8-900-374-94-44
Поискал я статьи на данном ресурсе на тему ПИД-регуляторов. Много статей. И с объяснением принципов работы таких регуляторов. И с алгоритмами подбора параметров. И с реализацией на конкретных железках и программах. Не увидел одного — симуляции ПИД-регуляторов на моделях, с тем, чтобы пользователь без использования без всякого железа мог «пощупать» работу ПИД-регулятора.
Для этого создана матмодель нагревательного элемента с датчиком температуры и ПИД-регулятором (разумеется, с кучей упрощений, но без ущерба для реалистичности). Реализовано это на обычном Excel. С тем, чтобы любой пользователь мог сам «покрутить» виртуальные параметры, и посмотреть, что из этого выходит. Собственно, я эту модель в своё время и сделал как раз для того, чтобы «потрогать» своими руками процесс ПИД-регулирования.
Сама модель имеет следующие параметры:
теплоёмкость, изоляция)ПИД-регулятор имеет параметры:
Дальше много картинок.
1. Сначала выключим ПИД-регулирование и убедимся, что модель адекватная.
Устанавливаем равную температуру тела и окружающей среды и убеждаемся на графике, что температура стабильна:
Теперь устанавливаем температуру тела выше температуры окружающей среды, график перестроился и видим, что температура тела по экспоненциальному закону стремится к температуре окружающей среды.
То же самое, но теперь температура тела ниже температуры окружающей среды.
Уменьшаем коэффициент инерционности, и видим, что температура тела быстрее стремится к окружающей среде.
Увеличиваем коэффициент инерционности, и видим, что температура тела медленнее стремится к окружающей среде.
Теперь включаем нагрев (но не ПИД-регулятор!). Для этого в колонке управления «включаем» 2 раза «нагрев» — с 0 по 2 единицу времени на «мощность» =20, и с 11 по 12 единицу времени на «мощность» =10. На графике наблюдаем адекватную реакцию.
Теперь «включаем» постоянный «нагрев» на «мощность» 10. Видим, что температура тела растёт, но до определенного предела — «мощности» не хватает.
2. Теперь «включим» ПИД-регулятор, и посмотрим, как он будет регулировать температуру.
Установим целевую температуру в 100°С и Kp=1,Kd=1,Ki=0.1
Увеличим Ki до 1, и увидим, что это не совсем полезно в данном случае.
Теперь уберем интегральную составляющую Ki и посмотрим — теперь регулировка не дотягивает до 100 градусов — мало «мощности» без интегральной составляющей.
Увеличим K и/или Kp — теперь «мощности» хватило, но без интегральной составляющей возникли высокочастотные колебания.
Ну и так далее.
Ссылка на файл. Кому интересно — поиграйтесь.
Терморегуляторы – это приборы, используемые для управления отопительным оборудованием. Они используются в промышленных и бытовых условиях для поддержания заданной температуры в течение всего времени с минимальными колебаниями. В этой статье мы поговорим о ПИД-регуляторах температуры, о том, как они работают и как их использовать.
Давайте поговорим о регуляторах температуры в целом, прежде чем обсуждать ПИД-регуляторы. Терморегуляторы — это устройства, которые могут управлять нагревательными элементами/змеевиками для обеспечения необходимой температуры процесса. Это могут быть электронные или электромеханические устройства, такие как термостаты. Их основная функция заключается в том, чтобы включать нагревательный элемент при температуре ниже минимальной и выключать их при достижении желаемой температуры.
Существует три основных типа регуляторов температуры; двухпозиционный, пропорциональный и ПИД-контур контроллеры типа. ПИД-регулятор является наиболее совершенным типом регулятора температуры. Это самый точный и быстро реагирующий контроллер.
Аббревиатура «ПИД» означает «пропорционально-интегрально-дифференциальное» управление, которое является очень популярным и эффективным методом управления с обратной связью, используемым в быстро меняющихся условиях. Он принадлежит к ‘оптимальный’ категория теории управления, которая описывает попытку оптимального достижения определенной переменной процесса.
В случае ПИД-регуляторов оптимальной переменной является температура процесса. Устройство должно работать для достижения заданной температуры как можно быстрее и наиболее точным образом без перерегулирования, задержки или помех. Для контроля значения процесса/текущей температуры ПИД-регуляторы температуры используют одну или несколько термопар/термопар.RTD или какая-либо другая форма измерения температуры.
Однако идея реализации ПИД-регулятора заключается в том, чтобы никогда не превышать заданное значение температуры при максимально быстром достижении заданной температуры. Для этого ПИД-регуляторы температуры используют три разных, но взаимосвязанных подхода:
Если мощности недостаточно для уменьшения ошибки, встроенный контроллер пытается увеличить мощность нагревателя.Эти три контроллера в конечном счете регулируют мощность нагревателя, чтобы получить отклик, как показано на рисунке ниже. установка точка, отмеченная на оси x, является желаемой температурой.
ПИД-регуляторы температуры доступны во многих конфигурациях. Обычно контроллер только считывает температуру процесса через датчик и управляет внешним устройством управления мощностью, таким как твердотельное реле, для управления мощностью, подаваемой на нагреватель. На изображении ниже показан такой комплект, в который входят ПИД-регулятор температуры, ТТР (твердотельное реле), радиатор и датчик температуры.
Чтобы подключить эту систему, можно следовать следующей схеме. Провода термопары не следует менять местами, так как это мешает контроллеру считывать температуру процесса. Неверное показание температуры может привести к неисправности ПИД-регулятора температуры.
Некоторые контроллеры имеют функции обнаружения ошибок, такие как обнаружение обрыва термопары для дополнительной безопасности. Такие контроллеры могут прекратить работу и отключить питание нагревателя, если обнаружат отсоединение термопары.
В соответствии с внутренними расчетами, выполненными контроллером, он управляет твердотельным реле (ТТР) для контроля средней мощности, подаваемой на нагревательный элемент. Это делается мгновенным включением и выключением устройства управления питанием. При правильной настройке система может достичь желаемой температуры и поддерживать условия даже при внешних возмущениях.
Как мы уже говорили выше, ПИД-регуляторы температуры являются наиболее точными и быстродействующими промышленными регуляторами температуры.
Есть еще два типа устройств контроля температуры, которые менее точны, но полезны в определенных приложениях.
Это самая простая форма регуляторов температуры. Двухпозиционный регулятор температуры имеет два параметра: заданное значение дифференциал. Уставка – это желаемая температура, которую должна иметь система. Дифференциал (также известный как гистерезис) — две крайности, определяющие границы, когда терморегулятор должен включаться и выключаться. Минимум определяет, при какой температуре нагреватель должен включаться и наоборот.
Регуляторы температуры включения / выключения часто проще всего подключить. Для работы им необходимо три внешних соединения:
нагреватель большой мощности или прямое подключение нагревателя, если устройство имеет встроенное релеРегуляторы температуры двухпозиционного типа используются в системах, где изменения температуры очень медленные и не требуется точный контроль.
Пропорциональные регуляторы температуры представляют собой упрощенную версию ПИД-регуляторов температуры. В отличие от двухпозиционных контроллеров, которые активируются, когда температура падает ниже или поднимается выше пороговых значений, пропорциональные контроллеры почти всегда управляют выходом для поддержания температуры.
Эти типы контроллеров регулируют температуру, изменяя мощность, подаваемую на нагреватель. Это включает в себя твердотельное управление, такое как SSR, для регулировки выходной мощности.
Диапазон температур, в котором работает устройство, называется «зоной пропорциональности». Подобно типу включения/выключения, они также имеют верхний и нижний пределы.
При запуске пропорциональные регуляторы температуры ведут себя аналогично двухпозиционным регуляторам. Чтобы привести температуру системы в зону пропорциональности, контроллер включил нагреватель на 100% мощности. Как только температура превышает минимальный порог зоны пропорциональности, мощность снижается для поддержания температуры в требуемом диапазоне.
На приведенной ниже диаграмме коричневый график представляет собой чистый пропорциональный регулятор. Мы можем наблюдать, как температура постоянно меняется в узком диапазоне от 10 до 18 градусов по Цельсию.
ПИД-регуляторы температуры очень полезны в динамических системах. Они широко используются в приложениях, где температура часто колеблется. ПИД-регуляторы температуры могут поддерживать заданную температуру независимо от изменяющихся условий системы.
Как и у любого другого промышленного регулятора, у ПИД-регуляторов температуры есть свои преимущества и недостатки.
Вот некоторые из преимуществ использования ПИД-регулятора температуры:
ПИД-регуляторы также имеют некоторые присущие недостатки, которые могут быть проблематичными в некоторых ситуациях. Например,
Если система нелинейна, производительность может варьироваться.ПИД-регулирование — это система управления с обратной связью, основанная на расхождении между заданным значением и значением процесса. Когда возникает внешнее возмущение, увеличивающее ошибку, ПИД-регулятор вмешивается и пытается свести ошибку к нулю. Это хорошо работает для возмущений более высоких величин. Однако для небольших изменений в системе ПИД-контуру может потребоваться больше времени для компенсации, и в некоторых случаях это может быть нежелательно.
Существует два типа настройки ПИД-регулятора. авто и ручная настройка. Автоматическая настройка следует алгоритму автоматического определения пропорциональных, интегральных и производных констант для контроллера. Ручной процесс требует проб и ошибок для правильной настройки контроллера. Автоматические контроллеры могут облегчить этот процесс, сузив значения конкретных констант.
Чтобы узнать, как настроить константы P, I и D конкретного контроллера, сначала обратитесь к его руководству пользователя.
Кроме того, внося любые изменения, убедитесь, что они не окажут серьезного влияния на систему. В идеале вам понадобится контролируемая среда для выполнения процесса настройки.
Настройка ПИД-регулятора обычно начинается с определения пропорционального коэффициента усиления, при этом два других значения остаются постоянными. Установите пропорциональную постоянную на значение, при котором система начинает колебаться вокруг заданного значения. Вы можете увеличить текущее значение P в два раза, а если оно вызывает слишком сильные колебания, уменьшите его на 50% от увеличенного значения.
После достижения достаточно устойчивого колебания интегральный член можно настроить таким же образом. При настройке интегральной константы настраивайте ее так, чтобы система достигла заданного значения за наименьшее время. При настройке интегральной постоянной возможны выбросы и колебания.
Наконец, отрегулируйте постоянную производной, чтобы свести к минимуму колебания при внешних возмущениях.
Если вы используете более продвинутый ПИД-регулятор, такой как ПИД-регуляторы серии Omega Platinum, производитель может предложить специализированное программное обеспечение для более точной настройки системы. Также могут быть дополнительные функции, такие как выходы с фиксацией, аварийные сигналы и интеллектуальные алгоритмы автонастройки.
ПИД-регуляторы температуры обычно используются в приложениях, где требуется более быстрое время отклика и более высокая точность.
Одним из таких приложений является шинная промышленность. При подготовке сырья и смешивании компаундов температура резиновой смеси должна поддерживаться на очень низком уровне, чтобы обеспечить надлежащую обработку материала.
В пищевой промышленности и производстве напитков, таких как пастеризация молока, температура должна быть очень точной, чтобы предотвратить рост бактерий и потерю важных питательных веществ. ПИД-регуляторы температуры используются для поддержания температуры молока в процессе пастеризации.
Еще одним применением ПИД-регуляторов является сектор здравоохранения. Такие машины, как испытательное оборудование, медицинские холодильники, инкубаторы и камеры выращивания, должны поддерживать температуру в очень жестких пределах. ПИД-регуляторы температуры почти всегда находят применение в этих системах.
При покупке ПИД-регулятора температуры обратите внимание на следующие ключевые характеристики:
ПИД-регуляторы температуры используются во многих системах автоматизации для точного контроля и поддержания температуры. Существуют альтернативы ПИД-регуляторам, которые можно использовать в приложениях для контроля температуры, где такая точность и скорость не требуются.
ПИД-регулирование температуры — это функция контурного управления, используемая в большинстве контроллеров процессов для повышения точности процесса.
ПИД-регуляторы температуры работают, используя формулу для расчета разницы между желаемой уставкой температуры и текущей температурой процесса, а затем прогнозируют, сколько энергии нужно использовать в последующих циклах процесса, чтобы гарантировать, что температура процесса остается как можно ближе к заданному значению, устраняя влияние изменения среды процесса.
ПИД-регуляторы температуры отличаются от двухпозиционных регуляторов температуры, в которых 100 % мощности подается до тех пор, пока не будет достигнуто заданное значение, после чего мощность отключается до 0 % до тех пор, пока температура процесса снова не упадет ниже заданного значения. Это приводит к регулярным перерегулированиям и задержкам, которые могут повлиять на общее качество продукта.
Регуляторы температуры с ПИД-регулятором более эффективно справляются с нарушениями технологического процесса, которые могут казаться такими безобидными, как открытие дверцы духовки, но изменение температуры может повлиять на качество конечного продукта.
Если ПИД-регулятор температуры настроен правильно, он компенсирует возмущение и вернет температуру процесса к заданному значению, но уменьшит мощность по мере приближения температуры к заданному значению, чтобы не допустить ее превышения и риска повреждения продукта слишком большим количеством тепла.
ПИД-регулирование принадлежит к «оптимальной» категории теории управления, которая указывает, что определенная переменная процесса достигается оптимальным образом. Для ПИД-регулятора температуры оптимальной переменной является поддержание температуры процесса на заданном уровне в течение желаемого периода времени, избегая каких-либо серьезных изменений из-за запаздывания, перерегулирования или возмущений.
Три элемента алгоритма PID: пропорциональный, интегральный и производный. Каждый из этих элементов относится к отклонению температуры процесса от заданного значения за определенный период времени.
Эти отклонения во времени затем рассчитываются с использованием формулы ПИД-регулятора либо вручную инженером, либо автоматически контроллером температуры, и в результате получается, какая мощность должна быть приложена к процессу для поддержания температуры на заданном уровне.
Механические устройства обратной связи использовались с конца 18 го века в виде регуляторов. Они были ограничены только одним или двумя элементами из пропорциональных, интегральных или производных и изначально предназначались для поддержания постоянной рабочей скорости в паровых двигателях, которые использовались для привода заводского оборудования.
Первый полноценный ПИД-регулятор был разработан в 1911 году Элмером Сперри для ВМС США для автоматизации управления кораблем.
Сперри разработал свою систему, чтобы подражать поведению рулевых, которые были способны компенсировать постоянное отклонение, а также предвидеть, как оно изменится в будущем.
Впоследствии, в 1922 году, инженер Николас Минорски опубликовал первый теоретический анализ ПИД-регулирования, также основанный на наблюдениях за способностью рулевого приспосабливаться к изменяющимся условиям. Минорский представил способность рулевого приспосабливаться к изменяющимся условиям в виде математической формулы, которая легла в основу современного ПИД-регулирования.
Ссылка: Разработка ПИД-регулятора – Стюарт Беннетт
Существует два основных способа настройки регулятора температуры с помощью значений ПИД-регулятора.
В любом случае формула ПИД обеспечивает уровень мощности, применяемой в процессе для поддержания уставки, которая либо вводится инженером, либо устанавливается самим ПИД-регулятором.
Чтобы узнать больше о настройке ПИД-регулятора температуры, прочитайте запись в нашем блоге «Что такое настройка ПИД-регулятора и как она работает?».
Настройка контура ПИД-регулятора используется в различных регуляторах температуры и для различного количества контуров. Самая базовая настройка — это использование одного контроллера температуры для расчета ПИД-регулятора и управления одним процессом.
Медицинское чистящее оборудование часто использует одноконтурный ПИД-регулятор температуры, чтобы гарантировать, что процесс протекает при нужной температуре в течение времени, достаточного для надлежащей стерилизации инструментов. Датчик температуры будет измерять температуру внутри стерилизационной емкости, которую ПИД-регулятор затем будет интерпретировать и использовать для увеличения или уменьшения мощности нагревательного элемента.
Более сложная настройка ПИД-регулятора температуры – многоконтурная, при которой один регулятор температуры одновременно управляет несколькими процессами. Однако каждый процесс является дискретным и, следовательно, работает в отдельных циклах, поэтому нарушение одного процесса не повлияет на другой. Например, в пекарне может быть несколько печей, работающих с одной и той же уставкой, но не влияющих друг на друга, которые будут управляться многоконтурным ПИД-регулятором температуры.
Некоторые ПИД-регуляторы температуры имеют расширенные возможности, которые позволяют им управлять несколькими контурами, связанными друг с другом, вместо того, чтобы каждый контур работал дискретно под централизованным управлением.
Каскадное управление — это когда два контура управления работают по отношению друг к другу в виде первичного и вторичного контуров. Первичный контур управляет основным элементом нагреваемого процесса, однако не имеет работающего на него непосредственного нагревательного элемента.
Вместо этого есть вторичный элемент, который часто представляет собой кожух вокруг первого и управляется нагревательным элементом. ПИД-регулятор измеряет как первичный, так и вторичный контуры и регулирует уровень мощности, влияющий на нагрев вторичного элемента, чтобы он, в свою очередь, нагревал первичный элемент до заданного значения.
Настройка ПИД-регулятора в каскадных контурах очень важна, так как в противном случае возможны чрезмерные выбросы в ожидании достижения первичным элементом заданного значения. ПИД-регулятор снижает мощность по мере того, как температура приближается к заданному значению, чтобы достичь заданного значения, а затем поддерживать его. Знакомым примером этого является плавление шоколада, когда шоколад подвергается прямому воздействию тепла, он может сгореть, но его можно растопить в миске над горячей водой. Шоколад — это первичный контур, нежное вещество, которое в конечном счете необходимо нагреть, а миска с водой — это вторичный контур, промежуточное звено между подводом тепла и первичным контуром.
Каскадные контуры работают по тому же принципу, но в гораздо большем масштабе и с точным контролем температуры.
T Чтобы узнать больше о каскадном управлении и ПИД-регуляторах температуры, прочитайте запись в нашем блоге «Как работает каскадное управление?» и наш бесплатный технический документ «Улучшение качества процесса с помощью каскадного управления»
Многоконтурные ПИД-регуляторы температуры также полезны для управления многозонными процессами, в которых необходимо управлять одним процессом, но нагревательный элемент настолько велик, что может быть несоответствие температуры между одной областью и другой.
Например, в промышленной печи с шестью различными нагревательными элементами температура должна быть одинаковой во всей печи, но разные элементы могут привести к тому, что некоторые области будут более горячими, чем другие. Поскольку для процесса требуется однородная температура, решение состоит в использовании многоконтурного ПИД-регулятора температуры для управления всеми шестью нагревательными элементами, поэтому фактически шесть контуров управления работают одновременно. Затем ПИД-регулятор может регулировать мощность каждого нагревательного элемента в отдельности, чтобы поддерживать заданное значение во всех зонах нагрева в духовке.
Как следует из названия, регулятор температуры — часто называемый PID-контроллер — это прибор, используемый для контроля температуры. Контроллер температуры получает вход от датчика температуры и имеет выход, который подключен к элементу управления, такому как нагреватель или вентилятор.
Для точного контроля температуры процесса без участия оператора в системе контроля температуры используется контроллер, который принимает датчик температуры, такой как термопара или RTD, в качестве входа. Он сравнивает фактическую температуру с желаемой контрольной температурой, или заданное значение, и обеспечивает вывод на элемент управления.
OMEGA Engineering предлагает широкий выбор регуляторов температуры на Филиппинах.
Регуляторы температуры
Существует три основных типа регуляторов: двухпозиционный, пропорциональный и ПИД. В зависимости от управляемой системы оператор сможет использовать тот или иной тип для управления процессом.
Двухпозиционный регулятор является простейшей формой устройства контроля температуры. Выход устройства либо включен, либо выключен, без промежуточного состояния. Двухпозиционный контроллер переключает выход только тогда, когда температура пересекает заданное значение. Для управления обогревом выход включается, когда температура ниже уставки, и выключается выше уставки. Поскольку температура пересекает заданное значение, чтобы изменить состояние выхода, температура процесса будет постоянно циклически изменяться, переходя от значения ниже заданного значения к значению выше и обратно. В тех случаях, когда это циклирование происходит быстро, и для предотвращения повреждения контакторов и клапанов, к операциям контроллера добавляется дифференциал включения-выключения или «гистерезис». Этот дифференциал требует, чтобы температура превышала уставку на определенную величину, прежде чем выход выключится или снова включится. Дифференциал включения-выключения предотвращает «дребезжание» выхода или быстрые непрерывные переключения, если циклическое переключение выше и ниже уставки происходит очень быстро. Двухпозиционное управление обычно используется там, где нет необходимости в точном контроле, в системах, которые не могут справиться с частым включением и выключением энергии, когда масса системы настолько велика, что температура изменяется очень медленно, или для температурной сигнализации. Одним из специальных типов управления включением-выключением, используемым для аварийной сигнализации, является контроллер предельных значений. В этом контроллере используется реле с фиксацией, которое необходимо сбросить вручную, и оно используется для отключения процесса при достижении определенной температуры.
Пропорциональные регуляторы предназначены для устранения циклов, связанных с двухпозиционным регулированием. Пропорциональный регулятор уменьшает среднюю мощность, подаваемую на нагреватель, когда температура приближается к заданному значению. Это приводит к замедлению нагревателя, чтобы он не превышал заданное значение, а приближался к заданному значению и поддерживал стабильную температуру. Это пропорциональное действие может быть выполнено путем включения и выключения выхода на короткие промежутки времени. Это «пропорциональное распределение времени» изменяет отношение времени «включено» к времени «выключено» для контроля температуры. Пропорциональное действие происходит в «зоне пропорциональности» вокруг заданной температуры. Вне этого диапазона контроллер работает как двухпозиционный блок, при этом выход либо полностью включен (ниже диапазона), либо полностью выключен (выше диапазона). Однако внутри диапазона выход включается и выключается пропорционально разнице измерения от уставки. В заданном значении (средняя точка пропорционального диапазона) коэффициент включения/выключения выхода составляет 1:1; то есть время включения и время выключения равны. если температура отличается от уставки, время включения и выключения изменяется пропорционально разнице температур. Если температура ниже заданного значения, выход будет активен дольше; если температура слишком высока, выход будет выключен дольше.
Третий тип регулятора обеспечивает пропорциональное с интегральной и дифференциальной регулировкой или ПИД. Этот контроллер сочетает в себе пропорциональное управление с двумя дополнительными настройками, что помогает блоку автоматически компенсировать изменения в системе. Эти корректировки, интегральные и производные, выражаются в единицах времени; на них также ссылаются их обратные значения, RESET и RATE соответственно. Пропорциональные, интегральные и производные члены должны быть индивидуально скорректированы или «настроены» на конкретную систему методом проб и ошибок. Он обеспечивает наиболее точное и стабильное управление из трех типов регуляторов и лучше всего используется в системах с относительно небольшой массой, которые быстро реагируют на изменения энергии, подводимой к процессу. Рекомендуется в системах, где нагрузка часто меняется, и ожидается, что контроллер будет автоматически компенсировать частые изменения уставки, количества доступной энергии или управляемой массы. OMEGA предлагает ряд контроллеров, которые автоматически настраиваются. Они известны как контроллеры автонастройки.
Поскольку регуляторы температуры обычно монтируются внутри приборной панели, для размещения регулятора температуры панель необходимо разрезать. Чтобы обеспечить взаимозаменяемость между контроллерами температуры, большинство контроллеров температуры разработаны в соответствии со стандартными размерами DIN. Наиболее распространенные размеры DIN показаны ниже.
Двухпозиционные контроллеры
Двухпозиционные контроллеры — это простейший тип контроллеров с двухпозиционным управлением, предназначенный для обеспечения функциональности общих
целевого ПИД-регулятора, но по цене, подходящей для двухпозиционных приложений.
Автонастройка ПИД-регуляторов
ПИД-регуляторы обеспечивают очень точное управление, но ПИД-алгоритм требует настройки. Контроллеры автонастройки обеспечивают эту функцию.
Многоконтурные контроллеры
Каждый контур управления обычно состоит из одного входа и, по крайней мере, одного выхода. OMEGA предлагает множество многоконтурных контроллеров
который может обрабатывать более одного контура управления. OMEGA CN1507 поддерживает до 7 контуров управления.
Контроллеры ограничения безопасности
Контроллер ограничения безопасности представляет собой двухпозиционный контроллер с выходом с фиксацией. Когда состояние выхода изменяется, требуется ручной сброс, чтобы вернуть его обратно. Контроллеры пределов безопасности обычно используются в качестве резервных контроллеров для остановки процесса при достижении нежелательных пределов.
Реле температуры
Регулируемый переключатель температуры подходит для приложений, требующих экономичного решения для контроля температуры. Температурные переключатели обычно менее сложны и проще в настройке, чем более сложные электронные элементы управления.
Контроллер является частью всей системы управления, и вся система
должны быть проанализированы при выборе надлежащего контроллера. При выборе контроллера следует учитывать следующие моменты: