PID 컨트롤러 이해

PID 제어 이론에 대한 최초의 성공적인 평가는 1920 년경 선박용 자동 조향 시스템 분야에서 실제로 검증되었습니다. 그 후 최적화되고 정확한 제조 출력 사양이 필요한 다양한 산업 자동 공정 제어에 적용되었습니다. 제조 단위의 경우 PID는 정밀한 공압 제어를 달성하기 위해 널리 구현되었으며 궁극적으로 PID 이론은 현대의 전자 컨트롤러에 적용되었습니다.

PID 컨트롤러 란?

PID라는 용어는 비례 적분 미분 컨트롤러 (피드백 루프 메커니즘)의 약어로서 다양한 산업 제어 기계 및 중요하고 자동화 된 변조 제어가 필요한 기타 유사한 애플리케이션을 정확하게 제어하도록 설계되었습니다.

이를 구현하기 위해 PID 컨트롤러는 시스템 작동을 지속적으로 모니터링하고 유발 된 오류 요소를 계산합니다. 그런 다음 필요한 설정 점 (SP)과 측정 된 공정 변수 (PV) 간의 차이 형식으로이 순간 오류 값을 평가합니다.

위의 내용을 참조하면 비례 (P), 적분 (I) 및 미분 (D) 식의 관점에서 즉각적이고 자동 피드백 보정이 실행되므로 이름이 PID 컨트롤러입니다.

간단히 말해 PID 컨트롤러는 주어진 기계 시스템의 작동을 지속적으로 모니터링하고 지정된 알고리즘을 통해 외부 영향으로 인한 변화에 따라 출력 응답을 계속 수정합니다. 따라서 기계가 항상 규정 된 이상적인 조건 내에서 작동하도록 보장합니다.

PID 블록 다이어그램 이해

PID 컨트롤러는 비례, 적분 및 미분의 3 가지 제어 매개 변수를 감지 및 관리하고이 3 가지 매개 변수를 참조하여 출력에 의도 한 최적 제어를 매우 정확하게 적용 할 수 있기 때문에 다목적 제어 시스템으로 간주됩니다.

아래 이미지는 PID의 블록 다이어그램을 보여줍니다. 이 블록 다이어그램을 참조하면 PID 작동의 기본 원리를 빠르게 이해할 수 있습니다.

이미지 제공 : en.wikipedia.org/wiki/File:PID_en.svg

여기서 우리는 오류 값에 해당하는 e (t), 목표 설정 점에 해당하는 r (t), 측정 된 프로세스 변수 인 y (t)와 같은 변수 세트를 볼 수 있습니다. PID 컨트롤러는 작동 전반에 걸쳐 의도 한 설정 값 r (t) 또는 SP와 측정 된 프로세스 값 y (t) 또는 PV 간의 차이를 평가하여 오류 값 e (t)를 모니터링하고 결과적으로 매개 변수를 사용하여 피드백 수정 또는 최적화를 실행합니다. 즉, 비례, 적분 및 미분입니다.

컨트롤러는 제어 변수 (p, I, d)의 분석 된 가중치 합계를 기반으로 제어 변수 u (t)를 새로운 값으로 조정하여 전체 오류 효과를 줄이기 위해 계속 노력합니다.

예를 들어, 밸브 제어의 작동에서, 그 개폐는 위에서 설명한 것처럼 복잡한 평가를 통해 PID에 의해 지속적으로 변경 될 수 있습니다.

표시된 시스템에서 다양한 용어는 아래에 설명 된대로 이해 될 수 있습니다.

P- 컨트롤러 :

용어 P는 SP – PV에 대한 결과를 평가하여 얻은 순간 오류 값 e (t)에 비례합니다. 오류 값이 커지는 경향이있는 상황에서 제어 출력도 게인 계수 'K'를 기준으로 비례하여 커집니다. 그러나 온도 제어와 같이 보상이 필요한 프로세스에서 비례 제어는 비례 응답을 생성하는 오류 피드백없이 만족스럽게 작동 할 수 없기 때문에 단독으로 설정 포인트와 실제 프로세스 값에서 부정확성을 초래할 수 있습니다. 오류 피드백이 없으면 적절한 수정 응답이 불가능할 수 있음을 의미합니다.

I- 컨트롤러 :

I라는 용어는 이전에 평가 된 SP – PV 오류 값에 대한 책임이 있으며 작동 기간 동안이를 통합하여 용어 I를 생성합니다. 예를 들어 비례 제어가 적용되는 동안 SP – PV에서 오류가 발생하면 매개 변수 I 활성화되고이 잔여 오류를 종료하려고합니다. 이것은 실제로 이전에 기록 된 오류의 누적 값으로 인해 트리거 된 제어 응답으로 발생합니다. 이것이 발생하자마자 I 용어는 더 이상 향상되지 않습니다. 이는 적분 효과가 발생함에 따라 보상 되기는하지만 오차 요인이 감소함에 따라 비례 효과가 그에 따라 최소화되도록합니다.

D- 컨트롤러 :

용어 D는 오류 계수의 순간적인 변화율에 따라 SP – PV 오류에 대한 변화하는 추세에 대해 추론 된 가장 적합한 근사값입니다. 이 변경 속도가 빠르게 향상되면 피드백 제어가보다 적극적으로 구현되고 그 반대의 경우도 마찬가지입니다.

PID 튜닝이란?

위에서 설명한 매개 변수는 최적의 제어 기능을 보장하기 위해 올바른 밸런싱이 필요할 수 있으며 이는 '루프 튜닝'이라는 프로세스를 통해 달성됩니다. 관련 튜닝 상수는 다음 추론에서 볼 수 있듯이 'K'로 표시됩니다. 상수는 루프에 포함 된 특정 외부 매개 변수의 특성과 영향에 따라 엄격하게 달라지고 다양하기 때문에 이러한 각 상수는 선택한 응용 프로그램에 대해 개별적으로 파생되어야합니다. 여기에는 주어진 매개 변수를 측정하는 데 사용되는 센서의 응답, 제어 밸브와 같은 최종 조절 요소, 루프 신호의 가능한 시간 경과 및 프로세스 자체 등이 포함될 수 있습니다.

응용 프로그램 유형에 따라 구현 시작시 상수에 대한 근사값을 사용하는 것이 허용 될 수 있지만, 이는 궁극적으로 실제 실험을 통해 심각한 미세 조정 및 조정이 필요할 수 있습니다. 설정 값을 강제로 변경 한 다음 응답을 관찰합니다. 시스템 제어.

수학적 모델이든 실제 루프이든, 둘 다 지정된 용어에 대해 '직접'제어 동작을 사용하는 것을 볼 수 있습니다. 긍정 오류의 증가가 감지되면 합산 된 관련 용어에 대한 상황을 제어하기 위해 그에 따라 증가 된 긍정 제어가 시작됩니다.

그러나 이는 출력 매개 변수가 역 교정 조치를 필요로하는 반대로 구성된 특성을 가질 수있는 애플리케이션에서 역전되어야 할 수 있습니다. 밸브 개방 프로세스가 100 % 및 0 % 출력을 사용하여 작동하도록 지정되었지만 해당 0 % 및 100 % 출력으로 제어되어야하는 흐름 루프의 예를 고려해 보겠습니다.이 경우 역방향 수정 제어가 필수적입니다. 보다 정확하게는 신호 손실시 밸브가 100 % 열려 있어야하는 보호 기능이있는 수냉 시스템을 고려하십시오. 이 경우 컨트롤러 출력은 신호가 없을 때 0 % 제어로 변경 될 수 있어야합니다. 그래야 밸브가 완전 100 %에서 열릴 수 있습니다.이를 '역 작동'제어라고합니다.

제어 함수의 수학적 모델

이 수학적 모델에서 모든 음이 아닌 상수 Kp, Ki 및 Kd는 각각 비례, 적분 및 미분 항에 대한 계수를 나타냅니다 (경우에 따라 P, I 및 D로도 표시됨).

PID 제어 용어 사용자 정의

위의 논의에서 우리는 기본적으로 PID 제어 시스템이 세 가지 제어 매개 변수로 작동한다는 것을 이해했지만 일부 소규모 애플리케이션은 이러한 용어 중 두 개를 사용하거나 세 용어 중 하나를 사용하는 것을 선호 할 수 있습니다.

사용자 정의는 사용하지 않는 용어를 0 설정으로 렌더링하고 PI, PD 또는 P 또는 I와 같은 단일 용어 두 쌍을 통합하여 수행됩니다.이 중 용어 D는 일반적으로 잡음이 발생하기 쉬우므로 PI 컨트롤러 구성이 더 일반적입니다. 따라서 엄격하게 의무화되지 않는 한 대부분의 경우 제거됩니다. 용어 I는 일반적으로 시스템이 출력에서 ​​의도 한 최적의 목표 값을 달성하도록 보장하기 때문에 포함됩니다.