrió que es correcto, no tiene que correr demasiadas veces y no dejará que el agua se desborde. Descubrí que era correcto, no tenía que correr demasiadas veces y no dejé que el agua se desbordara. Este tiempo de verificación se llama período de muestreo.
Al comienzo de Xiaoming con un cajón para agregar agua, el grifo del tanque de agua tiene una distancia de más de diez metros, a menudo tiene que correr varias veces para agregar suficiente agua, por lo que Xiaoming y luego cambiado para usar un cubo para agregar un cubo , una ventaja es un balde, corre menos veces, la velocidad del agua también es más rápida, pero se darán varias veces al tanque para agregar el desbordamiento del accidentalmente húmedo varias veces, Xiaoming y Lluvia de ideas, no uso un cajón y no necesito barriles, el anciano con una cuenca, varias veces, descubrió que es correcto, no tiene que correr demasiadas veces, tampoco dejará que el agua rebosar. No necesito correr demasiadas veces, y no quiero que el agua se desborde. El tamaño de esta herramienta para agregar agua se llama coeficiente de proporcionalidad.
Xiaoming también descubrió que aunque el agua no se desbordaba, a veces sería más alto que la posición requerida, y todavía estaba el peligro de mojar sus zapatos. Se le ocurrió una forma de instalar un embudo en el tanque de agua, cada vez que agrega agua no se vierte directamente en el tanque, sino que se vierte en el embudo para dejar que se agregue lentamente. Este problema de desbordamiento se resolvió, pero la velocidad de agregar agua y lenta, y a veces no puede alcanzar la velocidad de la fuga. Así que trató de cambiar el embudo de diferentes tamaños y diámetros para controlar la velocidad de agregar agua, y finalmente encontró un embudo satisfactorio. El tiempo del embudo se llama tiempo integral.
Xiaoming finalmente dio un suspiro de alivio, pero los requisitos de la tarea repentinamente estrictos, la puntualidad de los requisitos de control del nivel del agua mejoró mucho, una vez que el nivel del agua es demasiado bajo, debe agregar inmediatamente el agua a la posición requerida y no puede ser demasiado más alto o no pagar el salario. Xiaoming de nuevo difícil! Así que abrió su cerebro, finalmente dejó que piense en una manera, a menudo colocó una olla de agua de repuesto a un lado, una vez que se encuentra que el nivel del agua es bajo, no a través del embudo hay una olla de agua hacia abajo, de modo que la puntualidad está garantizado, pero el nivel del agua a veces será mucho más alto. También solicitó la ubicación de la superficie del agua por encima de un punto, se cincelará un orificio en el agua y luego conectará una tubería al fondo del cubo de repuesto para que se filtre más agua desde la parte superior del orificio. La velocidad a la que se filtra este agua se llama tiempo diferencial.
La historia del experimento de Ming es independiente paso a paso, pero las herramientas de agua reales, el calibre del embudo, el tamaño del orificio de desbordamiento al mismo tiempo afectará la velocidad del agua, el tamaño del nivel del agua, realiza el sobrepaso de nivel de agua. La parte posterior del experimento, a menudo tiene que modificar el cambio los resultados del experimento anterior.
Personas con control PID con una tetera a la taza de agua impresa con una escala de media taza de agua después de la parada
Valor establecido: escala de media taza de la copa de agua;
Valor real: la cantidad real de agua en la taza de agua;
Valores de salida: la cantidad de agua salió de la tetera y la cantidad de agua sacada de la taza;
Medición: ojos humanos (equivalente a los sensores)
Objeto de ejecución: humano
Ejecución positiva: vertido
Contra-ejecución: recoger
1p Control proporcional, es decir, la gente ve que la cantidad de agua en la taza no alcanza media taza de escala de taza de agua, de acuerdo con una cierta cantidad de agua del tetero en el rey de la taza de agua vertida o la cantidad de Agua en la taza de agua sobre la escala, con una cierta cantidad de agua de la taza de agua recogida, esta acción puede resultar en menos de media taza o más de media taza en la parada.
Nota: El control proporcional de P es uno de los métodos de control más simples. La salida de su controlador es proporcional a la señal de error de entrada. Existe un error de estado estacionario en la salida del sistema cuando solo hay un control proporcional disponible.
Control integral 2pi, es decir, según una cierta cantidad de agua en la taza de agua, si encuentra que la cantidad de agua en la copa no tiene una escala, sigue vertiendo y luego descubre que la cantidad de agua es más que media taza, el agua recogió desde la taza hacia el exterior, y luego repetidamente no lo suficiente como para verter el agua, y más recogida hasta que la cantidad de agua alcanza la escala.
Nota: En el control integral I, la salida del controlador es proporcional a la integral de la señal de error de entrada. Para un sistema de control automático, si hay un error de estado estable después de ingresar al estado estacionario, se dice que el sistema de control tiene un error de estado estable o simplemente un sistema con error de estado estacionario (sistema con error de estado estacionario). Para eliminar el error de estado estable, se debe introducir un "término integral" en el controlador. El término integral integra el error dependiendo del tiempo y aumenta con el tiempo. Por lo tanto, incluso si el error es pequeño, el término integral aumenta con el tiempo, e impulsa la salida del controlador para que aumente para que el error de estado estable se reduzca aún más hasta que iguala cero. El controlador proporcional + integral (PI), por lo tanto, permite que el sistema ingrese un estado estable sin un error de estado estable.
Control diferencial 3pid, es decir, el ojo humano que mira la taza de agua y la distancia desde la escala, cuando el espacio es muy grande, la tetera con una gran cantidad de agua que se puede verter, cuando las personas ven la cantidad de agua es Cerca de la escala, reduzca la producción de agua del hervidor de hervidor y se acerca lentamente a la escala, hasta que se detenga en la taza de la escala. Si el agua se detiene en la posición exacta de la escala, no hay control diferencial estático; Si se detiene cerca de la escala, hay un control diferencial estático.
Nota: En el control diferencial D, la salida del controlador es proporcional al diferencial de la señal de error de entrada (es decir, la velocidad de cambio del error).
En la práctica de la ingeniería, la ley de control del regulador más utilizada para el control proporcional, integral y diferencial, denominado control de PID, también conocido como PID regulación. El controlador PID se ha introducido casi 70 años de historia, es estructura simple, buena estabilidad,, confiable, fácil de ajustar y se ha convertido en una de las principales tecnologías del control industrial.
Cuando la estructura y los parámetros del objeto controlado no se pueden dominar por completo, o no tienen acceso a modelos matemáticos precisos, la teoría de control de otras tecnologías es difícil de usar, la estructura y los parámetros del controlador del sistema deben confiar en la experiencia y la depuración de campo. Para determinar, cuando la aplicación de la tecnología de control PID es la más conveniente.
Controlador PID
Los controladores PID se utilizan ampliamente en el control de procesos industriales. Alrededor del 95% de las operaciones de circuito cerrado en automatización industrial utilizan controladores PID. El controlador se combina de tal manera que genera una señal de control. Como controlador de retroalimentación, ofrece la salida de control al nivel deseado. Antes de la invención de microprocesadores, la electrónica analógica implementó el control de PID. Pero hoy todos los controladores PID son manejados por microprocesadores. Los controladores lógicos programables también tienen instrucciones de controlador PID incorporadas.
Al usar un controlador de conmutación simple de bajo costo, solo son posibles dos estados de control, como el completo o completo. Se utiliza para aplicaciones de control limitadas donde estos dos estados de control son suficientes para controlar el objetivo. Sin embargo, la naturaleza oscilatoria de este control limita su uso y, por lo tanto, está siendo reemplazada por controladores PID.
Los controladores PID mantienen la salida de tal manera que hay un error cero entre la variable de proceso y el punto de ajuste/salida deseada a través de la operación de circuito cerrado. PID utiliza tres comportamientos de control básicos, que se explican a continuación.
P-Controlador:
El proveedor proporcional o P-Controlador proporciona una salida proporcional al error de corriente E (t). Compara el valor deseado o establecido con el valor real o del proceso de retroalimentación. El error obtenido se multiplica por la constante de proporcionalidad para obtener la salida. Si el valor de error es cero, esta salida del controlador es cero.
Este controlador debe ser sesgado o restablecer manualmente cuando se usa por sí solo. Esto se debe a que nunca alcanza un estado estable. Proporciona operación estable, pero siempre mantiene el error de estado estable. A medida que aumenta la proporcionalidad constante de KC, la velocidad de respuesta aumenta.
I-Controller
Dado que el controlador P siempre tiene una desviación entre la variable de proceso y el punto de ajuste, se necesita el controlador I, que proporciona la acción necesaria para eliminar el error de estado estable. Integra el error durante un período de tiempo hasta que el valor de error alcanza cero. Mantiene el valor de error cero para la unidad de control final.
Cuando se produce un error negativo, el control integral reduce su salida. Limita la velocidad de respuesta y afecta la estabilidad del sistema. La velocidad de respuesta aumenta al disminuir la ganancia integral Ki.
En la figura anterior, el error de estado estacionario disminuye a medida que disminuye la ganancia del controlador I. En su mayor parte, los controladores PI son especialmente útiles en situaciones en las que no se requiere una respuesta de alta velocidad.
Cuando se usa un controlador PI, la salida del controlador i se limita a un grado que supera la saturación integral, donde la salida integral se empuja incluso cuando el estado de error cero aumenta debido a la condición de no linealidad en dicha planta.
D-Controlador
I-Controller no tiene la capacidad de predecir un comportamiento futuro incorrecto. Entonces reacciona normalmente una vez que se cambia el punto de ajuste. D-Controlador supera este problema al predecir un comportamiento futuro erróneo. Su salida depende de la tasa de cambio de error con respecto al tiempo, multiplicado por una constante diferencial. Proporciona inicio de la salida que aumenta la respuesta del sistema.
En la figura anterior, el controlador D tiene más respuesta que el controlador PI y se reduce el tiempo de acumulación de la salida. Mejora la estabilidad del sistema compensando el retraso de fase causado por el controlador I. Aumentar la ganancia diferencial mejorará la respuesta.
Papel del controlador PID
Papel de la regulación proporcional
Respuesta proporcional a la desviación del sistema, una vez que el sistema se ha desviado, la regulación proporcional produce inmediatamente una regulación para reducir la desviación. Una gran proporcionalidad puede acelerar el ajuste y reducir el error, pero una proporción demasiado grande hace que la estabilidad del sistema disminuya e incluso cause inestabilidad del sistema.
Regulación integral
Hace que el sistema elimine el error de estado estable y mejora el grado de no diferencia. Debido a que hay un error, la regulación integral se lleva a cabo hasta que no hay diferencia, la regulación integral se detiene y la regulación integral genera un valor constante. La fuerza del efecto integral depende de la constante de tiempo integral Ti, cuanto más pequeño es, más fuerte es el efecto integral. Por el contrario, si Ti es grande, el efecto integral es débil y la adición de la regulación integral puede hacer que la estabilidad del sistema disminuya, y la respuesta dinámica se vuelve más lenta.
Regulación diferencial
La acción diferencial refleja la tasa de cambio de la señal de desviación del sistema, con previsibilidad, puede prever la tendencia de los cambios en la desviación, por lo que puede producir antes del papel de control en la desviación antes, se ha eliminado antes, se ha eliminado por la regulación diferencial. La acción diferencial sobre la interferencia del ruido tiene un efecto amplificador, por lo que demasiado fuerte, más la regulación diferencial, el sistema no es bueno para la interferencia anti-interferencia.
Dirección de desarrollo de aplicaciones de control PID
En el proceso de producción para mejorar la calidad del producto, aumentar la producción, ahorrar materias primas, gestión de la producción y proceso de producción siempre está en las condiciones de trabajo óptimas. Por lo tanto, se produce un método de control óptimo, que se llama control adaptativo. En este tipo de control, se requiere que el sistema pueda ajustar automáticamente el sistema de acuerdo con los cambios en los parámetros medidos, el entorno y el costo de las materias primas, por lo que el sistema siempre está en un estado óptimo. El control adaptativo consta de tres componentes: estimación de rendimiento (discriminación), toma de decisiones y modificación. Es la dirección de desarrollo del sistema de control de microcomputadoras. Sin embargo, debido a que la ley de control es difícil de comprender, por lo que la promoción de algunos difíciles de resolver el problema. En el control de PID adaptativo viene con algunas características inteligentes, como las criaturas vivientes pueden adaptarse a los cambios en las condiciones externas. También hay un sistema de autoaprendizaje, es más inteligente.