What is a PID controller?
برای بزرگنمایی روی تصویر کلیک کنید
What is a PID controller?
A PID (Proportional Integral Derivative) controller is a common instrument used in industrial control applications. A PID controller can be used for regulation of speed, temperature, flow, pressure and other process variables. Field mounted PID controllers can be placed close to the sensor or the control regulation device and be monitored centrally using a SCADA system.
Example: Temperature Control using a Digital PID controller
A typical PID temperature controller application could be to continuously vary a regulator which can alter a process temperature. This may be a pulsed switching device for electrical heaters or by opening and closing a gas valve. A heat only PID temperature controller uses a reverse output action, i.e. more power is applied when the temperature is below the set point and less power when above. PID control for injection and extrusion applications often employ additional cooling control outputs and usually require multiple controllers.
A PID controller (sometimes called a three term controller) reads the sensor signal, normally from a thermocouple or RTD(Thermal Resistive sensor)*, and converts the measurement to engineering units e.g. Degrees C. It then subtracts the measurement from a desired set point to determine an error.
The error is acted upon by the three (P, I & D) terms simultaneously:
PID Controller Theory
The following section examines PID controller theory and provides further explanation of the question `how do PID controllers work'.
Proportional (Gain)
The error is multiplied by a negative (for reverse action) proportional constant P, and added to the current output. P represents the band over which a controller's output is proportional to the error of the system. E.g. for a heater, a controller with a proportional band of 10 deg C and a set point of 100 deg C would have an output of 100% up to 90 deg C, 50% at 95 Deg C and 10% at 99 deg C. If the temperature overshoots the set point value, the heating power would be cut back further. Proportional only control can provide a stable process temperature but there will always be an error between the required set point and the actual process temperature.
Integral (Reset)
The error is integrated (averaged) over a period of time, and then multiplied by a constant I, and added to the current control output. I represents the steady state error of the system and will remove set point / measured value errors. For many applications Proportional + Integral control will be satisfactory with good stability and at the desired set point.
Derivative (Rate)
The rate of change of the error is calculated with respect to time, multiplied by another constant D, and added to the output. The derivative term is used to determine a controller's response to a change or disturbance of the process temperature (e.g. opening an oven door). The larger the derivative term, the more rapidly the controller will respond to changes in the process value.
Tuning of PID Controller Terms
The P, I and D terms need to be "tuned" to suit the dynamics of the process being controlled. Any of the terms described above can cause the process to be unstable, or very slow to control, if not correctly set. These days temperature control using digital PID controllers have automatic auto-tune functions. During the auto-tune period the PID controller controls the power to the process and measures the rate of change, overshoot and response time of the plant. This is often based on the Zeigler-Nichols method of calculating controller term values. Once the auto-tune period is completed the P, I &D values are stored and used by the PID controller.
--------------------------------------------------------------------------------
*RTDs are manufactured from metals whose resistance increases with temperature. Within a limited temperature range, the resistivity increases linearly with temperature. Each metals specific, and unique resistivity, can be determined experimentally. This resistance is directly proportional to a metal wire's length, and inversely proportional to the cross-sectional area.
کنترل کننده PID چیست؟
یک کنترل کننده PID (تناسبی – انتگرال گیر – مشتق گیر) یک ابزار متعارفی است که در کاربردهای کنترل صنعتی استفاده می شود.یک کنترل کننده PID می تواند برای تنظیم سرعت، دما،جریان،فشار و سایر پروسه های متغیر استفاده شود.کنترل کنندهPID می تواند نزدیک سنسور(حسگر) یا وسیله تنظیم کنترل جاسازی شود و با استفاده از سیستم اسکادا (SCADA) به طور مرکزی از طریق مانیتور کنترل شود.
مثال: کنترل دما با استفاده از کنترل کننده PID دیجیتال
یک کاربرد نوعی(typical) کنترل کننده دمای PID می تواند کنترل تغییرات پیوسته یک تنظیم کننده که ممکن است دمای یک پروسه را تغییر دهد، باشد.این کار ممکن است توسط ادوات سوئیچینگ پالس برای گرمکن های الکتریکی یا توسط باز و بسته کردن یک دریچه گاز انجام شود. کنترل کننده دمای PID از دما صرفاً به عنوان وارون عمل خروجی استفاده می کند.به طور مثال بیشتر توان اعمال شده به پروسه وقتی است که دما زیر set point است و کمترین توان اعمالی زمانی است که دما بالای نقطه set point باشد.این کنترل کننده ها برای تزریق و خارج کردن دما غالباً از خروجی های کنترل خنک کننده اضافی استفاده می کند و معمولا به کنترل کننده های ضرب کننده نیاز دارند.
یک کنترل کننده PID (گاهی اوقات کنترل کننده سه عبارتی هم نامیده می شوند)، سیگنال سنسور را به طور معمول از یک ترموکوپل یا *RTD(سنسور مقاومتی حرارتی) می خواند و به مقداری بر حسب واحدهای مهندسی مثل درجه سانتی گراد تبدیل می کند.سپس مقدار اندازه گیری شده را از set point کم می کند تا سیگنال خطا را تولید کند.خطا روی سه عبارت P ، I و D در یک زمان عمل می کند.
اصول علمی کنترل کننده PID
قسمتی که در ادامه می آید،اصول علمی کنترل کننده PID را بررسی می کند و توضیح بیشتری در مورد این سوال که PID ها چه کاری انجام می دهند،ارائه می دهد.
تناسبی(بهره)
خطا با یک نسبت منفی(برای عمل معکوس) در ثابت P ضرب می شود و با خروجی فعلی جمع می شود.ثابت P حد(باند) بالایی که خروجی کنترل کننده با خطای سیستم تناسبی است را نشان می دهد.به عنوان مثال برای یک گرمکن، کنترل کننده با یک محدوده تناسبی ده درجه سانتیگراد و مقدار تنظیم شده خروجی(set point ) صد درجه سانتیگراد یک خروجی 100% بالای نود درجه سانتیگراد و با احتمال 50% بالای نود و پنج درجه سانتیگراد و 10% بالای نود ونه درجه سانتیگراد خواهد داشت.اگر دما از مقدار set point بیشتر شود(over shoot اتفاق بیفتد) توان گرمکن بیشتر به عقب بر می گردد(cut back).کنترل کننده تناسبی تنها می تواند یک پروسه دمای یایداری را ایجاد کند اما همیشه یک خطایی بین مقدار set point مورد نیاز و دمای واقعی پروسه وجود دارد.
انتگرال(راه اندازی مجدد)
خطا در یک دوره زمانی میانگین گرفته می شود و سپس در ثابت I ضرب می شود و با جریان خروجی کنترل کننده جمع می شود. I خطای حالت ماندگار سیستم را نشان می دهد و خطای ناشی از نسبت set point به مقدار اندازه گیری شده را حذف می کند.برای بسیاری از کاربردها، کنترل کننده های تناسبی و انتگرال گیر رضایت بخش و با پایداری خوب و set point مطلوب خواهد بود.
مشتق(سرعت)
سرعت تغییرات خطا با توجه به زمان محاسبه می شود و در یک ثابت دیگر با علامت D ضرب شده و با خروجی جمع می شود. عبارت مشتق گیر برای تعیین پاسخ کنترل کننده به تغییر یا اختلال در پروسه دمایی(مانند باز شدن در یک کوره) استفاده می شود.در نتیجه عبارت مشتق گیر بزرگتر ، کنترل کننده با سرعت بیشتری به تغییرات در مقدار پروسه پاسخ خواهد داد.
میزان سازی عبارات کنترل کننده PID (tuning)
عبارات P ، I و D برای تطبیق با دینامیک ها(فعالیت های درونی) پروسه ای که پردازش می شود باید میزان سازی (تیون) شود.هر کدام از عبارت هایی که در بالا شرح داده شد اگر به درستی تنظیم نشوند می توانند باعث ناپایداری یا کنترل خیلی آهسته پروسه شوند.امروزه برای کنترل دما از کنترل کننده های PID های دیجیتال که کارایی auto – tune خودکار دارند ،استفاده می کنند.در طول دوره میزان سازی خودکار(auto- tune)، کنترل کننده PID توان پروسه و پیش بینی های سرعت تغییر، بالازدگی(overshoot) و زمان پاسخ دهی واحد صنعتی را کنترل می کند.این کار اغلب مبنی بر روش زیگلر – نیکولز برای محاسبه مقادیر عبارت های کنترل کننده می باشد. یک مرتبه که دوره زمانی میزان سازی خودکار کامل شد، مقادیر P ، I و D ذخیره می شوند و در کنترل کننده PID استفاده می شود.
--------------------------------------------------------------------
*RTD ها از فلزهایی که با دما مقاومت را افزایش می دهند، ساخته می شوند.در یک محدوده دمایی مقاومت به صورت خطی با دما افزایش پیدا می کند.هر یک از خواص فلزات و مقاومت ویژه آن می تواند از راه آزمایش تعیین شود.این مقاومت با طول سیم نسبت مستقیم و با سطح مقطع آن نسبت عکس دارد.
A PID (Proportional Integral Derivative) controller is a common instrument used in industrial control applications. A PID controller can be used for regulation of speed, temperature, flow, pressure and other process variables. Field mounted PID controllers can be placed close to the sensor or the control regulation device and be monitored centrally using a SCADA system.
Example: Temperature Control using a Digital PID controller
A typical PID temperature controller application could be to continuously vary a regulator which can alter a process temperature. This may be a pulsed switching device for electrical heaters or by opening and closing a gas valve. A heat only PID temperature controller uses a reverse output action, i.e. more power is applied when the temperature is below the set point and less power when above. PID control for injection and extrusion applications often employ additional cooling control outputs and usually require multiple controllers.
A PID controller (sometimes called a three term controller) reads the sensor signal, normally from a thermocouple or RTD(Thermal Resistive sensor)*, and converts the measurement to engineering units e.g. Degrees C. It then subtracts the measurement from a desired set point to determine an error.
The error is acted upon by the three (P, I & D) terms simultaneously:
PID Controller Theory
The following section examines PID controller theory and provides further explanation of the question `how do PID controllers work'.
Proportional (Gain)
The error is multiplied by a negative (for reverse action) proportional constant P, and added to the current output. P represents the band over which a controller's output is proportional to the error of the system. E.g. for a heater, a controller with a proportional band of 10 deg C and a set point of 100 deg C would have an output of 100% up to 90 deg C, 50% at 95 Deg C and 10% at 99 deg C. If the temperature overshoots the set point value, the heating power would be cut back further. Proportional only control can provide a stable process temperature but there will always be an error between the required set point and the actual process temperature.
Integral (Reset)
The error is integrated (averaged) over a period of time, and then multiplied by a constant I, and added to the current control output. I represents the steady state error of the system and will remove set point / measured value errors. For many applications Proportional + Integral control will be satisfactory with good stability and at the desired set point.
Derivative (Rate)
The rate of change of the error is calculated with respect to time, multiplied by another constant D, and added to the output. The derivative term is used to determine a controller's response to a change or disturbance of the process temperature (e.g. opening an oven door). The larger the derivative term, the more rapidly the controller will respond to changes in the process value.
Tuning of PID Controller Terms
The P, I and D terms need to be "tuned" to suit the dynamics of the process being controlled. Any of the terms described above can cause the process to be unstable, or very slow to control, if not correctly set. These days temperature control using digital PID controllers have automatic auto-tune functions. During the auto-tune period the PID controller controls the power to the process and measures the rate of change, overshoot and response time of the plant. This is often based on the Zeigler-Nichols method of calculating controller term values. Once the auto-tune period is completed the P, I &D values are stored and used by the PID controller.
--------------------------------------------------------------------------------
*RTDs are manufactured from metals whose resistance increases with temperature. Within a limited temperature range, the resistivity increases linearly with temperature. Each metals specific, and unique resistivity, can be determined experimentally. This resistance is directly proportional to a metal wire's length, and inversely proportional to the cross-sectional area.
کنترل کننده PID چیست؟
یک کنترل کننده PID (تناسبی – انتگرال گیر – مشتق گیر) یک ابزار متعارفی است که در کاربردهای کنترل صنعتی استفاده می شود.یک کنترل کننده PID می تواند برای تنظیم سرعت، دما،جریان،فشار و سایر پروسه های متغیر استفاده شود.کنترل کنندهPID می تواند نزدیک سنسور(حسگر) یا وسیله تنظیم کنترل جاسازی شود و با استفاده از سیستم اسکادا (SCADA) به طور مرکزی از طریق مانیتور کنترل شود.
مثال: کنترل دما با استفاده از کنترل کننده PID دیجیتال
یک کاربرد نوعی(typical) کنترل کننده دمای PID می تواند کنترل تغییرات پیوسته یک تنظیم کننده که ممکن است دمای یک پروسه را تغییر دهد، باشد.این کار ممکن است توسط ادوات سوئیچینگ پالس برای گرمکن های الکتریکی یا توسط باز و بسته کردن یک دریچه گاز انجام شود. کنترل کننده دمای PID از دما صرفاً به عنوان وارون عمل خروجی استفاده می کند.به طور مثال بیشتر توان اعمال شده به پروسه وقتی است که دما زیر set point است و کمترین توان اعمالی زمانی است که دما بالای نقطه set point باشد.این کنترل کننده ها برای تزریق و خارج کردن دما غالباً از خروجی های کنترل خنک کننده اضافی استفاده می کند و معمولا به کنترل کننده های ضرب کننده نیاز دارند.
یک کنترل کننده PID (گاهی اوقات کنترل کننده سه عبارتی هم نامیده می شوند)، سیگنال سنسور را به طور معمول از یک ترموکوپل یا *RTD(سنسور مقاومتی حرارتی) می خواند و به مقداری بر حسب واحدهای مهندسی مثل درجه سانتی گراد تبدیل می کند.سپس مقدار اندازه گیری شده را از set point کم می کند تا سیگنال خطا را تولید کند.خطا روی سه عبارت P ، I و D در یک زمان عمل می کند.
اصول علمی کنترل کننده PID
قسمتی که در ادامه می آید،اصول علمی کنترل کننده PID را بررسی می کند و توضیح بیشتری در مورد این سوال که PID ها چه کاری انجام می دهند،ارائه می دهد.
تناسبی(بهره)
خطا با یک نسبت منفی(برای عمل معکوس) در ثابت P ضرب می شود و با خروجی فعلی جمع می شود.ثابت P حد(باند) بالایی که خروجی کنترل کننده با خطای سیستم تناسبی است را نشان می دهد.به عنوان مثال برای یک گرمکن، کنترل کننده با یک محدوده تناسبی ده درجه سانتیگراد و مقدار تنظیم شده خروجی(set point ) صد درجه سانتیگراد یک خروجی 100% بالای نود درجه سانتیگراد و با احتمال 50% بالای نود و پنج درجه سانتیگراد و 10% بالای نود ونه درجه سانتیگراد خواهد داشت.اگر دما از مقدار set point بیشتر شود(over shoot اتفاق بیفتد) توان گرمکن بیشتر به عقب بر می گردد(cut back).کنترل کننده تناسبی تنها می تواند یک پروسه دمای یایداری را ایجاد کند اما همیشه یک خطایی بین مقدار set point مورد نیاز و دمای واقعی پروسه وجود دارد.
انتگرال(راه اندازی مجدد)
خطا در یک دوره زمانی میانگین گرفته می شود و سپس در ثابت I ضرب می شود و با جریان خروجی کنترل کننده جمع می شود. I خطای حالت ماندگار سیستم را نشان می دهد و خطای ناشی از نسبت set point به مقدار اندازه گیری شده را حذف می کند.برای بسیاری از کاربردها، کنترل کننده های تناسبی و انتگرال گیر رضایت بخش و با پایداری خوب و set point مطلوب خواهد بود.
مشتق(سرعت)
سرعت تغییرات خطا با توجه به زمان محاسبه می شود و در یک ثابت دیگر با علامت D ضرب شده و با خروجی جمع می شود. عبارت مشتق گیر برای تعیین پاسخ کنترل کننده به تغییر یا اختلال در پروسه دمایی(مانند باز شدن در یک کوره) استفاده می شود.در نتیجه عبارت مشتق گیر بزرگتر ، کنترل کننده با سرعت بیشتری به تغییرات در مقدار پروسه پاسخ خواهد داد.
میزان سازی عبارات کنترل کننده PID (tuning)
عبارات P ، I و D برای تطبیق با دینامیک ها(فعالیت های درونی) پروسه ای که پردازش می شود باید میزان سازی (تیون) شود.هر کدام از عبارت هایی که در بالا شرح داده شد اگر به درستی تنظیم نشوند می توانند باعث ناپایداری یا کنترل خیلی آهسته پروسه شوند.امروزه برای کنترل دما از کنترل کننده های PID های دیجیتال که کارایی auto – tune خودکار دارند ،استفاده می کنند.در طول دوره میزان سازی خودکار(auto- tune)، کنترل کننده PID توان پروسه و پیش بینی های سرعت تغییر، بالازدگی(overshoot) و زمان پاسخ دهی واحد صنعتی را کنترل می کند.این کار اغلب مبنی بر روش زیگلر – نیکولز برای محاسبه مقادیر عبارت های کنترل کننده می باشد. یک مرتبه که دوره زمانی میزان سازی خودکار کامل شد، مقادیر P ، I و D ذخیره می شوند و در کنترل کننده PID استفاده می شود.
--------------------------------------------------------------------
*RTD ها از فلزهایی که با دما مقاومت را افزایش می دهند، ساخته می شوند.در یک محدوده دمایی مقاومت به صورت خطی با دما افزایش پیدا می کند.هر یک از خواص فلزات و مقاومت ویژه آن می تواند از راه آزمایش تعیین شود.این مقاومت با طول سیم نسبت مستقیم و با سطح مقطع آن نسبت عکس دارد.
