Ο διαφορικός αναλογικός-ολοκληρωτικός ρυθμιστής είναι μια συσκευή που εγκαθίσταται σε αυτοματοποιημένα συστήματα για τη διατήρηση μιας δεδομένης παραμέτρου ικανής να μεταβληθεί.
Με την πρώτη ματιά προκαλεί σύγχυση, αλλά είναι δυνατόν να εξηγήσουμε τον έλεγχο PID και για χαζούς, δηλ. άτομα που δεν είναι αρκετά εξοικειωμένα με τα ηλεκτρονικά συστήματα και τις συσκευές.
Περιεχόμενα
Τι είναι ο ελεγκτής PID;
Ο ελεγκτής PID είναι μια συσκευή ενσωματωμένη στο κύκλωμα ελέγχου με υποχρεωτική ανατροφοδότηση. Είναι σχεδιασμένο για να διατηρεί τα επίπεδα των καθορισμένων σημείων, π.χ. τη θερμοκρασία του αέρα.
Η συσκευή παρέχει ένα σήμα ελέγχου ή ένα σήμα εξόδου στον ελεγκτή, με βάση τα δεδομένα που λαμβάνονται από αισθητήρες ή πομπούς. Οι ελεγκτές έχουν υψηλή ακρίβεια και ποιότητα απόδοσης κατά τη μετάβαση.
Τρεις συντελεστές του ελεγκτή PID και αρχή λειτουργίας
Η λειτουργία του ελεγκτή PID είναι να παρέχει ένα σήμα εξόδου της ισχύος που απαιτείται για τη διατήρηση της ελεγχόμενης παραμέτρου σε ένα προκαθορισμένο επίπεδο. Για τον υπολογισμό της τιμής χρησιμοποιείται ένας σύνθετος μαθηματικός τύπος, ο οποίος περιλαμβάνει 3 συντελεστές - αναλογικό, ολοκληρωτικό, διαφορικό.
Ας πάρουμε ως αντικείμενο ελέγχου μια δεξαμενή με νερό, στην οποία είναι απαραίτητο να διατηρηθεί η θερμοκρασία σε ένα δεδομένο επίπεδο ρυθμίζοντας τον βαθμό ανοίγματος μιας βαλβίδας ατμού.
Η αναλογική συνιστώσα εμφανίζεται τη στιγμή της αναντιστοιχίας με τα δεδομένα εισόδου. Με απλά λόγια ακούγεται ως εξής - λαμβάνεται η διαφορά μεταξύ της πραγματικής και της επιθυμητής θερμοκρασίας, πολλαπλασιάζεται με έναν ρυθμιζόμενο συντελεστή και λαμβάνεται το σήμα εξόδου που πρέπει να εφαρμοστεί στη βαλβίδα. Με άλλα λόγια, μόλις η θερμοκρασία πέσει, ξεκινά η διαδικασία θέρμανσης- μόλις ανέβει πάνω από την επιθυμητή θερμοκρασία, απενεργοποιείται ή και ψύχεται.
Ακολουθεί το αναπόσπαστο στοιχείο, το οποίο έχει σχεδιαστεί για να αντισταθμίζει τις επιδράσεις του περιβάλλοντος ή άλλες ενοχλητικές επιδράσεις στη διατήρηση της θερμοκρασίας μας στο σημείο ρύθμισης. Δεδομένου ότι υπάρχουν πάντα πρόσθετοι παράγοντες που επηρεάζουν τις ελεγχόμενες συσκευές, το σχήμα αλλάζει ήδη όταν φτάνουν τα δεδομένα για τον υπολογισμό της αναλογικής συνιστώσας. Και όσο μεγαλύτερες είναι οι εξωτερικές επιδράσεις, τόσο μεγαλύτερες είναι οι διακυμάνσεις στο σχήμα. Εμφανίζονται άλματα στην παροχή ισχύος.
Το ολοκληρωμένο στοιχείο προσπαθεί να επιστρέψει την τιμή της θερμοκρασίας με βάση τις προηγούμενες τιμές, εάν έχει αλλάξει. Η διαδικασία περιγράφεται λεπτομερέστερα στο παρακάτω βίντεο.
Στη συνέχεια, το σήμα εξόδου του ρυθμιστή τροφοδοτείται σύμφωνα με τον συντελεστή για την αύξηση ή τη μείωση της θερμοκρασίας. Με την πάροδο του χρόνου, επιλέγεται μια τιμή που αντισταθμίζει τους εξωτερικούς παράγοντες και οι υπερβάσεις εξαφανίζονται.
Το ολοκλήρωμα χρησιμοποιείται για την εξάλειψη των σφαλμάτων με τον υπολογισμό του στατικού σφάλματος. Το κύριο πράγμα σε αυτή τη διαδικασία είναι η επιλογή του σωστού συντελεστή, διαφορετικά το σφάλμα (αναντιστοιχία) θα επηρεάσει και την ολοκληρωτική συνιστώσα.
Η τρίτη συνιστώσα PID είναι η διαφορική συνιστώσα. Έχει σχεδιαστεί για να αντισταθμίζει τις επιπτώσεις των καθυστερήσεων που εμφανίζονται μεταξύ της επίδρασης στο σύστημα και της ανατροφοδότησης. Ο αναλογικός ελεγκτής παρέχει ισχύ μέχρι η θερμοκρασία να φτάσει στη σωστή τιμή, αλλά υπάρχουν πάντα σφάλματα κατά τη μετάδοση πληροφοριών στη συσκευή, ειδικά σε υψηλές τιμές. Αυτό μπορεί να οδηγήσει σε υπερθέρμανση. Το διαφορικό προβλέπει τις αποκλίσεις που προκαλούνται από καθυστερήσεις ή περιβαλλοντικές επιδράσεις και μειώνει εκ των προτέρων την παρεχόμενη ισχύ.
Ρύθμιση ενός ελεγκτή PID
Ο ελεγκτής PID συντονίζεται με 2 μεθόδους:
- Η σύνθεση περιλαμβάνει τον υπολογισμό των παραμέτρων με βάση το μοντέλο του συστήματος. Ο συντονισμός αυτός είναι ακριβής, αλλά απαιτεί βαθιά γνώση της θεωρίας του αυτόματου ελέγχου. Μπορεί να γίνει μόνο από μηχανικούς και επιστήμονες. Καθώς είναι απαραίτητο να ληφθούν χαρακτηριστικά ροής και να γίνουν πολλοί υπολογισμοί.
- Η χειροκίνητη μέθοδος βασίζεται στη δοκιμή και το λάθος. Αυτό επιτυγχάνεται με τη λήψη δεδομένων από ένα ήδη υπάρχον σύστημα και την πραγματοποίηση ορισμένων προσαρμογών σε έναν ή περισσότερους ρυθμιστικούς συντελεστές. Μετά την ενεργοποίηση και την παρατήρηση του τελικού αποτελέσματος, οι παράμετροι αλλάζουν προς την επιθυμητή κατεύθυνση. Και ούτω καθεξής, μέχρι να επιτευχθεί το επιθυμητό επίπεδο απόδοσης.
Οι μέθοδοι θεωρητικής ανάλυσης και συντονισμού χρησιμοποιούνται σπάνια στην πράξη, λόγω έλλειψης γνώσης των χαρακτηριστικών του αντικειμένου ελέγχου και πλήθους πιθανών διαταρακτικών επιδράσεων. Οι πειραματικές μέθοδοι που βασίζονται στην παρατήρηση του συστήματος είναι πιο συνηθισμένες.
Οι σύγχρονες αυτοματοποιημένες διεργασίες υλοποιούνται ως εξειδικευμένες μονάδες υπό τον έλεγχο λογισμικού για την προσαρμογή των συντελεστών ρύθμισης.
Σκοπός του ελεγκτή PID
Ο ελεγκτής PID έχει σχεδιαστεί για να διατηρεί μια συγκεκριμένη τιμή - θερμοκρασία, πίεση, στάθμη σε μια δεξαμενή, ροή σε έναν αγωγό, συγκέντρωση κάποιου προϊόντος κ.λπ. - σε ένα απαιτούμενο επίπεδο, αλλάζοντας τη δράση ελέγχου σε ενεργοποιητές, όπως οι βαλβίδες αυτόματου ελέγχου, χρησιμοποιώντας αναλογικές, ολοκληρωτικές, διαφοροποιητικές τιμές για τη ρύθμισή του.
Σκοπός της εφαρμογής είναι η λήψη ενός ακριβούς σήματος ελέγχου, το οποίο είναι ικανό να ελέγχει μεγάλες εγκαταστάσεις, ακόμη και αντιδραστήρες σταθμών παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας.
Παράδειγμα κυκλώματος ελέγχου θερμοκρασίας
Οι ελεγκτές PID χρησιμοποιούνται συχνά στον έλεγχο της θερμοκρασίας, ας πάρουμε το απλό παράδειγμα της θέρμανσης νερού σε μια δεξαμενή ως παράδειγμα αυτής της αυτόματης διαδικασίας.
Η δεξαμενή είναι γεμάτη με υγρό που πρέπει να θερμανθεί στην επιθυμητή θερμοκρασία και να διατηρηθεί στο επιθυμητό επίπεδο. Υπάρχει ένας αισθητήρας θερμοκρασίας στο εσωτερικό της δεξαμενής - ένα θερμοζεύγος. θερμοστοιχείο ή θερμόμετρο αντίστασης και συνδέεται απευθείας με τον ελεγκτή PID.
Θα παρέχουμε ατμό για τη θέρμανση του υγρού, όπως φαίνεται στην παρακάτω εικόνα, με την αυτόματη βαλβίδα ελέγχου. Η ίδια η βαλβίδα λαμβάνει σήμα από τον ελεγκτή. Ο χειριστής εισάγει στον ελεγκτή PID την τιμή ρύθμισης της θερμοκρασίας που πρέπει να διατηρείται στη δεξαμενή.
Εάν οι συντελεστές του ελεγκτή είναι λανθασμένοι, η θερμοκρασία του νερού θα κάνει άλμα και η βαλβίδα θα είναι πλήρως ανοικτή και πλήρως κλειστή. Στην περίπτωση αυτή, οι συντελεστές PID πρέπει να υπολογιστούν και να εισαχθούν εκ νέου. Εάν γίνει σωστά, μετά από σύντομο χρονικό διάστημα το σύστημα θα εξισορροπηθεί και η θερμοκρασία στη δεξαμενή θα διατηρηθεί στη ρυθμισμένη θερμοκρασία, με το βαθμό ανοίγματος της βαλβίδας ελέγχου στη μεσαία θέση.
Σχετικά άρθρα:
