PID kontroler je široko korišteni regulator u području industrijske kontrole, njegovo puno ime je proporcionalno-integralno-derivatni regulator (proporcionalno-integralno-derivatni kontroler). To je linearni kontroler, kroz proporcionalne (p), integralne (i) i diferencijalne (d) tri parametra prilagodbe, kako bi se postigla točna kontrola izlaza sustava.
Prvo, osnovni princip PID kontrolera
Proporcionalna kontrola (P kontrola)
Proporcionalna kontrola je najosnovnija metoda upravljanja u PID kontroleru. Njegova temeljna ideja je usporediti odstupanje između izlazne vrijednosti sustava i željene vrijednosti, a zatim prilagoditi količinu upravljanja prema veličini odstupanja. Formula za proporcionalnu kontrolu je:
u (t)=kp * e (t)
Gdje u (t) označava kontrolnu količinu, KP označava koeficijent proporcionalnosti i E (t) označava odstupanje.
Prednost proporcionalne kontrole je brzi odgovor, ali nedostatak je postojanje pogreške u stabilnom stanju, tj. Kada sustav dosegne stabilno stanje, još uvijek postoji odstupanje između izlazne vrijednosti i željene vrijednosti.
Integralna kontrola (i kontrola)
Uvedena je integralna kontrola kako bi se uklonila pogreška stabilnog stanja u proporcionalnoj kontroli. Njegova temeljna ideja je integrirati akumuliranu vrijednost odstupanja tijekom vremena, a zatim prilagoditi kontrolnu količinu prema integralnoj vrijednosti. Formula za integralnu kontrolu je:
u (t)=u (t -1) + ki * ∫e (t) dt
gdje ki označava integralni koeficijent i ∫e (t) DT označava integralnu vrijednost odstupanja.
Prednost integralne kontrole je u tome što eliminira pogrešku u stabilnom stanju, ali nedostatak je u tome što može uzrokovati prekoračenje i oscilacije u sustavu.
Diferencijalna kontrola (D kontrola)
Uvedena je diferencijalna kontrola kako bi se poboljšala stabilnost i brzina odziva sustava. Njegova temeljna ideja je predvidjeti trend odstupanja, a zatim prilagoditi kontrolnu količinu prema trendu. Formula za diferencijalnu kontrolu je:
u (t)=u (t -1) + kd * de (t)/dt
gdje KD označava diferencijalni koeficijent i DE (t)/DT označava brzinu promjene odstupanja.
Prednost diferencijalne kontrole je u tome što može poboljšati stabilnost i brzinu odziva sustava, ali nedostatak je u tome što je osjetljiv na buku i može dovesti do fluktuacija u kontrolnoj količini.
Drugo, metoda dizajniranja PID kontrolera
Odredite cilj upravljanja
Prije dizajniranja PID kontrolera prvo morate definirati kontrolni cilj, odnosno kakvo stanje želite da se izlaz sustava postigne. Kontrolni cilj može biti pogreška u stabilnom stanju, prerastanje, vrijeme porasta itd.
Uspostaviti matematički model
Prema načelu rada stvarnog sustava, uspostavite matematički model. Matematički model može biti linearni ili nelinearni. Za linearne sustave, za modeliranje mogu se koristiti funkcije prijenosa, prostori i druge metode; Za nelinearne sustave mogu se koristiti neuronske mreže, nejasna kontrola i druge metode za modeliranje.
Odredite PID parametre
Prema kontrolnom cilju i matematičkom modelu, odredite proporcionalni koeficijent KP, integralni koeficijent KI i diferencijalni koeficijent KD PID kontrolera. Najčešće korištene metode podešavanja parametara su:
(1) Empirijska metoda: Prema iskustvu, odaberite odgovarajući proporcionalni koeficijent, integralni koeficijent i diferencijalni koeficijent.
(2) Metoda pokušaja i pogreške: stalnim podešavanjem PID parametara i promatranjem odgovora sustava, sve dok se ne postigne zadovoljavajući učinak kontrole.
(3) Metoda optimizacije: Koristite algoritme za optimizaciju (kao što su genetski algoritam, algoritam roja čestica itd.) Da biste optimizirali PID parametre za postizanje najboljeg učinka kontrole.
Provjera simulacije
Nakon određivanja PID parametara, potrebno je provoditi provjeru simulacije. Provjera simulacije može se provesti pomoću softvera kao što su MATLAB, Simulink itd. Kroz simulacijsku provjeru, performanse PID kontrolera može se provjeriti da li ispunjava kontrolne ciljeve.
Praktična primjena
Nakon što se provede provjera simulacije, PID kontroler se primjenjuje na stvarni sustav. U procesu praktične primjene, PID parametri će možda trebati biti prilagođeni kako bi se prilagodili promjenama u stvarnim radnim uvjetima.
Treće, primjena PID kontrolera
PID kontroler široko se koristi u području industrijske kontrole zbog svojih jednostavnih, praktičnih, jednostavnih za implementaciju i drugih karakteristika. Uobičajena područja prijave uključuju:
Kontrola temperature: poput kotlova, klima uređaja, kemijskih reaktora.
Kontrola protoka: poput vodenih pumpi, kompresora, transporta cjevovoda.
Kontrola tlaka: kao što su hidraulički sustavi, pneumatski sustavi itd.
Kontrola brzine: kao što su motori, transportne trake itd.
Kontrola položaja: poput robota, dizalica, itd.
Kontrola procesa kemijske reakcije: poput kemijskih reaktora, fermentacijskih spremnika.
Četvrto, prednosti i nedostaci PID kontrolera
Prednosti
(1) Jednostavna struktura: PID kontroler sastoji se od proporcionalnih, integralnih, diferencijalnih tri dijela, jednostavne strukture, lako razumljivih i realizacije.
(2) Jednostavno podešavanje parametara: Parametri PID regulatora (KP, KI, KD) mogu se prilagoditi prema kontrolnom cilju, imaju dobru fleksibilnost.
(3) Širok raspon primjene: PID kontroleri primjenjivi su na različite linearne i nelinearne sustave, s dobrom univerzalnošću.
(4) Niski troškovi realizacije: PID kontroler ima niske troškove realizacije i može se primijeniti na različite sustave industrijskog upravljanja.
Nedostaci
(1) Osjetljiva na buku: diferencijalna kontrola osjetljiva je na buku, što može dovesti do fluktuacija u upravljanju.
(2) Poteškoća u podešavanju parametara: Za složene sustave prilagođavanje PID parametara može biti teško, što zahtijeva mnogo testova i prilagodbe.
(3) Nemogućnost bavljenja nelinearnim sustavima: Za nelinearne sustave, performanse PID kontrolera ne mogu se baviti nelinearnim sustavima.