PID 컨트롤러란? 그 유형, 작업 및 응용

PID 컨트롤러 – 무엇이고 어떻게 작동합니까?

PID 컨트롤러 산업 자동화 및 응용 분야에서 사용되는 가장 일반적인 제어 알고리즘이며 산업용 컨트롤러의 95% 이상이 PID 유형입니다. PID 제어기는 다양한 매개변수의 보다 정확하고 정확한 제어를 위해 사용됩니다.

대부분 온도, 압력, 속도, 흐름 및 기타 공정 변수의 조절에 사용됩니다. 강력한 성능과 기능적 단순성으로 인해 보다 정밀한 제어가 가장 중요한 요구 사항인 대규모 산업 응용 분야에서 채택되었습니다. PID 컨트롤러의 작동 방식을 살펴보겠습니다. ?

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PID 컨트롤러란 무엇입니까?

비례, 적분 및 미분 동작의 조합은 일반적으로 PID 동작이라고 하므로 PID라는 이름이 붙습니다. (비례-적분-도함수) 컨트롤러 . 이 세 가지 기본 계수는 최적의 응답을 얻기 위해 특정 애플리케이션에 대해 각 PID 컨트롤러에서 다양합니다.

실제 프로세스 변수라고 하는 센서에서 입력 매개변수를 가져옵니다. 또한 설정 변수라고 하는 원하는 액추에이터 출력을 수락한 다음 비례, 적분 및 미분 응답을 계산 및 결합하여 액추에이터에 대한 출력을 계산합니다.

프로세스의 프로세스 변수가 특정 수준에서 유지되어야 하는 위의 그림과 같은 일반적인 제어 시스템을 고려하십시오. 공정 변수가 온도(섭씨)라고 가정합니다. 프로세스 변수(예:온도)를 측정하기 위해 센서가 사용됩니다(RTD라고 하자).

설정값은 프로세스의 원하는 응답입니다. 프로세스가 섭씨 80도에서 유지되어야 하고 설정값이 섭씨 80도라고 가정합니다. 센서에서 측정된 온도가 섭씨 50도(프로세스 변수에 불과함)이지만 온도 설정점은 섭씨 80도라고 가정합니다.

PID 제어 알고리즘에서 원하는 값과 실제 값의 이러한 편차는 비례, 적분의 조합에 따라 액추에이터(여기서는 히터)로 출력을 생성합니다. 및 파생 응답. 따라서 PID 컨트롤러는 프로세스 변수가 설정 값으로 안정될 때까지 액츄에이터에 대한 출력을 지속적으로 변경합니다. 폐루프 피드백 제어 시스템이라고도 합니다. .

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PID 컨트롤러 작업

수동 제어에서 작업자는 주기적으로 프로세스 변수(온도, 유량, 속도 등과 같이 제어되어야 함)를 읽고 제어 변수(즉, 가열 요소, 유량 밸브, 모터 입력 등과 같은 규정된 한계로 제어 변수를 가져오기 위해 조작되어야 함). 반면, 자동제어에서는 연속적으로 측정과 조정이 자동으로 이루어진다.

모든 최신 산업용 컨트롤러는 자동 유형(또는 폐쇄 루프 컨트롤러)이며 일반적으로 제어 작업 중 하나 또는 조합을 생성하도록 만들어집니다. 이러한 제어 작업에는

가 포함됩니다.

• ON-OFF 컨트롤러
• 비례 컨트롤러
• 비례-적분 컨트롤러
• 비례 도함수
• 비례 적분 미분 컨트롤러

ON-OFF 컨트롤러의 경우 두 가지 상태가 조작된 변수를 제어할 수 있습니다. 프로세스 변수가 설정값보다 높을 때). 따라서 출력은 본질적으로 진동합니다. 정확한 제어를 달성하기 위해 대부분의 산업 분야에서는 PID 컨트롤러(또는 PI 또는 PD 응용 프로그램에 따라 다름). 이러한 제어 작업을 살펴보겠습니다.

P 컨트롤러

비례 제어 또는 단순히 P-컨트롤러 전류 오류에 비례하는 제어 출력을 생성합니다. 여기서 오류는 설정값과 프로세스 변수 간의 차이입니다(즉, e =SP – PV). 이 오차 값에 비례 게인(Kc)을 곱하면 출력 응답이 결정됩니다. 즉, 비례 게인은 오차 값에 대한 비례 출력 응답의 비율을 결정합니다.

예를 들어, 오류의 크기가 20이고 Kc가 4이면 비례 응답은 80이 됩니다. 오류 값이 0이면 컨트롤러 출력 또는 응답은 0이 됩니다. 비례 게인 Kc의 값을 증가시키면 응답 속도(과도 응답)가 증가합니다. 그러나 Kc가 정상 범위 이상으로 증가하면 프로세스 변수가 더 높은 비율로 진동하기 시작하여 시스템이 불안정해집니다. P-컨트롤러가 좋은 응답 속도로 프로세스 변수의 안정성을 제공하지만, 설정점 및 실제 프로세스 변수. 대부분의 경우 이 컨트롤러는 단독으로 사용할 때 오류를 줄이기 위해 수동 리셋 또는 바이어싱이 제공됩니다. 그러나 이 컨트롤러는 오류 제로 상태를 달성할 수 없습니다. 따라서 그림과 같이 p-컨트롤러 응답에는 항상 정상 상태 오류가 있습니다.

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I-컨트롤러

• 통합 컨트롤러 또는 I-컨트롤러 주로 시스템의 정상 상태 오류를 줄이는 데 사용됩니다. 적분 성분은 오류가 0이 될 때까지 일정 기간 동안 오류 항을 적분합니다. 결과적으로 작은 오류 값으로도 높은 적분 응답이 생성됩니다. 제로 에러 조건에서는 제로 정상 상태 에러를 유지하기 위해 최종 제어 장치로의 출력을 마지막 값으로 유지하지만, P-컨트롤러의 경우 에러가 0일 때 출력은 0이다.

오류가 음수이면 적분 응답 또는 출력이 감소합니다. I-컨트롤러만 사용하면 응답 속도가 느리지만(느린 응답을 의미함) 정상 상태 응답을 향상시킵니다. 적분 게인 Ki를 줄이면 응답 속도가 빨라집니다.

많은 응용 분야에서 비례 및 적분 제어가 결합되어 우수한 응답 속도(P 컨트롤러의 경우)와 더 나은 정상 상태 응답(I 컨트롤러의 경우)을 달성합니다. 대부분 PI 컨트롤러 과도 및 정상 상태 응답을 개선하기 위해 산업 작동에서 사용됩니다. I-control만, p-control과 PI에 대한 응답은 아래 그림과 같습니다. .

D- 컨트롤러 응답

파생 컨트롤러( 또는 단순히 D-컨트롤러) 단위 시간당 프로세스 변수가 얼마나 빨리 변하는지 확인하고 변화율에 비례하는 출력을 생성합니다. 미분 출력은 미분 상수를 곱한 오차의 변화율과 같습니다. D-컨트롤러는 프로세서 변수가 빠른 속도로 변경되기 시작할 때 사용됩니다.

이 경우 D-controller는 프로세스 변수의 급격한 변화에 대응하는 방향으로 최종 제어 장치(예:제어 밸브 또는 모터)를 이동합니다. D-컨트롤러 단독으로는 제어 애플리케이션에 사용할 수 없습니다.

파생 작업은 출력에 대한 시작을 제공하고 오류의 향후 동작을 예상하기 때문에 응답 속도를 높입니다. 도함수 항이 크면(미분 상수 또는 시간 Td를 증가시켜 달성됨) D-컨트롤러가 프로세스 변수의 변화에 ​​더 빠르게 응답합니다.

대부분의 PID 컨트롤러에서 D-control 응답은 오류가 아닌 프로세스 변수에만 의존합니다. 이렇게 하면 작업자가 갑자기 설정값을 변경할 경우 출력 스파이크(또는 출력의 급격한 증가)를 방지할 수 있습니다. 또한 대부분의 제어 시스템은 미분 시간 td를 더 적게 사용합니다. 미분 응답이 프로세스 변수의 노이즈에 매우 민감하여 소량의 노이즈에 대해서도 매우 높은 출력을 생성하기 때문입니다.

따라서 비례, 적분 및 미분 제어 응답을 결합하여 PID 컨트롤러가 형성됩니다. PID 컨트롤러는 범용 애플리케이션을 찾습니다. 그러나 PID 설정을 알고 원하는 출력을 생성하기 위해 적절하게 조정해야 합니다. 튜닝은 비례, 적분 및 미분 파라미터의 최적 이득을 설정하여 PID 제어기로부터 이상적인 응답을 얻는 과정을 의미합니다.

원하는 응답을 얻을 수 있도록 PID 컨트롤러를 조정하는 다양한 방법이 있습니다. 이러한 방법 중 일부는 시행착오, 공정 반응 곡선 기술 및 Zeigler-Nichols 방법을 포함합니다. 가장 일반적으로 Zeigler-Nichols 및 시행착오 방법이 사용됩니다.

PID 컨트롤러와 그 작동에 관한 것입니다. PID 제어기는 컨트롤러 구조의 단순성으로 인해 다양한 프로세스에 적용할 수 있습니다. 또한 프로세스의 상세한 수학적 모델을 알지 못하더라도 모든 프로세스에 대해 조정할 수 있습니다. 일부 응용 프로그램에는 PID 컨트롤러 기반 모터 속도 제어, 온도 제어, 압력 제어, 유량 제어, 액체 레벨 등이 포함됩니다.

실시간 PID 컨트롤러

현재 시장에는 레벨, 유량, 온도 및 압력과 같은 모든 산업 제어 요구 사항에 사용할 수 있는 다양한 유형의 PID 컨트롤러가 있습니다. PID를 사용하여 프로세스에 대한 이러한 매개변수를 제어하기로 결정할 때 옵션에는 PLC 또는 독립형 PID 컨트롤러 사용이 포함됩니다.

독립형 PID 컨트롤러는 하나 또는 두 개의 루프를 모니터링 및 제어해야 하거나 더 큰 시스템으로 액세스하기 어려운 상황에서 사용됩니다. 이러한 전용 제어 장치는 단일 및 이중 루프 제어를 위한 다양한 옵션을 제공합니다. 독립형 PID 컨트롤러는 다중 설정점 구성을 제공하고 독립적인 다중 알람도 생성합니다.

이 독립형 컨트롤러 중 일부에는 Yokogava 온도 컨트롤러, Honeywell PID 컨트롤러, OMEGA 자동 튜닝 PID 컨트롤러, ABB PID 컨트롤러 및 Siemens PID 컨트롤러가 포함됩니다.

대부분의 제어 응용 프로그램인 PLC는 PID 컨트롤러로 사용됩니다. PID 블록은 PLC/PAC에 내장되어 있으며 정밀한 제어를 위한 고급 옵션을 제공합니다. PLC는 독립 실행형 컨트롤러보다 더 지능적이고 강력하며 작업을 더 쉽게 만듭니다. 모든 PLC는 Siemens, ABB, AB, Delta, Emersion 또는 Yokogava PLC 등 프로그래밍 소프트웨어의 PID 블록으로 구성됩니다.

아래 그림은 Allen Bradley(AB) PID 블록을 보여줍니다. 및 설정 창.

아래 그림은 Siemens PID 블록을 보여줍니다. .

아래 그림은 PID 컨트롤러를 보여줍니다. LabVIEW PID 도구 세트에서 제공하는 VI.