Grundlegendes zum PID-Regler

Die erste erfolgreiche Bewertung der PID-Regelungstheorie wurde bereits im Jahr 1920 im Bereich der automatischen Lenksysteme für Schiffe praktisch verifiziert. Danach wurde sie in verschiedenen industriellen automatischen Prozessregelungen angewendet, die optimierte und genaue Spezifikationen für die Fertigungsleistung erfordern. Für Fertigungseinheiten wurde PID im Volksmund implementiert, um eine präzise pneumatische Regelung zu erreichen, und letztendlich wurde die PID-Theorie in der heutigen Zeit in elektronischen Reglern angewendet.

Was ist ein PID-Regler?

Der Begriff PID ist die Abkürzung für Proportional Integral Derivative Controller, ein Rückkopplungsschleifenmechanismus, der zur genauen Steuerung verschiedener industrieller Steuerungsmaschinen und vieler anderer ähnlicher Anwendungen entwickelt wurde, die kritische und automatisierte Modulationssteuerungen erfordern.

Um dies umzusetzen, überwacht ein PID-Regler kontinuierlich den Systembetrieb und berechnet das induzierte Fehlerelement. Dieser momentane Fehlerwert wird dann in Form einer Differenz zwischen dem erforderlichen Sollwert (SP) und der gemessenen Prozessvariablen (PV) ausgewertet.

In Bezug auf das Obige wird eine sofortige und automatische Rückkopplungskorrektur in Bezug auf proportionale (P), integrale (I) und abgeleitete (D) Ausdrücke und daher den Namen PID-Regler ausgeführt.

Mit einfachen Worten, ein PID-Regler überwacht kontinuierlich die Funktionsweise eines bestimmten Maschinensystems und korrigiert seine Ausgangsantwort in Abhängigkeit von den durch externe Einflüsse verursachten Schwankungen durch einen bestimmten Algorithmus. Somit wird sichergestellt, dass die Maschine immer unter den festgelegten idealen Bedingungen arbeitet.

Grundlegendes zum PID-Blockdiagramm

Ein PID-Regler wird aufgrund seiner Fähigkeit, drei Regelparameter zu erkennen und zu verwalten: proportional, integriert und abgeleitet, als vielseitiges Regelungssystem angesehen und die beabsichtigte optimale Regelung mit Bezug auf diese drei Parameter mit äußerster Genauigkeit auf den Ausgang angewendet.

Das Bild unten zeigt das Blockschaltbild der PID. Anhand dieses Blockdiagramms können wir das Grundprinzip der Funktionsweise einer PID schnell verstehen.

Bildhöflichkeit: en.wikipedia.org/wiki/File:PID_en.svg

Hier können wir einen Satz von Variablen sehen, wie z. B. e (t) entsprechend dem Fehlerwert, r (t) entsprechend dem Zielsollwert und y (t) als gemessene Prozessvariable. Der PID-Regler überwacht während seines gesamten Betriebs den Fehlerwert e (t), indem er die Differenz zwischen dem beabsichtigten Sollwert r (t) oder SP und dem gemessenen Prozesswert y (t) oder PV bewertet und folglich eine Rückkopplungskorrektur oder -optimierung unter Verwendung der Parameter durchführt nämlich: proportional, integral und abgeleitet.

Die Steuerung bemüht sich weiterhin, den Fehlereffekt durchgehend zu reduzieren, indem sie die Steuervariable u (t) auf der Grundlage der analysierten gewichteten Summe der Steuerterme (p, I, d) auf neue Werte einstellt.

Beispielsweise kann beim Betrieb einer Ventilsteuerung deren Öffnen und Schließen durch eine PID durch komplexe Bewertungen, wie oben erläutert, kontinuierlich variiert werden.

In dem gezeigten System können die verschiedenen Begriffe wie folgt verstanden werden:

P-Controller:

Der Term P ist proportional zu den momentanen Fehlerwerten e (t), die durch Bewertung des Ergebnisses für SP - PV erhalten wurden. In Situationen, in denen der Fehlerwert tendenziell groß wird, wird der Steuerausgang auch proportional zum Verstärkungsfaktor 'K' größer. In einem Prozess, der eine Kompensation erfordert, wie beispielsweise bei der Temperaturregelung, kann die Proportionalregelung allein zu Ungenauigkeiten über den Sollwert und den tatsächlichen Prozesswert führen, da sie ohne eine Fehlerrückmeldung zur Erzeugung der Proportionalantwort nicht zufriedenstellend funktionieren kann. Dies bedeutet, dass ohne eine Fehlerrückmeldung möglicherweise keine ordnungsgemäße Korrekturreaktion möglich ist.

I-Controller:

Der Begriff I wird für die zuvor ausgewerteten Werte von SP-PV-Fehlern verantwortlich und integriert sie während seiner Betriebsdauer, um den Begriff I zu erstellen. Während beispielsweise die Proportionalregelung angewendet wird, wenn der SP-PV einen Fehler erzeugt, wird der Parameter I. wird aktiv und versucht, diesen Restfehler zu beenden. Dies geschieht tatsächlich mit einer Steuerantwort, die aufgrund des kumulierten Werts des zu einem früheren Zeitpunkt aufgezeichneten Fehlers ausgelöst wird. Sobald dies geschieht, hört der I-Begriff auf, sich weiter zu verbessern. Dies bewirkt, dass der proportionale Effekt entsprechend abnimmt, wenn der Fehlerfaktor abnimmt, obwohl dies auch kompensiert wird, wenn sich der integrale Effekt entwickelt.

D-Controller:

Der Term D ist eine am besten geeignete Näherung, die für die sich entwickelnden Trends für den SP - PV - Fehler abgeleitet wird, abhängig von der augenblicklichen Änderungsrate des Fehlerfaktors. Wenn sich diese Änderungsrate schnell erhöht, wird die Rückkopplungssteuerung aggressiver implementiert und umgekehrt.

Was ist PID-Tuning?

Die oben diskutierten Parameter erfordern möglicherweise ein korrektes Auswuchten, um eine optimale Steuerfunktion sicherzustellen, und dies wird durch einen Prozess erreicht, der als 'Schleifenabstimmung' bezeichnet wird. Die beteiligten Abstimmungskonstanten werden als 'K' bezeichnet, wie in den folgenden Abzügen gezeigt. Jede dieser Konstanten muss für eine ausgewählte Anwendung einzeln abgeleitet werden, da die Konstanten streng von den Eigenschaften und Einflüssen der spezifischen externen Parameter in der Schleife abhängen und variieren. Dies kann die Reaktion der Sensoren umfassen, die zum Messen eines bestimmten Parameters verwendet werden, das endgültige Drosselelement wie ein Steuerventil, eine mögliche Zeitspanne im Schleifensignal und den Prozess selbst usw.

Es kann akzeptabel sein, zu Beginn der Implementierung angenäherte Werte für die Konstanten zu verwenden, die auf der Art der Anwendung basieren. Dies kann jedoch letztendlich eine ernsthafte Feinabstimmung und Optimierung durch praktisches Experimentieren erfordern, indem Änderungen der Sollwerte erzwungen und anschließend die Reaktion der Systemkontrolle.

Unabhängig davon, ob es sich um ein mathematisches Modell oder eine praktische Schleife handelt, können beide eine 'direkte' Steueraktion für die angegebenen Begriffe verwenden. Das heißt, wenn eine Zunahme eines positiven Fehlers festgestellt wird, wird eine entsprechend erhöhte positive Kontrolle eingeleitet, um die Situation für die beteiligten zusammengefassten Begriffe zu kontrollieren.

Es kann jedoch erforderlich sein, dies in Anwendungen umzukehren, in denen der Ausgabeparameter eine entgegengesetzt konfigurierte Charakteristik aufweisen kann, die eine umgekehrte Korrekturmaßnahme erfordert. Betrachten wir das Beispiel eines Durchflusskreislaufs, bei dem der Ventilöffnungsprozess so spezifiziert ist, dass er mit 100% und 0% Leistung arbeitet, aber mit einer entsprechenden 0% und 100% Leistung gesteuert werden muss. In diesem Fall ist eine umgekehrte Korrektursteuerung unerlässlich. Um genauer zu sein, betrachten Sie ein Wasserkühlsystem mit einer Schutzfunktion, bei der das Ventil während eines Signalverlusts zu 100% geöffnet sein muss. In diesem Fall muss der Reglerausgang in Abwesenheit eines Signals auf 0% Regler umschalten können, damit das Ventil zu 100% öffnen kann. Dies wird als 'rückwärts wirkende' Regler bezeichnet.

Mathematisches Modell der Steuerfunktion

In diesem mathematischen Modell bezeichnen alle nicht negativen Konstanten Kp, Ki und Kd Koeffizienten für die proportionalen, integralen und abgeleiteten Terme (in einigen Fällen werden diese auch mit P, I und D bezeichnet).

Anpassen der PID-Regelungsbedingungen

Aus den obigen Diskussionen haben wir verstanden, dass das PID-Regelungssystem grundsätzlich mit drei Regelparametern arbeitet. Einige kleinere Anwendungen bevorzugen jedoch möglicherweise die Verwendung einiger dieser Begriffe oder sogar eines einzelnen Begriffs aus den drei Begriffen.

Die Anpassung erfolgt durch Rendern des nicht verwendeten Terms auf Null und Einbeziehen der beiden Terme PI, PD oder einzelner Terme wie P oder I. Unter diesen ist die PI-Reglerkonfiguration häufiger, da der Term D normalerweise anfällig für Rauschen ist Einflüsse und daher in den meisten Fällen beseitigt, sofern nicht zwingend vorgeschrieben. Term I ist normalerweise enthalten, da er sicherstellt, dass das System den beabsichtigten optimalen Zielwert am Ausgang erreicht.