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PID控制器为工业应用提供良好的稳定性和快速响应
编辑: 来源: 发布时间:2018-09-07

     在说明PID控制器之前,让大家来修改控制系统。有两种类型的系统; 开环系统和闭环系统。开环系统也称为不受控制的系统,闭环系统称为受控系统。在开环系统中,输出不受控制,因为该系统没有反馈,而在闭环系统中,输出是在控制器的帮助下控制的,并且该系统需要一个或多个反馈路径。开环系统非常简单,但在工业控制应用中没有用,因为该系统是不受控制的。闭环系统很复杂,但对工业应用最有用,因为在这个系统中输出可以稳定在所需的值,PID是闭环系统的一个例子。该系统的框图如下图所示。

  图  控制器的开环和闭环系统
 图  控制器的开环和闭环系统
 
    闭环系统也称为反馈控制系统,这种类型的系统用于在希望的输出或参考处设计自动稳定的系统。因此,它会产生错误信号。误差信号 e(t)是输出y(t)和参考信号u(t)之间的差。当该误差为零时,意味着实现了希望的输出,并且在这种情况下输出与参考信号相同。
 
    例如,干燥机运行若干次,这是预设值。当烘干机打开时,定时器启动并运行直到定时器结束并输出(干布)。这是一个简单的开环系统,输出不需要控制,也不需要任何反馈路径。如果在这个系统中,大家使用了一个湿度控制器,它提供反馈路径并将其与设定值进行比较并产生误差。干燥器运行直到此错误为零。这意味着当布料的湿度与设定点相同时,烘干机将停止工作。在开环系统中,干燥器将运行固定时间,而不管衣物是干燥还是潮湿。但是在闭环系统中,烘干机不能运行固定时间,它会一直运行直到衣服干燥。这是闭环系统和控制器使用的优点。
 
    PID控制器及其工作原理:
    什么是PID控制器? PID控制器是工业应用中普遍接受和最常用的控制器,因为PID控制器简单,提供良好的稳定性和快速响应。PID代表比例,积分,微分。在每个应用中,改变这三个动作的系数以获得最佳响应和控制。控制器输入是错误信号,输出给予工厂/过程。生成控制器的输出信号,使得工厂的输出试图达到希望值。
 
    PID控制器是一个闭环系统,它具有反馈控制系统,它将过程变量(反馈变量)与设定点进行比较,并产生一个误差信号,并根据它调整系统的输出。此过程将继续,直到此错误变为零或过程变量值变为等于设定点。
 图  PID控制器方框图
 图  PID控制器方框图
 
    大家将在本文后面了解比例,积分和微分行动。
 
    PID控制器比ON / OFF控制器提供更好的结果。在ON / OFF控制器中,只有两种状态可用于控制系统。它可以是ON或OFF。当过程值小于设定值时,它将为ON;当过程值大于设定值时,它将为OFF。在此控制器中,输出将永远不会稳定,它将始终围绕设定值振荡。但与ON / OFF控制器相比,PID控制器更加稳定和精确。
 
    PID控制器是三个术语的组合; 比例,积分和微分。让大家分别理解这三个术语。
 
    PID控制模式:
    比例(P)响应:
 
    术语“P”与误差的实际值成比例。如果误差很大,控制输出也很大,如果误差很小,控制输出也很小,但增益系数(K p)也考虑到了。响应速度也与比例增益因子(K p)成正比。因此,通过增加K p的值来增加响应速度,但是如果K p增加到超出正常范围,则过程变量开始以高速率振荡并使系统不稳定。
 
    y(t)αe(t)
    y(t)= k i * e(t)
    其中K p是比例增益因子。
 
图   PID控制器比例响应
图   PID控制器比例响应
 
    这里,得到的误差乘以比例增益因子(比例常数),如上面的等式所示。如果仅使用P控制器,那么它需要手动复位,因为它保持稳态错误(偏移)。
 
    积分(I)回复:
 
    积分控制器通常用于减少稳态误差。术语“I”与错误的实际值相关(关于时间)。由于集成,误差值非常小,因此积分响应非常高。积分控制器动作继续改变,直到错误变为零。
 
    y(t)α∫e(t)
    Y(吨)= K 我 ∫E(t)的
    其中K i  是比例增益因子。 
 
图 PID控制器积分响应
图 PID控制器积分响应
 
    积分增益与响应速度成反比,增加k i,降低响应速度。比例和积分控制器结合使用(PI控制器),以获得良好的响应速度和稳态响应。
 
    衍生物(D)反应:
 
    微分控制器用于PD或PID的组合。它从不单独使用,因为如果错误是常数(非零),控制器的输出将为零。在这种情况下,控制器表现出生命零误差,但实际上存在一些误差(常数)。微分控制器的输出与误差相对于时间的变化率成正比,如公式所示。通过去除比例符号,大家得到导数增益常数(k d)。通常,当处理器变量开始振荡或以非常高的速率变化时,使用微分控制器。D控制器还用于通过误差曲线预测误差的未来行为。数学方程如下所示; 
 
    y(t)αde(t)/ dt
    y(t)= K d * de(t)/ dt
    其中K d是比例增益因子。
图 PID控制器微分响应
图 PID控制器微分响应
 
    比例和积分控制器:
 
    这是P和I控制器的组合。控制器的输出是(比例和积分)响应的总和。数学方程如下所示;
 
    y(t)α(e(t)+∫e(t)dt)
    Y(吨)= K p   * E(t)的+ K 我   ∫E(t)的DT
    比例和微分控制器:  这是P和D控制器的组合。控制器的输出是比例和微分响应的总和。PD控制器的数学方程如下所示;
 
    y(t)α(e(t)+ de(t)/ dt)
    y(t)= k p   * e(t)+ k d   * de(t)/ dt
    比例,积分和微分控制器:  这是P,I和D控制器的组合。控制器的输出是比例,积分和微分响应的总和。PD控制器的数学方程如下所示;
 
    y(t)α(e(t)+∫e(t)dt + de(t)/ dt)
    Y(吨)= K p   * E(t)的+ K 我   ∫E(t)的DT + K d *德(T)/ dt的
 
图   PID控制器方框图
图   PID控制器方框图
 
    因此,通过组合该比例,积分和微分控制响应,形成PID控制器。
   

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