전자 제품, 컴퓨터, 통신, 결함 진단, 중복 검사 및 그래픽 디스플레이 기술의 빠른 개발로 인해 산업 자동화 수준도 증가하고 있습니다. 그러나 생산 공정에서 여러 요인의 간섭에 의한 제품의 품질은 자동화 수준의 장점을 열등합니다. 그 이후로 PID 제어 이론이 등장했습니다.
자동 제어 시스템은 오픈 루프 제어 시스템 및 폐 루프 제어 시스템으로 나눌 수 있습니다. 제어 시스템에는 PID 제어를 사용하여 컨트롤러, 센서, 송신기, 액추에이터, 입력 및 출력 인터페이스가 포함되어있어 압력, 온도, 흐름, 레벨 컨트롤러, PID 제어 기능 (PLC)을 실현할 수있는 프로그래밍 가능한 컨트롤러 및 PC 시스템이 포함됩니다. PID 제어 등을 실현할 수 있습니다.
PID 제어
엔지니어링 실무에서, PID 규정이라고도하는 PID 제어라고도하는 비례, 적분, 차등 제어에 가장 널리 사용되는 규제 기관 제어 법칙. 그것은 단순한 구조, 우수한 안정성, 안정적인 운영 및 쉬운 조정을위한 산업 제어의 주요 기술 중 하나가되었습니다.
제어 된 객체의 구조와 매개 변수를 완전히 마스터 할 수 없거나 정확한 수학적 모델에 액세스 할 수없는 경우 다른 기술의 제어 이론은 사용하기 어렵고 시스템 컨트롤러의 구조와 매개 변수는 경험 및 필드 디버깅에 의존해야합니다. PID 제어 기술의 적용이 가장 편리한시기를 결정하기 위해.
PID Control, PI 및 PD 제어 실제로 PID 컨트롤러는 시스템의 오류, 제어 제어 볼륨의 비례, 적분, 차동 계산의 사용을 기반으로합니다. 세 가지의 강점을 결합한 비례-integral-indivative Control Law :시기 적절하고 빠른 속도의 비례 역할뿐만 아니라 차별화 능력에서 잔류 차이의 제거의 역할의 역할을 결합한 경우 가장 이상적인 통제 재정의 제어 기능의 역할.
PID 제어의 링크
1, 비례 (P) 제어
비례 제어는 가장 간단한 제어 방법 중 하나입니다. 컨트롤러의 출력은 입력 오류 신호에 비례합니다. 비례 제어 만 사용할 수있는 경우 시스템 출력에 정상 상태 오류가 있습니다. 컨트롤러의 출력 신호는 편차 신호에 비례합니다. 즉, 편차가있는 한 컨트롤러의 출력은 편차에 비례하여 즉시 변경되므로 P 조절의 응답 속도가 매우 빠릅니다. .
P 규정은 시스템의 시간에 따라 시스템의 변화를 반영 할 수 있지만 시스템의 편차를 완전히 제거 할 수는 없으므로 실제 제어 프로세스에서 P 규정 만 사용되면 시스템이 잔차를 생성하면 k p 증가가 시스템을 만들 수 있습니다. 편차는 감소하지만 실제로 k -d가 너무 커지면 시스템 불안정성이 발생합니다.
2, 적분 (I) 제어
적분 제어에서 컨트롤러의 출력은 입력 오류 신호의 적분에 비례합니다. 자동 제어 시스템의 경우 정상 상태에 들어간 후 정상 상태 오류가있는 경우 제어 시스템에는 정상 상태 오류가 있거나 단순히 차동 시스템이 있다고합니다.
정상 상태 오류를 제거하려면 "적분 용어"를 컨트롤러에 도입해야합니다. 적분 용어는 시간에 따라 오류를 통합하고 시간이 증가함에 따라 증가합니다. 따라서 오류가 작더라도 적분 항은 시간이 지남에 따라 증가하고 컨트롤러의 출력이 증가하여 정상 상태 오류가 0에 가까워 질 때까지 더 줄어 듭니다.
따라서 비례 + 적분 (PI) 컨트롤러를 통해 시스템은 정상 상태 오류없이 정상 상태로 입력 할 수 있습니다. 적분 시간의 크기는 적분 효과의 강도를 결정합니다. 적분 시간이 클수록 적분 효과가 약해져 시스템 오버 슈트의 양이 증가합니다. 반대로 적분 효과가 더 강력할수록 시스템 진동을 일으키기 쉽습니다.
3, 차동 (d) 제어
차동 제어에서, 컨트롤러의 출력 및 입력 오류 신호 차동 (즉, 오류 변경 속도)은 관계에 비례합니다. 조절 프로세스의 오차를 극복하기위한 자동 제어 시스템은 진동 또는 불안정화 일 수 있습니다. 그 이유는 큰 관성 구성 요소 (링크) 또는 히스테리시스 구성 요소가 존재하기 때문에 오류를 억제하는 효과가 있고 오류의 변화가 항상 뒤떨어져 있습니다.
해결책은 오류가 "미리"의 억제에서 변경되는 것입니다. 즉, 오류가 0에 가까울 때 오류 억제는 0이어야합니다. 즉, 컨트롤러에서 "비례"용어의 도입 만 종종 충분하지 않으며, 비례 항의 역할은 오류의 크기를 증폭시키는 것입니다. 비례 + 차동을 갖는 컨트롤러가 오류 억제를 미리 제어 할 수 있도록 오류 변경 추세를 예측하십시오. 이러한 방식으로, 비례 + 차동을 갖는 컨트롤러는 오차의 제어를 억제하기 위해 미리 이루어질 수 있으며, 제어량의 심각한 오버 슈팅을 피하는 것을 피할 수 있으므로, 심지어 음수입니다.
따라서 관성 또는 히스테리시스가 큰 제어 객체의 경우, 비례+차동 (PD) 컨트롤러는 규제 프로세스에서 시스템의 동적 특성을 향상시킬 수 있습니다. 제어 된 객체의 출력의 진동과 시스템의 응답 시간을 단축하여 시스템의 동적 특성을 향상시킵니다. 그러나 TD가 너무 커지면 간섭 신호를 억제하는 능력이 줄어 듭니다.
4, PID 제어
세 가지의 길이를 설정하는 비례 intregral-differential 컨트롤 법칙을 설정할 때 가장 이상적인 통제 :시기 적절하고 빠른 속도의 비례 역할뿐만 아니라 차등을 가질 수있는 능력에서 잔류 차이의 제거의 필수적인 역할 미리 제어 기능의 역할.
편차 절약이 나타나면 차이가 즉시 그리고 크게 행동 할 수 있으며,이 도약의 편차를 억제 할 수 있습니다. 동시에 비례는 편차를 제거하는 데 역할을하여 비례 적 역할이 지속되고 전공이되기 때문에 편차 진폭이 줄어 듭니다. 시스템이 더 안정적이되도록 통제법의 역할 : 잔류 차이의 필수 역할은 서서히 극복됩니다. 제어 매개 변수의 세 가지 역할이 올바르게 선택되는 한, 세 가지 제어 법의 장점을 완전히 플레이하여보다 이상적인 제어 효과를 얻을 수 있습니다.
따라서 세 가지 역할이 합리적으로 일치 할 수있는 한, PID 규제의 매력 인 우수한 제어 결과를 얻기 위해 빠르고 정확하고 원활한 규제 성능을 달성 할 수 있습니다.
5, 매개 변수화
PID 컨트롤러 매개 변수화는 제어 시스템 설계의 핵심입니다. PID 컨트롤러의 스케일 계수, 적분 시간 및 차동 시간의 크기를 결정하기 위해 제어 할 프로세스의 특성을 기반으로합니다.
PID 컨트롤러 매개 변수 설정 메소드는 두 가지 범주로 요약되었습니다. 하나는 설정 메소드의 이론적 계산입니다. 컨트롤러 매개 변수를 결정하기위한 이론적 계산 후 시스템의 수학적 모델을 기반으로합니다. 이 방법으로 얻은 계산 된 데이터는 직접적으로 사용될 수 없으며 실제 엔지니어링 조정 및 수정을 통해 사용될 수 있습니다. 두 번째는 제어 시스템 테스트에서 직접 엔지니어링 경험에 의존하는 엔지니어링 캘리브레이션 방법이며, 엔지니어링 실습 에서이 방법은 간단하고 이해하기 쉽습니다.
엔지니어링 튜닝 방법의 PID 컨트롤러 매개 변수, 주로 임계 비율 방법, 응답 곡선 방법 및 감쇠 방법. 두 가지 방법은 고유 한 특성을 가지며, 공통점은 테스트를 통한 것입니다. 그런 다음 컨트롤러 매개 변수를 조정하기위한 공식의 엔지니어링 경험에 따라. 그러나 컨트롤러 매개 변수를 얻는 데 사용되는 방법에 관계없이 최종 조정 및 개선의 실제 작동에 있어야합니다. 임계 비율 방법이 일반적으로 사용됩니다. PID 컨트롤러 매개 변수 튜닝 단계 에이 방법을 사용하는 것은 다음과 같습니다.
(1) 먼저 시스템이 작동하기에 충분한 짧은 샘플링 기간을 사전 선택;
(2) 시스템의 스텝 응답에서 입력에 대한 임계 진동이 발생할 때까지 비례 제어 링크 만 추가하고,이 시점의 비례 증폭 계수와 임계 진동 기간을 낮추십시오.
(3) PID 컨트롤러의 매개 변수를 얻기 위해 공식을 통한 어느 정도의 제어하에.
실제 시운전에서는 먼저 경험적 가치를 먼저 설정 한 다음 규제 효과에 따라 수정할 수 있습니다.
온도 시스템의 경우 : P (%) {{{0}}, i (점) 3 - 10, d (점) 0. 5 - 3
흐름 시스템의 경우 : P (%) {{{0}}, i (min) 0. 1--1
압력 시스템의 경우 : P (%) {{{0}}, i (min) 0. 4--3
액체 레벨 시스템의 경우 : P (%) 20--80, i (min) 1-5
이해하기 어렵지 않습니까? Ming에게 우리에게 설명 해달라고 요청합시다.
Ming은 작업이 주어졌습니다. 수 탱크 누출이 있고 누출 속도는 가변적이지만, 수면이 낮은 경우 수면의 높이를 특정 위치에서 유지하려면 수면이 필요합니다. 필요한 위치보다 물 탱크에 물을 추가해야합니다.
물을 첨가하기 위해 디퍼와 함께 Xiaoming의 시작은 탱크의 수도꼭지가 10 미터 이상이므로 충분한 물을 추가하기 위해 여러 번 달려 가야하므로 Xiaoming과 버킷을 사용하여 양동이를 추가하여 더하기로 변경해야합니다. 양동이, 더 적은 시간, 물의 속도도 빠르지 만 우연히 젖은 젖은 젖은 습식, Xiaoming 및 Brainstorming의 오버플로를 추가하기 위해 탱크에 여러 번 주어집니다. 물통이 아닌 디퍼를 사용하고, 분지를 가진 노인은 여러 번 아래로 내려 가고, 너무 많이 달릴 필요가 없으며 물이 넘쳐나는 것을 방해하지 않는다는 것을 알았습니다. 나는 그것이 옳다는 것을 알았고, 너무 많이 달릴 필요가 없었고, 물이 넘치지 않았다. 이 점검 시간을 샘플링 기간이라고합니다.
물을 첨가하기 위해 Xiaoming의 시작 부분에서 물 탱크의 수도꼭지는 10 미터 이상의 거리를 가지므로 충분한 물을 추가하기 위해 여러 번 달려 가야하므로 Xiaoming을 사용하여 양동이를 사용하여 양동이를 추가했습니다. , 플러스는 양동이이며, 더 적은 시간, 물 속도도 더 빠르지 만 우연히 젖은 젖은 습식을 몇 번 Xiaoming 및 브레인 스토밍으로 추가하기 위해 탱크에 여러 번 주어집니다. 나는 Dipper를 사용하지 않고 배럴을 사용할 필요가 없으며, 분지를 가진 노인은 여러 번 옳다는 것을 알았고, 너무 많이 달릴 필요가 없으며, 물이 넘쳐나는 것을 허용하지 않습니다. 너무 많이 달릴 필요가 없으며 물이 넘치는 것을 원하지 않습니다. 물을 추가하기위한이 도구의 크기를 비례 계수라고합니다.
Xiaoming은 또한 물이 넘치지 않지만 때로는 필요한 위치보다 높을 것이며 여전히 신발을 적시는 위험이 있음을 발견했습니다. 그는 물 탱크에 깔때기를 설치하는 방법을 생각해 냈습니다. 물을 첨가 할 때마다 물을 탱크에 직접 부어 넣지 않고 깔때기에 부어 천천히 첨가했습니다. 이 오버플로 문제는 해결되었지만 물을 첨가하는 속도와 느리게, 때로는 누출 속도를 따라 잡을 수 없습니다. 그래서 그는 물을 첨가하는 속도를 제어하기 위해 다양한 크기와 직경의 깔때기를 바꾸려고 노력했으며 마침내 만족스러운 깔때기를 발견했습니다. 깔때기 시간을 적분 시간이라고합니다.
Xiaoming은 마침내 안도의 한숨을 쉬었지만, 과제의 요구 사항이 갑자기 엄격하고, 수위 제어 요구 사항의 적시성이 크게 향상되었으며, 일단 수위가 너무 낮아지면 즉시 필요한 위치에 물을 추가해야하며 할 수 없습니다. 너무 높거나 임금을 지불하지 마십시오. Xiaoming은 어렵습니다! 그래서 그는 뇌를 열고 마침내 방법을 생각하게하고, 깔때기를 통해서가 아니라 수위가 낮은 것으로 밝혀지면, 적시에 적시 함을 통해 수위가 낮은 것으로 밝혀지면 종종 여분의 물 냄비를 옆에 두었습니다. 보장되지만 수위는 때때로 훨씬 높아질 것입니다. 그는 또한 위의 물 표면의 위치를 물에 구멍을 뚫고 파이프를 여분의 양동이의 바닥에 연결하여 구멍 상단에서 더 많은 물이 새어 나게합니다. 이 물이 새는 속도를 차동 시간이라고합니다.
Ming의 실험에 대한 이야기는 단계별 독립적이지만, 실제 물 공구, 깔때기 구경, 동시에 오버플로 구멍의 크기는 물 속도, 수위 오버 슈트의 크기에 영향을 미칩니다. 실험 후에 종종 이전 실험 결과를 변화시켜야합니다.
정지 후 물 반 컵의 물로 인쇄 된 물 컵에 주전자가있는 PID 컨트롤을 가진 사람들
설정 값 : 워터 컵의 하프 컵 스케일;
실제 가치 : 워터 컵의 실제 물량;
출력 값 : 주전자에서 쏟아진 물의 양과 컵에서 물을 뿌린 물의 양;
측정 : 사람의 눈 (센서에 해당)
실행 개체 : 인간
긍정적 인 실행 : 쏟아지는
반영성 : 퍼팅
1p 비례 제어, 즉 컵의 물의 양은 물 컵의 반 컵에 도달하지 않는다는 것을 알 수 있습니다. 물 컵에 물 컵의 물은 물 컵에서 일정량의 물이 튀어 나와서 멈출 수 있습니다.
참고 : P 비례 제어는 가장 간단한 제어 방법 중 하나입니다. 컨트롤러의 출력은 입력 오류 신호에 비례합니다. 비례 제어 만 사용할 수있는 경우 시스템 출력에 정상 상태 오류가 있습니다.
2PI 적분 제어, 즉 워터 컵에 일정량의 물에 따르면, 컵의 물량에 규모가 크지 않다는 것을 알게되면 계속 쏟아지고 물의 양이 더 많다는 것을 알게됩니다. 반 컵보다 컵에서 외부로 물을 퍼 내고 물을 부을만큼 반복해서 물을 뿌려서 물의 양이 스케일에 도달 할 때까지 더 많이 퍼졌습니다.
참고 : 적분 I 컨트롤에서 컨트롤러의 출력은 입력 오류 신호의 적분에 비례합니다. 자동 제어 시스템의 경우 정상 상태에 들어간 후 정상 상태 오류가있는 경우 제어 시스템에는 정상 상태 오류가 있거나 정상 상태 오류가있는 단순히 시스템 (정상 상태 오류가있는 시스템)이 있습니다. 정상 상태 오류를 제거하려면 "적분 용어"를 컨트롤러에 도입해야합니다. 적분 용어는 시간에 따라 오류를 통합하고 시간에 따라 증가합니다. 따라서 오류가 작더라도 적분 항은 시간이 지남에 따라 증가하고 컨트롤러의 출력이 증가하여 정상 상태 오류가 0과 동일 할 때까지 더 줄어 듭니다. 따라서 비례 + 적분 (PI) 컨트롤러를 통해 시스템은 정상 상태 오류없이 정상 상태로 들어갈 수 있습니다.
3 피드 차동 제어, 즉 물 컵을 바라 보는 인간의 눈과 규모와의 거리, 간격이 매우 커질 때 사람들이 물의 양을 볼 때 많은 양의 물이있는 주전자 규모에 가까워서 주전자의 물 출력을 줄이고 스케일 컵에서 멈출 때까지 천천히 스케일에 접근합니다. 물이 스케일의 정확한 위치에서 멈추면 정적 차동 제어가 없습니다. 규모 근처에서 정지하면 정적 차동 제어가 있습니다.
참고 : 차동 제어 D에서 컨트롤러의 출력은 입력 오류 신호 (즉, 오류 변경 속도)의 차동에 비례합니다.
엔지니어링 관행에서 PID 제어라고도하는 PID 제어라고도하는 비례, 적분, 차등 제어에 가장 널리 사용되는 규제 기관 제어 법은 PID 규정이라고도 알려져 있습니다. PID 컨트롤러는 거의 70 년의 역사를 도입했으며 간단한 구조, 안정성, 우수한 안정성입니다. 신뢰할 수 있고 조정하기 쉽고 산업 제어의 주요 기술 중 하나가되었습니다.
제어 된 객체의 구조와 매개 변수를 완전히 마스터 할 수 없거나 정확한 수학적 모델에 액세스 할 수없는 경우 다른 기술의 제어 이론은 사용하기 어렵고 시스템 컨트롤러의 구조와 매개 변수는 경험 및 필드 디버깅에 의존해야합니다. 결정하기 위해, PID 제어 기술의 적용이 가장 편리한시기.
PID 컨트롤러
PID 컨트롤러는 산업 공정 제어에 널리 사용됩니다. 산업 자동화에서 폐쇄 루프 작업의 약 95%가 PID 컨트롤러를 사용합니다. 컨트롤러는 제어 신호를 생성하는 방식으로 결합됩니다. 피드백 컨트롤러로서 제어 출력을 원하는 수준으로 전달합니다. 마이크로 프로세서의 발명 전에 아날로그 전자 제품은 PID 제어를 구현했습니다. 그러나 오늘날 모든 PID 컨트롤러는 마이크로 프로세서에 의해 처리됩니다. 프로그래밍 가능한 로직 컨트롤러에는 내장 PID 컨트롤러 지침이 있습니다.
저렴한 간단한 스위칭 컨트롤러를 사용하면 전체 켜기 또는 전체 꺼짐과 같은 두 개의 제어 상태 만 가능합니다. 이 두 제어 상태가 목표를 제어하기에 충분한 제한된 제어 응용 프로그램에 사용됩니다. 그러나이 제어의 진동 특성은 사용을 제한하므로 PID 컨트롤러로 대체됩니다.
PID 컨트롤러는 폐쇄 루프 작업을 통한 프로세스 변수와 설정 점/원하는 출력 사이에 0 오류가 없도록 출력을 유지합니다.
P-Controller :
비례 또는 P- 컨트롤러는 전류 오차 e (t)에 비례하는 출력을 제공합니다. 원하는 또는 설정 값을 실제 또는 피드백 프로세스 값과 비교합니다. 얻은 오류는 출력을 얻기 위해 비례 상수를 곱합니다. 오차 값이 0이면이 컨트롤러 출력은 0입니다.
이 컨트롤러는 자체적으로 사용될 때 편향되거나 수동으로 재설정되어야합니다. 이것은 결코 정상 상태에 도달하지 않기 때문입니다. 안정적인 작동을 제공하지만 항상 정상 상태 오류를 유지합니다. 비례 상수 KC가 증가함에 따라 응답 속도가 증가합니다.
I- 컨트롤러
P-Controller는 항상 프로세스 변수와 설정 점 사이의 편차가 있으므로 I- 컨트롤러가 필요하므로 정상 상태 오류를 제거하는 데 필요한 조치를 제공합니다. 오류 값이 0에 도달 할 때까지 오류를 일정 기간 동안 통합합니다. 최종 제어 장치의 0 오류 값을 유지합니다.
음의 오류가 발생하면 적분 제어가 출력을 줄입니다. 응답 속도를 제한하고 시스템의 안정성에 영향을 미칩니다. 적분 게인 ki를 줄임으로써 응답 속도가 증가합니다.
위의 그림에서, I 컨트롤러의 이득이 감소함에 따라 정상 상태 오류가 감소합니다. 대부분의 경우 PI 컨트롤러는 고속 응답이 필요하지 않은 상황에서 특히 유용합니다.
PI 컨트롤러가 사용될 때, I- 컨트롤러 출력은 통합 포화를 극복하는 정도로 제한되며, 해당 플랜트의 비선형 성 조건으로 인해 제로 오류 상태가 증가한 경우에도 적분 출력이 누르지 않습니다.
D- 컨트롤러
I-Controller는 잘못된 미래 행동을 예측할 수있는 능력이 없습니다. 따라서 설정 점이 변경되면 정상적으로 반응합니다. D- 컨트롤러는 잘못된 미래 행동을 예측 하여이 문제를 극복합니다. 출력은 시간과 관련하여 오차 변화 속도에 따라 차동 상수를 곱합니다. 시스템 응답이 증가하는 출력에 대한 시작을 제공합니다.
위의 그림에서, D 컨트롤러는 PI 컨트롤러보다 더 많은 응답을 가지며 출력의 빌드 업 시간이 줄어 듭니다. I 컨트롤러로 인한 위상 지연을 보상함으로써 시스템의 안정성을 향상시킵니다. 차등 이득을 증가 시키면 응답이 향상됩니다.
PID 컨트롤러의 역할
비례 규제의 역할
시스템의 편차에 대한 비례적인 반응은 시스템이 이탈되면 비례 규제는 즉시 편차를 줄이기위한 규제를 생성합니다. 비례가 크면 조정 속도를 높이고 오류를 줄일 수 있지만 너무 많은 비율은 시스템의 안정성을 감소시키고 시스템 불안정성을 유발합니다.
적분 규제
시스템이 정상 상태 오류를 제거하고 차분하지의 정도를 향상시킵니다. 오류가 있기 때문에 차이가 없을 때까지 적분 규정이 수행되며, 적분 규제가 중지되고 적분 규제는 일정한 값을 출력합니다. 적분 효과의 강도는 적분 시간 상수 Ti에 의존하고, Ti가 작을수록, 적분 효과가 강해집니다. 반대로, TI가 크면, 적분 효과가 약하고, 적분 조절의 추가로 인해 시스템 안정성이 감소하고 동적 응답이 느려집니다.
차등 조절
차등 동작은 시스템 편차 신호의 변화 속도를 반영하며, 예측 가능성과 함께 편차 변화의 추세를 예측할 수 있으므로, 편차에서 제어 역할을 앞서 생성 할 수 있습니다. 노이즈 간섭에 대한 차등 동작은 증폭 효과가 있으므로 너무 강한 차등 조절이 있으므로 시스템은 반 간 회의에 좋지 않습니다.
PID 제어 응용 프로그램 개발 방향
생산 공정에서 제품 품질을 향상시키고 생산을 늘리기 위해 생산, 원자재 절약, 생산 관리 및 생산 공정은 항상 최적의 작업 조건에 있습니다. 따라서, 최적의 제어 방법이 생성되며, 이는 적응 형 제어라고합니다. 이러한 유형의 제어에서 시스템은 측정 된 매개 변수, 환경 및 원료 비용의 변화에 따라 시스템을 자동으로 조정하여 시스템이 항상 최적 상태에 있도록해야합니다. 적응 형 제어는 성능 추정 (차별), 의사 결정 및 수정의 세 가지 구성 요소로 구성됩니다. 마이크로 컴퓨터 제어 시스템의 개발 방향입니다. 그러나 통제법은 파악하기가 어렵 기 때문에 문제를 해결하기가 어렵습니다. 적응 형 PID 제어에는 살아있는 생물이 외부 조건의 변화에 적응할 수있는 것과 같은 몇 가지 지능적인 특징이 제공됩니다. 자체 학습 시스템도 있습니다. 더 똑똑합니다.