- Pengawal PID dan Kerjanya:
- Kaedah Kawalan PID:
- Kaedah Penalaan untuk Pengawal PID:
- Struktur pengawal PID:
- Aplikasi pengawal PID:
Sebelum menerangkan PID Controller, mari kita ulas mengenai Sistem Kawalan. Terdapat dua jenis sistem; sistem gelung terbuka dan sistem gelung tutup. Sistem gelung terbuka juga dikenali sebagai sistem tidak terkawal dan sistem gelung tutup dikenali sebagai sistem terkawal. Dalam sistem gelung terbuka, output tidak dikawal kerana sistem ini tidak mempunyai maklum balas dan dalam sistem gelung dekat, output dikendalikan dengan bantuan pengawal dan sistem ini memerlukan satu atau lebih jalur maklum balas. Sistem gelung terbuka sangat mudah tetapi tidak berguna dalam aplikasi kawalan industri kerana sistem ini tidak terkawal. Sistem loop tutup adalah kompleks tetapi paling berguna untuk aplikasi industri, kerana dalam sistem ini output dapat stabil pada nilai yang diinginkan, PID adalah contoh Sistem Loop Tertutup. Gambarajah blok sistem ini adalah seperti yang ditunjukkan dalam gambar-1 di bawah.
Sistem loop rapat juga dikenali sebagai sistem kawalan maklum balas dan sistem jenis ini digunakan untuk merancang sistem stabil secara automatik pada output atau rujukan yang diinginkan. Atas sebab ini, ia menghasilkan isyarat ralat. Ralat isyarat e (t) adalah perbezaan antara output y (t) dan isyarat rujukan u (t) . Apabila ralat ini sifar bermakna output yang diinginkan tercapai dan dalam keadaan ini output sama dengan isyarat rujukan.
Sebagai contoh, pengering berfungsi untuk beberapa kali, yang merupakan nilai yang telah ditetapkan. Apabila pengering dihidupkan, pemasa akan bermula dan ia akan berjalan sehingga pemasa berakhir dan memberikan keluaran (kain kering). Ini adalah sistem gelung terbuka sederhana, di mana output tidak perlu dikawal dan tidak memerlukan jalan maklum balas. Sekiranya dalam sistem ini, kami menggunakan sensor kelembapan yang memberikan jalan maklum balas dan membandingkannya dengan titik set dan menghasilkan ralat. Pengering berjalan sehingga ralat ini sifar. Ia bermaksud apabila kelembapan kain sama dengan titik titik, pengering akan berhenti berfungsi. Dalam sistem gelung terbuka, pengering akan berjalan untuk masa yang tetap tanpa mengira pakaian kering atau basah. Tetapi dalam sistem gelung tutup, pengering tidak akan berfungsi untuk masa yang tetap, ia akan beroperasi sehingga pakaian kering. Inilah kelebihan sistem gelung tutup dan penggunaan pengawal.
Pengawal PID dan Kerjanya:
Jadi apa itu pengawal PID? Pengawal PID diterima secara universal dan pengawal yang paling biasa digunakan dalam aplikasi industri kerana pengawal PID sederhana, memberikan kestabilan yang baik dan tindak balas yang cepat. PID bermaksud derivatif berkadar, integral, terbitan. Dalam setiap aplikasi, pekali ketiga tindakan ini bervariasi untuk mendapatkan respons dan kawalan yang optimum. Input pengawal adalah isyarat ralat dan output diberikan kepada kilang / proses. Isyarat output pengawal dihasilkan, sedemikian rupa sehingga, output kilang cuba mencapai nilai yang diinginkan.
Pengawal PID adalah sistem gelung Tutup yang mempunyai sistem kawalan maklum balas dan membandingkan pemboleh ubah Proses (pemboleh ubah maklum balas) dengan set Point dan menghasilkan isyarat ralat dan sesuai dengan itu menyesuaikan output sistem. Proses ini berterusan sehingga ralat ini sampai ke Sifar atau nilai pemboleh ubah proses menjadi sama dengan titik titik.
Pengawal PID memberikan hasil yang lebih baik daripada pengawal ON / OFF. Dalam pengawal ON / OFF, hanya dua keadaan yang tersedia untuk mengawal sistem. Ia boleh hidup atau mati. Ia akan AKTIF apabila nilai proses kurang dari set point dan akan MATI apabila nilai proses lebih besar dari set point. Dalam alat kawalan ini, output tidak akan pernah stabil, ia akan sentiasa berayun di sekitar titik titik. Tetapi pengawal PID lebih stabil dan tepat berbanding dengan pengawal ON / OFF.
Pengawal PID adalah gabungan tiga istilah; Berkadar, Berpadu dan Derivatif. Marilah kita memahami ketiga-tiga istilah ini secara individu.
Kaedah Kawalan PID:
Tindak balas berkadar (P):
Istilah 'P' berkadar dengan nilai sebenar kesalahan. Sekiranya ralat besar, output kawalan juga besar dan jika ralat kecil output kawalan juga kecil, tetapi faktor keuntungan (K p) adalah
Juga mengambil kira. Kelajuan tindak balas juga berkadar langsung dengan faktor keuntungan berkadar (K p). Jadi, kelajuan tindak balas ditingkatkan dengan meningkatkan nilai K p tetapi jika K p meningkat melebihi julat normal, pemboleh ubah proses mulai berayun pada kadar tinggi dan menjadikan sistem tidak stabil.
y (t) ∝ e (t) y (t) = k i * e (t)
Di sini, ralat yang dihasilkan dikalikan dengan faktor keuntungan berkadar (pemalar berkadar) seperti yang ditunjukkan dalam persamaan di atas. Sekiranya hanya pengawal P yang digunakan, pada masa itu, ia memerlukan tetapan semula manual kerana mengekalkan ralat keadaan tetap (mengimbangi).
Tanggapan integral (I):
Pengawal integral umumnya digunakan untuk mengurangkan ralat keadaan tetap. Istilah 'I' adalah mengintegrasikan (berkenaan dengan masa) dengan nilai sebenar kesalahan . Kerana integrasi, nilai ralat yang sangat kecil, menghasilkan tindak balas integral yang sangat tinggi. Tindakan pengawal integral terus berubah sehingga ralat menjadi sifar.
y (t) ∝ ∫ e (t) y (t) = k i ∫ e (t)
Keuntungan integral berbanding terbalik dengan kelajuan tindak balas, meningkatkan k i, menurunkan kelajuan tindak balas. Pengawal proporsional dan Integral digunakan gabungan (pengawal PI) untuk kelajuan tindak balas yang baik dan tindak balas keadaan tetap.
Tanggapan derivatif (D):
Pengawal derivatif digunakan untuk kombinasi PD atau PID. Ia tidak pernah digunakan sendiri, kerana jika ralat tetap (bukan sifar), output pengawal akan menjadi sifar. Dalam keadaan ini, pengawal melakukan kesalahan sifar hidup, tetapi sebenarnya terdapat beberapa kesalahan (malar). Keluaran pengawal derivatif berkadar terus dengan kadar perubahan ralat berkenaan dengan masa seperti yang ditunjukkan dalam persamaan. Dengan membuang tanda perkadaran, kita memperoleh pemalar keuntungan turunan (k d). Secara amnya, Derivative controller digunakan apabila pemboleh ubah pemproses mula berayun atau berubah pada kelajuan yang sangat tinggi. D-controller juga digunakan untuk mengantisipasi tingkah laku kesalahan pada masa depan dengan keluk ralat. Persamaan matematik adalah seperti di bawah;
y (t) ∝ de (t) / dt y (t) = K d * de (t) / dt
Pengawal berkadar dan bersepadu:
Ini adalah gabungan pengawal P dan I. Output pengawal adalah penjumlahan kedua-dua (proporsional dan integral) tindak balas. Persamaan matematik adalah seperti di bawah;
y (t) ∝ (e (t) + ∫ e (t) dt) y (t) = k p * e (t) + k i ∫ e (t) dt
Pengawal berkadar dan Derivatif: Ini adalah gabungan pengawal P dan D. Keluaran pengawal adalah penjumlahan tindak balas berkadar dan terbitan. Persamaan matematik pengawal PD adalah seperti di bawah;
y (t) ∝ (e (t) + de (t) / dt) y (t) = k p * e (t) + k d * de (t) / dt
Pengawal berkadar, Berpadu dan Derivatif: Ini adalah gabungan pengawal P, I dan D. Hasil pengawal adalah penjumlahan tindak balas berkadar, kamiran dan terbitan. Persamaan matematik pengawal PD adalah seperti di bawah;
y (t) ∝ (e (t) + ∫ e (t) dt + de (t) / dt) y (t) = k p * e (t) + k i ∫ e (t) dt + k d * de (t) / dt
Oleh itu, dengan menggabungkan tindak balas kawalan berkadar, terpadu dan derivatif ini, bentuk pengawal PID.
Kaedah Penalaan untuk Pengawal PID:
Untuk output yang diinginkan, pengawal ini mesti diselaraskan dengan betul. Proses mendapatkan tindak balas ideal dari pengawal PID dengan tetapan PID disebut penalaan pengawal. Penetapan PID bermaksud menetapkan nilai optimum dari keuntungan tindak balas berkadar (k p), derivatif (k d) dan integral (k i). Pengawal PID disetel untuk penolakan gangguan bererti tetap pada titik seting dan pengesanan perintah, artinya jika setpoint berubah, output pengawal akan mengikuti setpoint baru. Sekiranya pengawal diselaraskan dengan betul, output pengawal akan mengikuti setpoint berubah-ubah, dengan ayunan kurang dan redaman kurang.
Terdapat beberapa kaedah untuk mengatur pengawal PID dan mendapatkan respons yang diinginkan. Kaedah untuk pengawal penalaan adalah seperti di bawah;
- Kaedah percubaan dan kesilapan
- Teknik keluk reaksi proses
- Kaedah Ziegler-Nichols
- Kaedah geganti
- Menggunakan perisian
1. Kaedah percubaan dan kesilapan:
Kaedah percubaan dan ralat juga dikenali sebagai kaedah penalaan manual dan kaedah ini adalah kaedah termudah. Dalam kaedah ini, pertama-tama tingkatkan nilai kp sehingga sistem mencapai tindak balas berayun tetapi sistem tidak boleh membuat tidak stabil dan mengekalkan nilai kd dan ki sifar. Setelah itu, tetapkan nilai ki sedemikian rupa sehingga, ayunan sistem berhenti. Selepas itu tetapkan nilai kd untuk tindak balas pantas.
2. Teknik keluk reaksi proses:
Kaedah ini juga dikenali sebagai kaedah penalaan Cohen-Coon. Dalam kaedah ini pertama-tama menghasilkan keluk reaksi proses sebagai tindak balas kepada gangguan. Dengan lengkung ini kita dapat mengira nilai keuntungan pengawal, masa kamiran dan masa terbitan. Lengkung ini dikenal pasti dengan melakukan secara manual dalam ujian langkah gelung terbuka proses. Parameter model dapat dijumpai dengan gangguan peratusan langkah awal. Dari lengkung ini kita harus mencari kelengkungan, masa mati dan waktu kenaikan keluk yang tidak lain hanyalah nilai kp, ki dan kd.
3. Kaedah Zeigler-Nichols:
Dalam kaedah ini juga tetapkan nilai ki dan kd sifar terlebih dahulu. Keuntungan berkadar (kp) meningkat sehingga mencapai keuntungan tertinggi (ku). keuntungan maksimum tidak lain adalah keuntungan di mana output gelung mula berayun. Ku dan tempoh ayunan ini digunakan untuk memperoleh keuntungan pengawal PID dari jadual di bawah.
|
Jenis Pengawal |
kp |
k i |
kd |
|
P |
0.5 k u |
|
|
|
PI |
0.45 k u |
0,54 k u / T u |
|
|
PID |
0.60 k u |
1.2 k u / T u |
3 k u T u / 40 |
4. Kaedah geganti:
Kaedah ini juga dikenali sebagai kaedah Astrom-Hugglund. Di sini output ditukar antara dua nilai pemboleh ubah kawalan tetapi nilai-nilai ini dipilih sedemikian rupa sehingga proses harus melintasi titik seting. Apabila pemboleh ubah proses kurang dari setpoint, output kawalan ditetapkan ke nilai yang lebih tinggi. Apabila nilai proses lebih besar daripada setpoint, output kawalan ditetapkan ke nilai yang lebih rendah dan bentuk gelombang output terbentuk. Tempoh dan amplitud bentuk gelombang ayunan ini diukur dan digunakan untuk menentukan kuota akhir dan tempoh Tu yang digunakan dalam kaedah di atas.
5. Menggunakan perisian:
Untuk pengoptimuman PID dan pengoptimuman gelung, pakej perisian tersedia. Pakej perisian ini mengumpulkan data dan membuat model sistem matematik. Dengan model ini, perisian menemui parameter penalaan optimum dari perubahan rujukan.
Struktur pengawal PID:
Pengawal PID dirancang berdasarkan teknologi mikropemproses. Pembuatan yang berbeza menggunakan struktur dan persamaan PID yang berbeza. Persamaan PID yang paling biasa digunakan adalah; persamaan PID selari, ideal dan siri.
Dalam persamaan PID selari, tindakan berkadar, kamiran dan derivatif berfungsi secara berasingan antara satu sama lain dan kesan gabungan ketiga-tiga tindakan ini bertindak dalam sistem. Gambarajah blok PID jenis ini adalah seperti di bawah;
Dalam persamaan PID ideal, keuntungan yang berterusan k p diedarkan kepada semua jangka. Jadi, perubahan dalam k p mempengaruhi semua istilah lain dalam persamaan.
Dalam persamaan PID siri, peroleh pemalar k p didistribusikan ke semua istilah yang sama dengan persamaan PID yang ideal, tetapi dalam persamaan ini pemalar integral dan derivatif mempunyai pengaruh pada tindakan berkadar.
Aplikasi pengawal PID:
Kawalan suhu:
Mari kita ambil contoh AC (penghawa dingin) dari mana-mana loji / proses. Setpoint adalah suhu (20 ͦ C) dan suhu yang diukur semasa oleh sensor adalah 28 ͦ C. Tujuan kami adalah untuk menjalankan AC pada suhu yang diinginkan (20 ͦ C). Sekarang, pengawal AC, menghasilkan isyarat mengikut ralat (8 ͦ C) dan isyarat ini diberikan kepada AC. Menurut isyarat ini, output AC berubah dan penurunan suhu menjadi 25 ͦ C. proses yang sama akan berulang sehingga sensor suhu mengukur suhu yang diinginkan. Apabila ralat sifar, pengawal akan memberikan perintah berhenti kepada AC dan suhu sekali lagi akan meningkat hingga nilai tertentu dan sekali lagi ralat akan dihasilkan dan proses yang sama diulang secara berterusan.
Merancang pengawal caj MPPT (Pengesanan titik daya maksimum) untuk PV solar:
Ciri IV sel PV bergantung pada suhu dan tahap penyinaran. Jadi, voltan dan arus operasi akan berubah secara berterusan sehubungan dengan perubahan keadaan atmosfera. Oleh itu, sangat penting untuk mengesan titik kuasa maksimum untuk sistem PV yang cekap. Untuk mencari MPPT, pengawal PID digunakan dan untuk itu setpoint arus dan voltan diberikan kepada pengawal. Sekiranya keadaan atmosfera berubah, pelacak ini mengekalkan voltan dan arus tetap.
Penukar elektronik kuasa:
Pengawal PID paling berguna dalam aplikasi elektronik kuasa seperti penukar. Sekiranya penukar dihubungkan dengan sistem, mengikut perubahan beban, output penukar mesti berubah. Sebagai contoh, penyongsang disambungkan dengan beban, jika beban meningkat lebih banyak arus akan mengalir dari penyongsang. Jadi, parameter voltan dan arus tidak betul, ia akan berubah mengikut keperluan. Dalam keadaan ini, pengawal PID digunakan untuk menghasilkan denyutan PWM untuk menukar penyongsang IGBT. Menurut perubahan beban, isyarat maklum balas diberikan kepada pengawal dan ia akan menghasilkan kesalahan. Denyut PWM dihasilkan mengikut isyarat ralat. Jadi, dalam keadaan ini kita dapat memperoleh input berubah dan output berubah dengan penyongsang yang sama.