什么是PID控制器:工作原理及其应用

顾名思义,本文将为PID控制器的结构和工作提供精确的思路。但详细介绍,让我们了解PID控制器的介绍。PID控制器位于各种应用中的工业过程控制中。大约95%的闭环操作工业自动化扇区使用PID控制器。PID代表比例-积分-导数。这三个控制器以产生控制信号的方式组合在一起。作为一个反馈控制器,它在期望的水平上提供控制输出。在微处理器发明之前,PID控制是由模拟电子元件实现的。但是现在所有的PID控制器都是由微处理器来处理的。可编程逻辑控制器还具有内置PID控制器指令。由于PID控制器的灵活性和可靠性,这些传统上用于过程控制应用。


什么是PID控制器?

PID是比例积分导数的缩写,它是一种在工业应用中用于控制不同过程变量如压力、流量、温度、速度的装置。在该控制器中,采用控制回路反馈装置对所有过程变量进行调节。

这种类型的控制用于在目标位置的方向上驱动系统。它几乎各处都是温度控制,在科学过程中使用,自动化和无数化学品。在该控制器中,如果可能,闭环反馈用于从靠近替换图的物镜的方法维持真实的输出,如果可能,否则就否则地输出。在本文中,讨论了与P,如P,I&D中使用的控制模式的PID控制器设计。

历史

PID控制器的历史是,在1911年,Elmer Sperry开发了第一个PID控制器。此后,TIC(泰勒仪器公司)在1933年实现了完全可调的前气动控制器。几年后,控制工程师通过将末端恢复到错误值直到误差不为零来消除比例控制器中发现的稳态误差。

这种Reuning包括称为比例积分控制器的错误。之后,在1940年,第一个充气PID控制器是通过衍生作用开发的,以减少过冲问题。

1942年,Ziegler&Nichols引入了调整规则来发现和设置工程师PID控制器的合适参数。最后,自动PID控制器在1950年中段广泛使用行业。

PID控制器框图

一个像PID控制器的闭环系统包括一个反馈控制系统。该系统使用不动点来评估反馈变量以产生误差信号。在此基础上,它改变系统输出。这个过程将持续到误差为零,否则反馈变量的值将等价于一个不动点。

PCBWAY.

与ON/OFF型控制器相比,该控制器提供了良好的结果。在ON/OFF型控制器中,只有两种条件可以用来管理系统。一旦进程值低于固定点,它就会打开。类似地,当值高于固定值时,它将关闭。这种控制器的输出是不稳定的,在不动点区域内会出现频繁的摆动。然而,与ON/OFF类型的控制器相比,该控制器更稳定和准确。

PID控制器的工作
PID控制器的工作

PID控制器的工作原理

使用低成本简单的ON-OFF控制器,只有两种控制状态是可能的,像完全ON或完全OFF。它用于有限的控制应用,其中这两种控制状态对于控制目标是足够的。然而,这种控制的振荡性质限制了它的使用,因此它被PID控制器所取代。

PID控制器维护输出,使得通过闭环操作的过程变量和设定值/期望输出之间存在零误差。PID使用下面解释的三种基本控制行为。


P-控制器

比例或P-Controller给出了与当前误差e(t)成比例的输出。它将所需的或设置点与实际值或反馈过程值进行比较。产生的误差乘以比例常数以获得输出。如果误差值为零,则该控制器输出为零。

P-controller
P-controller

该控制器需要偏置或手动复位时,单独使用。这是因为它从未达到稳态条件。它提供稳定的运行,但始终保持稳态误差。随着比例常数Kc的增大,响应速度增大。

P-Controller响应
P-Controller响应

我控制器

由于p-控制器的限制,过程变量与设定值之间总是存在偏移,因此需要i -控制器,它提供了消除稳态误差的必要措施。它在一段时间内对误差进行集成,直到误差值为零。它保存了最终控制设备的值,在该控制设备上错误变为零。

比例积分控制器
比例积分控制器

当出现负误差时,积分控制降低其输出。它限制了响应速度,影响了系统的稳定性。响应速度是通过减小积分增益Ki来增加的。

比例积分控制器响应
比例积分控制器响应

在上图中,随着I控制器的增益降低,​​稳态误差也降低了。对于大多数情况,PI控制器特别用于不需要高速响应的位置。

在使用PI控制器的同时,I-Controller输出仅限于克服的范围积分了由于工厂中的非线性,积分输出在零误差状态下继续增加的条件。

D-Controller

I-controller没有能力预测未来的错误行为。所以一旦设定值改变它就会正常反应。d -控制器通过预测误差的未来行为来克服这个问题。它的输出取决于误差对时间的变化率,乘以导数常数。它为输出提供了启动,从而增加了系统响应。

PID控制器
PID控制器

在上面D的响应图中,控制器比PI控制器更大,而且输出的稳定时间也减少了。通过补偿i -控制器引起的相位滞后,提高了系统的稳定性。增加导数增益可以增加响应速度。

PID控制器响应
PID控制器响应

最后我们观察到,通过组合这三个控制器,我们可以得到系统的期望响应。不同的厂家设计了不同的PID算法。

PID控制器的类型

PID控制器分为三种类型,如ON/OFF,比例,标准类型控制器。这些控制器都是基于使用的控制系统,用户可以使用控制器来调节的方法。

开/关控制

开关控制方法是用于温度控制的最简单的设备类型。设备输出可以是ON/OFF通过无中心状态。这个控制器将打开输出简单一旦温度越过固定点。限位控制器是一种特殊的ON/OFF控制器,它使用了闭锁继电器。该继电器手动复位,并用于在达到一定温度时关闭方法。

比例控制

这种控制器的设计是为了去除通过ON/OFF控制连接的循环。该PID控制器将降低正常功率,这是提供给加热器一旦温度达到固定点。

该控制器有一个功能,以控制加热器,使它不会超过固定点,但它将达到固定点,以保持稳定的温度。
这种比例行为可以通过开启和关闭输出来实现小时间段。该时间比例将从时间改变为控制温度的时间为OFF时间。

标准型PID控制器

这种PID控制器将通过积分和微分控制合并比例控制,自动辅助单元补偿系统内的修改。这些修改、积分和导数都是以时间为单位表示的。

这些控制器也通过它们的倒数,相应的RATE和RESET来引用。PID的条款必须单独调整,否则调整到一个特定的系统与试验和错误。这些控制器将提供最精确和稳定的控制三种类型的控制器。

实时PID控制器

目前,市场上有各种各样的PID控制器。这些控制器用于工业控制要求,如压力、温度、液位和流量。一旦这些参数通过PID控制,选择包括利用单独的PID控制器或PLC。
这些单独的控制器被用于任何需要检查和控制一个或两个回路的地方,否则在任何情况下,它是复杂的进入通过更大的系统。

这些控制装置提供了不同的选择单独和双回路控制。独立类型PID控制器提供几个定点配置,以产生自治的几个报警。
这些独立控制器主要包括Honeywell的PID控制器、横河的温度控制器、OMEGA、西门子和ABB控制器的自动调谐控制器。

在大多数工业控制应用中,PLC被像PID控制器一样使用。PID块的安排可以在PACs或PLC中完成,为精确的PLC控制提供优越的选择。与单独的控制器相比,这些控制器更智能,功能更强大。每个PLC在软件编程中都包含了PID模块。

调整方法

在PID控制器开始工作之前,必须对其进行调整以适应要控制的过程的动态。设计人员为P、I和D项给出默认值,这些值不能给出所需的性能,有时会导致不稳定和控制性能缓慢。开发了不同类型的整定方法来整定PID控制器,要求操作者非常注意选择比例增益、积分增益和导数增益的最佳值。下面给出了其中一些。

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调整以生成首选输出。在这里,调整只不过是通过设置最佳比例增益,积分和衍生因子来接收来自控制器的理想回复的过程。

PID控制器的期望输出可以通过整定控制器得到。有不同的技术可以从控制器获得所需的输出,如试错,齐格勒-尼科尔斯和过程反应曲线。最常用的方法有试错法、齐格勒-尼科尔斯法等。

试验和错误方法:它是一种简单的PID控制器调谐方法。当系统或控制器正在运行时,我们可以调整控制器。在此方法中,首先,我们必须将ki和kd值设置为零并增加比例项(kp),直到系统达到振荡行为。一旦振荡,调整ki(积分术语),使振荡停止并最终调整d以获得快速响应。

工艺反应曲线技术:这是一种开环调谐技术。当阶跃输入应用到系统时,它产生响应。最初,我们必须手动应用一些控制输出到系统,并必须记录响应曲线。

然后计算曲线的斜率、死时间、上升时间,最后将这些值代入P、I、D方程,得到PID项的增益值。

过程的反应曲线
过程的反应曲线

Zeigler-Nichols方法:Zeigler-Nichols提出了PID控制器的闭环整定方法。这就是连续循环法和阻尼振荡法。这两种方法的程序是相同的,但振荡行为是不同的。在这里,首先,我们必须设置p-控制器常数,Kp为一个特定的值而Ki和Kd的值为零。比例增益增加,直到系统以一个恒定的振幅振荡。

系统产生恒定振荡时的增益称为最终增益(Ku),振荡的周期称为最终周期(Pc)。一旦达到,我们就可以通过Zeigler-Nichols表在PID控制器中输入P、I、D的值,这取决于所使用的控制器如P、PI或PID,如下图所示。

Zeigler-Nichols表
Zeigler-Nichols表

PID控制器结构

PID控制器由三项控制组成,即比例控制、积分控制和微分控制。这三种控制器的联合操作为过程控制提供了一种控制策略。PID控制器控制过程变量,如压力,速度,温度,流量等。一些应用程序在级联网络中使用PID控制器,其中使用两个或多个PID控制器来实现控制。

PID控制器的结构
PID控制器的结构

上图给出了PID控制器的结构。它由一个PID块组成,该PID块将其输出给进程块。过程/工厂由诸如执行器、控制阀和其他控制装置等最终控制装置组成,以控制工业/工厂的各种过程。

将处理车间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)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,应用于被控设备。

所有的控件应用程序并不需要所有三个控件元素。像PI和PD控制这样的组合在实际应用中经常使用。

应用程序

PID控制器应用程序包括以下内容。

最好的PID控制器应用是温度控制,控制器使用温度传感器的输入,其输出可以与控制元素,如风扇或加热器。一般来说,这个控制器只是温度控制系统中的一个元件。在选择正确的控制器时,必须检查并考虑整个系统。

炉温控制

一般来说,熔炉用于加热以及在高温下保存大量的原材料。通常被占据的物质会包含一个巨大的质量。因此,它需要大量的惯性&材料的温度不会迅速改变,即使是在巨大的热应用。这一特性导致了一个中等稳定的PV信号,并允许导数周期有效地纠正故障,而没有对FCE或CO的极端变化。

MPPT充电控制器

光伏电池的V-I特性主要取决于温度范围和辐照度。根据天气情况,电流和工作电压会不断变化。所以,追踪高效光伏系统的最高ppt是非常重要的。PID控制器通过给PID控制器固定的电压和电流点来寻找最大功率点。一旦天气状况发生变化,跟踪器就会保持电流和电压的稳定。

电力电子的变换器

我们知道变换器是电力电子的一种应用,所以在变换器中大多采用PID控制器。当一个变换器通过一个基于负载变化的系统时,变换器的输出将会改变。例如,逆变器与负载相关;一旦负载增加,就会提供巨大的电流。因此,电压和电流的参数都是不稳定的,但它会根据需要而变化。

在这种状态下,该控制器将产生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。这些信号是根据故障信号产生的。在这种状态下,我们可以通过类似的逆变器获得可变的输入输出。

PID控制器的应用:无刷直流电动机的闭环控制

PID控制器接口

PID控制器的设计和接口可以通过Arduino单片机来完成。在实验室中,基于Arduino的PID控制器是用Arduino UNO板、电子元件、热电冷却器来设计的,而本系统使用的软件编程语言是C或c++。该系统用于控制实验室内的温度。

对特定控制器的PID参数物理地发现。可以通过不同形式的控制器之间的随后对比来实现各种PID参数的功能。
该接口系统可以通过±0.6℃的误差有效地计算温度,而通过与首选值的微小差异实现恒温调节。在这个系统中使用的概念将提供廉价和精确的技术,在实验室的首选范围内管理物理参数。

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、调优方法、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你们。在不同的整定方法中,哪一种方法最好用于实现PID控制器的最佳工作,为什么?

请在下面的评论区给出你的答案。

照片学分

PID控制器框图由维基
PID控制器的结构,P控制器,P控制器的响应和PID控制器博客.Opticontrols.
P -控制器响应由controls.engin.umich
PI-控制器响应由m.eet
PID控制器响应维基
Zeigler-Nichols表controls.engin

8的评论

  1. 瓦里斯- Shaheen上尉 说:

    为电气工程师的信息网页。

  2. GC Jyothi Prasanna 说:

    谢谢你,先生,真的很有用。
    我有一个疑问——“我们应该如何获得最终收益(Ku)和最终周期(Pc)价值?”我们需要用特殊的仪器来测量这些值吗?我们该如何将它与自我平衡机器人联系起来?

  3. Somdutt Acharya 说:

    本文对理解基本概念非常有用。我感谢你的。我希望我还可以获得一个基于热电偶的文章!

  4. 我真的很喜欢你的文章,你的文章非常
    让我在学习过程中望而却步
    额外的知识对我来说,也许我可以学习
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  5. Gurdhian辛格 说:

    它以简单的方式解释。发现它很有用

  6. Sudheer库马尔 说:

    这很有帮助,简单明了。你能不能用PI、PID调优等例子解释一下如何改变P、I和D值,这样会更有帮助。

  7. 卡利 说:

    谢谢你,先生,真的很有用。

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