PID 컨트롤러 란 무엇인가 : 작동 및 응용

문제를 제거하기 위해 도구를 사용해보십시오





이름에서 알 수 있듯이이 기사는 PID 컨트롤러의 구조와 작동에 대한 정확한 아이디어를 제공 할 것입니다. 그러나 자세히 살펴보면 PID 컨트롤러에 대해 소개하겠습니다. PID 컨트롤러는 산업 공정 제어를위한 다양한 응용 분야에서 사용됩니다. 폐 루프 작업의 약 95 % 공업 자동화 섹터는 PID 컨트롤러를 사용합니다. PID는 Proportional-Integral-Derivative를 나타냅니다. 이 세 컨트롤러는 제어 신호를 생성하는 방식으로 결합됩니다. 피드백 컨트롤러로서 원하는 수준의 제어 출력을 제공합니다. 마이크로 프로세서가 발명되기 전에 PID 제어는 아날로그 전자 부품으로 구현되었습니다. 그러나 오늘날 모든 PID 컨트롤러는 마이크로 프로세서에 의해 처리됩니다. 프로그래밍 가능한 로직 컨트롤러 또한 내장 PID 컨트롤러 명령이 있습니다. PID 컨트롤러의 유연성과 신뢰성으로 인해 전통적으로 프로세스 제어 애플리케이션에 사용됩니다.

PID 컨트롤러 란?

PID라는 용어는 비례 적분 미분을 나타내며 산업 응용 분야에서 압력, 흐름, 온도 및 속도와 같은 다양한 프로세스 변수를 제어하는 ​​데 사용되는 장치의 한 종류입니다. 이 컨트롤러에서 제어 루프 피드백 장치는 모든 공정 변수를 조절하는 데 사용됩니다.




이 유형의 제어는 시스템을 목표 위치 방향으로 구동하는 데 사용됩니다. 온도 제어를 위해 거의 모든 곳에서 과학적 프로세스, 자동화 및 무수한 화학 물질에 사용됩니다. 이 컨트롤러에서 폐쇄 루프 피드백은 가능한 경우 고정 지점에서 출력되는 목표에 가까운 방법의 실제 출력을 유지하는 데 사용됩니다. 이 기사에서는 P, I 및 D와 같은 제어 모드가 사용되는 PID 컨트롤러 설계에 대해 설명합니다.

역사

PID 컨트롤러의 역사는 1911 년에 Elmer Sperry가 최초의 PID 컨트롤러를 개발했습니다. 그 후 TIC (Taylor Instrumental Company)는 1933 년에 완전히 조정 가능한 이전 공압 컨트롤러를 구현했습니다. 몇 년 후 제어 엔지니어는 오류가 0이 될 때까지 끝을 잘못된 값으로 되돌림으로써 비례 컨트롤러 내에서 발견되는 정상 상태의 오류를 제거했습니다.



이 재조정에는 비례 적분 컨트롤러로 알려진 오류가 포함되었습니다. 그 후 1940 년에 최초의 공압식 PID 컨트롤러가 오버 슈팅 문제를 줄이기 위해 미분 동작을 통해 개발되었습니다.

1942 년에 Ziegler & Nichols는 엔지니어가 PID 컨트롤러의 적절한 매개 변수를 발견하고 설정하기위한 튜닝 규칙을 도입했습니다. 마침내 1950 년 중반에 자동 PID 컨트롤러가 산업 분야에서 광범위하게 사용되었습니다.


PID 컨트롤러 블록 다이어그램

PID 컨트롤러와 같은 폐쇄 루프 시스템에는 피드백 제어 시스템이 포함됩니다. 이 시스템은 고정 소수점을 사용하여 피드백 변수를 평가하여 오류 신호를 생성합니다. 이를 바탕으로 시스템 출력을 변경합니다. 이 절차는 오류가 0에 도달 할 때까지 계속됩니다. 그렇지 않으면 피드백 변수의 값이 고정 포인트와 동일 해집니다.

이 컨트롤러는 ON / OFF 형 컨트롤러에 비해 좋은 결과를 제공합니다. ON / OFF 형 컨트롤러에서는 시스템을 관리하기 위해 두 가지 조건 만 얻을 수 있습니다. 공정 값이 고정 점보다 낮아지면 ON됩니다. 마찬가지로 값이 고정 값보다 높으면 꺼집니다. 이런 종류의 컨트롤러에서는 출력이 안정적이지 않으며 고정 점 영역에서 자주 스윙합니다. 그러나이 컨트롤러는 ON / OFF 형 컨트롤러에 비해 안정적이고 정확합니다.

PID 컨트롤러 작동

PID 컨트롤러 작동

PID 컨트롤러의 작동

저비용의 간단한 ON-OFF 컨트롤러를 사용하면 완전 ON 또는 완전 OFF와 같은 두 가지 제어 상태 만 가능합니다. 이 두 가지 제어 상태가 제어 목적에 충분한 제한된 제어 응용 프로그램에 사용됩니다. 그러나이 제어의 진동 특성은 사용을 제한하므로 PID 제어기로 대체되고 있습니다.

PID 컨트롤러는 폐쇄 루프 작동에 의해 프로세스 변수와 설정 값 / 원하는 출력 사이에 오류가 0이되도록 출력을 유지합니다. PID는 아래에 설명 된 세 가지 기본 제어 동작을 사용합니다.

P- 컨트롤러

비례 또는 P- 컨트롤러는 전류 오류 e (t)에 비례하는 출력을 제공합니다. 원하는 값 또는 설정 점을 실제 값 또는 피드백 프로세스 값과 비교합니다. 결과 오류는 출력을 얻기 위해 비례 상수와 곱해집니다. 오류 값이 0이면이 컨트롤러 출력은 0입니다.

P- 컨트롤러

P- 컨트롤러

이 컨트롤러는 단독으로 사용할 때 바이어스 또는 수동 재설정이 필요합니다. 이것은 정상 상태에 도달하지 않기 때문입니다. 안정적인 작동을 제공하지만 항상 정상 상태 오류를 유지합니다. 비례 상수 Kc가 증가하면 응답 속도가 증가합니다.

P 컨트롤러 응답

P 컨트롤러 응답

I- 컨트롤러

공정 변수와 설정 값 사이에 항상 오프셋이 존재하는 p- 컨트롤러의 한계로 인해 I- 컨트롤러가 필요하며, 이는 정상 상태 오류를 제거하는 데 필요한 조치를 제공합니다. 오류 값이 0에 도달 할 때까지 일정 기간 동안 오류를 통합합니다. 오류가 0이되는 최종 제어 장치에 값을 보유합니다.

PI 컨트롤러

PI 컨트롤러

통합 제어는 음의 오류가 발생하면 출력을 감소시킵니다. 응답 속도를 제한하고 시스템의 안정성에 영향을줍니다. 적분 게인 Ki를 줄이면 응답 속도가 빨라집니다.

PI 컨트롤러 응답

PI 컨트롤러 응답

위 그림에서 I- 컨트롤러의 이득이 감소함에 따라 정상 상태 오류도 계속 감소합니다. 대부분의 경우 PI 컨트롤러는 특히 고속 응답이 필요하지 않은 경우에 사용됩니다.

PI 컨트롤러를 사용하는 동안 I 컨트롤러 출력은이를 극복하기 위해 다소 범위로 제한됩니다. 적분 와인드업 플랜트의 비선형 성으로 인해 오류가없는 상태에서도 적분 출력이 계속 증가하는 조건.

D 컨트롤러

I- 컨트롤러는 미래의 오류 동작을 예측할 수 없습니다. 따라서 설정 값이 변경되면 정상적으로 반응합니다. D 컨트롤러는 오류의 향후 동작을 예상하여이 문제를 극복합니다. 출력은 미분 상수를 곱한 시간에 대한 오류 변화율에 따라 달라집니다. 출력에 대한 시작을 제공하여 시스템 응답을 증가시킵니다.

PID 컨트롤러

PID 컨트롤러

위 그림 D의 응답에서 PI 컨트롤러에 비해 컨트롤러가 많고 출력의 안정화 시간도 줄어 듭니다. I-controller로 인한 위상 지연을 보상하여 시스템의 안정성을 향상시킵니다. 미분 게인을 늘리면 응답 속도가 빨라집니다.

PID 컨트롤러 응답

PID 컨트롤러 응답

마지막으로이 세 컨트롤러를 결합하여 시스템에 대해 원하는 응답을 얻을 수 있음을 관찰했습니다. 제조업체마다 다른 PID 알고리즘을 설계합니다.

PID 컨트롤러의 종류

PID 제어기는 ON / OFF 제어기, 비례 제어기, 표준 제어기의 세 가지 유형으로 분류됩니다. 이러한 컨트롤러는 제어 시스템을 기반으로 사용되며 사용자는 컨트롤러를 사용하여 방법을 조절할 수 있습니다.

ON / OFF 제어

온-오프 제어 방법은 온도 제어에 사용되는 가장 간단한 장치 유형입니다. 중앙 상태가 없어도 장치 출력이 ON / OFF가 될 수 있습니다. 이 컨트롤러는 온도가 고정 점을 넘으면 출력을 켭니다. 제한 컨트롤러는 래칭 릴레이를 사용하는 특정 종류의 ON / OFF 컨트롤러입니다. 이 릴레이는 수동으로 재설정되며 특정 온도에 도달하면 방법을 끄는 데 사용됩니다.

비례 제어

이러한 종류의 컨트롤러는 ON / OFF 제어를 통해 연결된 사이클링을 제거하도록 설계되었습니다. 이 PID 컨트롤러는 온도가 고정 점에 도달하면 히터쪽으로 공급되는 정상 전력을 감소시킵니다.

이 컨트롤러에는 고정 점을 초과하지 않도록 히터를 제어하는 ​​기능이 하나 있지만 일정한 온도를 유지하기 위해 고정 점에 도달합니다.
이 비례 동작은 짧은 시간 동안 출력을 켜고 끌 수 있습니다. 이 시간 비례는 온도 제어를 위해 ON 시간에서 OFF 시간으로 비율을 변경합니다.

표준형 PID 컨트롤러

이러한 종류의 PID 컨트롤러는 적분 및 미분 제어를 통해 비례 제어를 병합하여 장치가 시스템 내 수정을 보상하도록 자동으로 지원합니다. 이러한 수정, 적분 및 미분은 시간 기반 단위로 표현됩니다.

이러한 컨트롤러는 또한 RATE 및 RESET의 역수를 통해 참조됩니다. PID 조건은 시행 착오와 함께 특정 시스템에 맞게 별도로 조정해야합니다. 이 컨트롤러는 3 가지 컨트롤러 유형 중 가장 정확하고 안정적인 제어를 제공합니다.

실시간 PID 컨트롤러

현재 시장에는 다양한 종류의 PID 컨트롤러가 있습니다. 이 컨트롤러는 압력, 온도, 레벨 및 흐름과 같은 산업 제어 요구 사항에 사용됩니다. 이러한 매개 변수가 PID를 통해 제어되면 선택 사항은 별도의 PID 컨트롤러 또는 PLC를 사용하는 것으로 구성됩니다.
이러한 개별 컨트롤러는 더 큰 시스템을 통해 진입 할 수있는 오른쪽에 복잡한 조건에서 1 개 또는 2 개의 루프를 확인해야 할 때마다 사용됩니다.

이러한 제어 장치는 솔로 및 트윈 루프 제어를위한 다양한 선택을 제공합니다. 독립형 PID 컨트롤러는 자율적 인 여러 알람을 생성하기 위해 여러 고정 소수점 구성을 제공합니다.
이러한 독립형 컨트롤러는 주로 Honeywell의 PID 컨트롤러, Yokogawa의 온도 컨트롤러, OMEGA, Siemens 및 ABB 컨트롤러의 자동 조정 컨트롤러로 구성됩니다.

PLC는 대부분의 산업용 제어 애플리케이션에서 PID 컨트롤러처럼 사용됩니다. PID 블록의 배열은 정확한 PLC 제어를위한 탁월한 선택을 제공하기 위해 PAC 또는 PLC 내에서 수행 될 수 있습니다. 이러한 컨트롤러는 별도의 컨트롤러에 비해 더 똑똑하고 강력합니다. 각 PLC는 소프트웨어 프로그래밍 내에 PID 블록을 포함합니다.

튜닝 방법

PID 컨트롤러가 작동하기 전에 제어 할 프로세스의 역학에 맞게 조정해야합니다. 설계자는 P, I 및 D 항에 대한 기본값을 제공하는데 이러한 값은 원하는 성능을 제공하지 못하며 때때로 불안정하고 느린 제어 성능으로 이어집니다. PID 컨트롤러를 튜닝하기 위해 다양한 유형의 튜닝 방법이 개발되고 있으며, 비례, 적분 및 미분 이득의 최상의 값을 선택하기 위해 운영자의 많은주의가 필요합니다. 이들 중 일부는 아래에 나와 있습니다.

PID 컨트롤러는 대부분의 산업용 애플리케이션에서 사용되지만이 컨트롤러의 설정을 알고 있어야 원하는 출력을 생성 할 수 있습니다. 여기서 튜닝은 최적의 비례 게인, 적분 및 미분 계수를 설정하여 컨트롤러로부터 이상적인 응답을받는 절차에 불과합니다.

PID 컨트롤러의 원하는 출력은 컨트롤러를 조정하여 얻을 수 있습니다. 시행 착오, Zeigler-Nichols 및 공정 반응 곡선과 같이 컨트롤러에서 필요한 출력을 얻는 데 사용할 수있는 다양한 기술이 있습니다. 가장 자주 사용되는 방법은 시행 착오, Zeigler-Nichols 등입니다.

시행 착오 방법 : PID 제어기 튜닝의 간단한 방법입니다. 시스템 또는 컨트롤러가 작동하는 동안 컨트롤러를 조정할 수 있습니다. 이 방법에서는 먼저 Ki 및 Kd 값을 0으로 설정하고 시스템이 진동 동작에 도달 할 때까지 비례 항 (Kp)을 늘려야합니다. 진동이 발생하면 Ki (적분 항)를 조정하여 진동이 멈추고 마지막으로 D를 조정하여 빠른 응답을 얻습니다.

공정 반응 곡선 기법 : 개방 루프 튜닝 기술입니다. 단계 입력이 시스템에 적용될 때 응답을 생성합니다. 처음에는 시스템에 제어 출력을 수동으로 적용하고 응답 곡선을 기록해야합니다.

그 후 기울기, 데드 타임, 곡선의 상승 시간을 계산하고 마지막으로이 값을 P, I, D 방정식으로 대체하여 PID 항의 이득 값을 구해야합니다.

공정 반응 곡선

공정 반응 곡선

Zeigler-Nichols 방법 : Zeigler-Nichols는 PID 컨트롤러를 튜닝하기위한 폐쇄 루프 방법을 제안했습니다. 연속 사이클링 방식과 감쇠 진동 방식입니다. 두 방법의 절차는 동일하지만 진동 동작이 다릅니다. 여기에서 먼저 Ki와 Kd 값이 0 인 동안 p-controller 상수 Kp를 특정 값으로 설정해야합니다. 시스템이 일정한 진폭으로 진동 할 때까지 비례 이득이 증가합니다.

시스템이 일정한 진동을 생성하는 이득을 궁극 이득 (Ku)이라고하고 진동주기를 궁극주기 (Pc)라고합니다. 일단 도달하면 Zeigler-Nichols 테이블에 의해 PID 컨트롤러에 P, I 및 D 값을 입력 할 수 있습니다. 아래 그림과 같이 P, PI 또는 PID와 같이 사용되는 컨트롤러에 따라 다릅니다.

Zeigler-Nichols 표

Zeigler-Nichols 표

PID 제어기 구조

PID 컨트롤러는 비례, 적분 및 미분 제어의 세 가지 용어로 구성됩니다. 이 세 컨트롤러의 결합 된 작동은 프로세스 제어를위한 제어 전략을 제공합니다. PID 컨트롤러는 압력, 속도, 온도, 유량 등과 같은 프로세스 변수를 조작합니다. 일부 애플리케이션은 제어를 달성하기 위해 2 개 이상의 PID가 사용되는 캐스케이드 네트워크에서 PID 컨트롤러를 사용합니다.

PID 제어기의 구조

PID 제어기의 구조

위 그림은 PID 제어기의 구조를 보여줍니다. 프로세스 블록에 출력을 제공하는 PID 블록으로 구성됩니다. 프로세스 / 플랜트는 산업 / 플랜트의 다양한 프로세스를 제어하기위한 액추에이터, 제어 밸브 및 기타 제어 장치와 같은 최종 제어 장치로 구성됩니다.

공정 플랜트의 피드백 신호는 설정 점 또는 기준 신호 u (t)와 비교되고 해당 오류 신호 e (t)는 PID 알고리즘에 공급됩니다. 알고리즘의 비례, 적분 및 미분 제어 계산에 따라 컨트롤러는 플랜트 제어 장치에 적용되는 결합 된 응답 또는 제어 출력을 생성합니다.

모든 제어 애플리케이션에 세 가지 제어 요소가 모두 필요하지는 않습니다. PI 및 PD 제어와 같은 조합은 실제 응용 분야에서 매우 자주 사용됩니다.

응용

PID 컨트롤러 애플리케이션에는 다음이 포함됩니다.

최고의 PID 컨트롤러 애플리케이션은 컨트롤러가 온도 센서의 입력을 사용하고 그 출력이 팬 또는 히터와 같은 제어 요소에 연결될 수있는 온도 제어입니다. 일반적으로이 컨트롤러는 온도 제어 시스템의 한 요소 일뿐입니다. 올바른 컨트롤러를 선택하는 동안 전체 시스템을 검사하고 고려해야합니다.

로의 온도 제어

일반적으로 용광로는 가열을 포함하고 엄청난 온도에서 엄청난 양의 원료를 보유하는 데 사용됩니다. 점유 된 재료가 거대한 질량을 포함하는 것은 일반적입니다. 결과적으로 많은 관성이 필요하고 큰 열이 가해져도 재료의 온도가 급격히 변하지 않습니다. 이 기능은 중간 정도의 안정적인 PV 신호를 생성하고 미분 기간이 FCE 또는 CO에 대한 극단적 인 변경없이 오류를 효율적으로 수정할 수 있도록합니다.

MPPT 충전 컨트롤러

광전지의 V-I 특성은 주로 온도 범위와 조도에 따라 달라집니다. 기상 조건에 따라 전류 및 작동 전압이 지속적으로 변경됩니다. 따라서 효율적인 태양 광 발전 시스템의 가장 높은 PowerPoint를 추적하는 것은 매우 중요합니다. PID 컨트롤러는 PID 컨트롤러에 고정 된 전압 및 전류 포인트를 제공하여 MPPT를 찾는 데 사용됩니다. 날씨 조건이 변경되면 추적기는 전류와 전압을 안정적으로 유지합니다.

전력 전자 변환기

변환기는 전력 전자의 응용 프로그램이므로 PID 컨트롤러는 대부분 변환기에 사용됩니다. 컨버터가 부하 내 변화에 따라 시스템을 통해 연합 될 때마다 컨버터의 출력이 변경됩니다. 예를 들어 인버터는 부하와 연계되어 부하가 증가하면 큰 전류가 공급됩니다. 따라서 전압과 전류의 매개 변수는 안정적이지 않지만 요구 사항에 따라 변경됩니다.

이 상태에서이 컨트롤러는 PWM 신호를 생성하여 인버터의 IGBT를 활성화합니다. 부하 내 변화에 따라 응답 신호가 PID 컨트롤러에 제공되어 n 오류가 발생합니다. 이러한 신호는 오류 신호를 기반으로 생성됩니다. 이 상태에서 유사한 인버터를 통해 변경 가능한 입출력을 얻을 수 있습니다.

PID 컨트롤러의 응용 : 브러시리스 DC 모터를위한 폐쇄 루프 제어

PID 컨트롤러 인터페이스

PID 컨트롤러의 설계 및 인터페이스는 Arduino 마이크로 컨트롤러를 사용하여 수행 할 수 있습니다. 실험실에서 Arduino 기반 PID 컨트롤러는 Arduino UNO 보드, 전자 부품, 열전 냉각기를 사용하여 설계되었으며이 시스템에서 사용되는 소프트웨어 프로그래밍 언어는 C 또는 C ++입니다. 이 시스템은 실험실 내 온도를 제어하는 ​​데 사용됩니다.

특정 컨트롤러의 PID 매개 변수는 물리적으로 발견됩니다. 다양한 PID 파라미터의 기능은 서로 다른 형태의 컨트롤러 간의 후속 대조를 통해 구현 될 수 있습니다.
이 인터페이스 시스템은 ± 0.6 ℃의 오차를 통해 효율적으로 온도를 계산할 수있는 반면, 일정한 온도는 단순히 선호하는 값과 약간의 차이를 통해 조절됩니다. 이 시스템에 사용 된 개념은 실험실 내에서 선호하는 범위의 물리적 매개 변수를 관리하기위한 저렴하고 정확한 기술을 제공합니다.

따라서이 기사에서는 히스토리, 블록 다이어그램, 구조, 유형, 작업, 튜닝 방법, 인터페이스, 장점 및 응용 프로그램을 포함하는 PID 컨트롤러의 개요를 설명합니다. PID 컨트롤러에 대한 기본적이고 정확한 지식을 제공 할 수 있었기를 바랍니다. 여기 여러분 모두를위한 간단한 질문이 있습니다. 다양한 튜닝 방법 중에서 PID 컨트롤러의 최적 작동을 위해 사용하는 것이 바람직하며 그 이유는 무엇입니까?

아래 의견란에 친절하게 답변 해 주시기 바랍니다.

사진 크레딧

PID 컨트롤러 블록 다이어그램 위키 미디어
PID 제어기 구조, P 제어기, P – 제어기 응답 및 PID 제어기 blog.opticontrols
P – 컨트롤러 응답 controls.engin.umich
PI- 컨트롤러 응답 m. 먹다
PID 컨트롤러 응답 위키 미디어
Zeigler-Nichols 표 기준 controls.engin