PID

PID steht für Proportional– Integral– DerivativeRegelung. Sie wird sehr häufig in der Prozesssteuerung, Heizungssteuerung und Bewegungssteuerung verwendet. Die PID-Funktion berechnet den „Fehler“-Wert zwischen einer gemessenen Prozessvariablen und dem gewünschten Sollwert. Sie passt einen Ausgang an, um den Fehler zu minimieren. Diese Anpassung erfolgt in regelmäßigen Abständen. Jedes Mal, wenn eine Anpassung vorgenommen wird, werden die Größe des Fehlers (Proportional), die kumulierte Summe des Fehlers über die Zeit (Integral) und die Änderungsrate des Fehlers (Derivativ) berücksichtigt.

In vBuilder ist die PID-Regelung eine Hintergrundaufgabe. Das heißt, wenn Sie sie starten, läuft sie im Hintergrund weiter, berechnet ständig den Fehler, integriert ihn und bestimmt seine Änderungsrate und aktualisiert die Ausgabe auf der Grundlage dieser Faktoren in Kombination mit den von Ihnen festgelegten Konstanten. Sie sollten das PID-Tool daher nicht bei jedem SPS-Zyklus aufrufen. Rufen Sie es nur auf, um Parameter zu ändern.

Einmal gestartet, arbeitet das PID-Tool so lange, bis es pausiert wird. Wenn Sie mit PID noch nicht vertraut sind, finden Sie auf Wikipedia eine gute Beschreibung von PID.

Die grundlegende PID-Gleichung, die in der PID-Funktion von vBuilder verwendet wird, lautet: O = P*E I * ∫ E dt D * ΔE/dt wobei:

• O: Ausgang
• P: Proportionalkonstante (manchmal auch als Verstärkung bezeichnet)
• I: Integral-Konstante (manchmal auch als Reset bezeichnet)
• D: Derivative Konstante (manchmal auch als Rate bezeichnet)
• E: Fehler
• dt: Änderung der Zeit

Start/Fortsetzen

Der PID-Regler muss nur einmal gestartet werden. Es arbeitet weiter, bis es angehalten wird. Start/Continue verwendet die folgenden Parameter:

• Ausgang: Dies ist das, was der PID tatsächlich einstellt. Der Ausgang sollte einen direkten Einfluss auf den Wert der Prozessvariablen haben. Zum Beispiel hat eine Drosselklappe, die die Gaszufuhr zu den Brennern eines Heizkessels regelt, eine direkte Auswirkung auf die Temperatur des Heizkessels.
• Output Max: Der maximal zulässige Wert für den Output. Unabhängig vom Ergebnis der PID-Berechnung ist der Ausgang auf maximal diesen Wert beschränkt. [beliebiger Variablentyp außer Bit und ui8]
• Ausgang Min: Der für den Ausgang zulässige Mindestwert. Unabhängig vom Ergebnis der PID-Berechnung wird der Ausgang auf nicht weniger als diesen Wert begrenzt. [beliebiger Variablentyp außer Bit und ui8]
• Prozessvariable: Dies ist die Messung des Parameters, den Sie zu regeln versuchen.
• Sollwert: Dies ist der gewünschte Wert der Prozessvariablen zu diesem Zeitpunkt
• Input Max: Der Höchstwert der Prozessvariablenmessung, der für die PID-Berechnung verwendet wird. Wenn der tatsächliche Messwert über diesem Wert liegt, wird dieser Wert verwendet.
• Eingang Min: Der Mindestwert der Prozessvariablenmessung, der für die PID-Berechnung verwendet wird. Liegt der tatsächliche Messwert unter diesem Wert, wird dieser Wert verwendet.
• Proportional: Der konstante Multiplikator für den Fehler.
• Integral: Der konstante Multiplikator für das Integral des Fehlers.
• Abgeleitet: Der konstante Multiplikator für die Ableitung des Fehlers.
• Abtastrate: Die Zeitspanne zwischen jeder PID-Berechnung/Anpassung in Millisekunden.
• Vorspannung einfrieren: Dies ist eine wählbare Option. Wenn sie ausgewählt ist, wird sie verwendet, um die Auswirkungen des integralen Teils der Gleichung auf den gesamten Ausgangsbereich zu beschränken. Dies ist nützlich, um eine Überreaktion nach einer Zeitspanne zu verhindern, in der ein Faktor die tatsächliche Regelung der Prozessvariablen verhindert hat [was möglicherweise zu einem großen Integralwert führen könnte].

Wenn Sie einen PID starten, arbeitet er im Hintergrund mit der festgelegten Abtastrate weiter. Mit anderen Worten: Wenn Sie es einmal gestartet haben, müssen Sie keine weiteren PID-Start-/Weiterführungsblöcke für den Betrieb ausführen. Es schadet auch nicht, wenn Sie es tun. Es ist einfach nicht notwendig.

Pause

Ein PID-Pause-Block hält den PID-Betrieb an. Wählen Sie die Ausgangsvariable der PID, die Sie anhalten möchten, wie hier gezeigt.

Zurücksetzen

Ein PID-Reset setzt den Integralwert auf den Wert, der erforderlich ist, um einen Ausgang zu erzeugen, der dem Reset-Wert entspricht. Das sollten Sie tun, wenn Sie einen PID starten. Der Start/Weiterlauf initialisiert den Integralwert nicht, da er nicht weiß, ob es sich um den tatsächlichen Start oder um einen Weiterlauf handelt. Wenn Sie einen PID-Reset in einem Flussdiagramm platzieren, wählen Sie die Ausgangsvariable des PID, den Sie zurücksetzen möchten, wie hier gezeigt. Wählen Sie den Wert des PID-Ausgangs, mit dem der PID gestartet werden soll.

PID mit digitalem Ausgang?

Es ist nicht sinnvoll, einen PID mit einem digitalen Ausgang zu verbinden, da der PID ein kontinuierliches (und kein diskretes) Signal erzeugt. Sie brauchen eine Möglichkeit, diesen kontinuierlichen Ausgang für die Hardwarekomponenten relevant zu machen. Am häufigsten wird dies mit PWM (Pulsweitenmodulation) erreicht, wobei der Ausgang je nach PID-Ausgang für eine unterschiedliche Zeitdauer eingeschaltet wird. Einige Hardwarekomponenten mögen es jedoch nicht, wenn sie schnell ein- und ausgeschaltet werden, so dass Sie die Geschwindigkeit, mit der das Ventil schaltet, begrenzen müssen (indem Sie die Regelschleife mit einer niedrigen Frequenz laufen lassen). https://www. support.aceautomation.eu/knowledge-base/subroutines-to-download-for-vbuilder/ Siehe „PID-zu-PWM-Konvertierung“ Mit dem digitalen Ausgang verlieren Sie einen Teil des Vorteils des PID. Sie müssen den Ausgang für Ein/Aus mit dem Sollwert vergleichen. Um die Hardwarekomponenten zu schützen, ist oft eine lange Ein-/Ausschaltzeit erforderlich.

Eine kurze Geschichte, um das Prinzip der Regelung zu verstehen

Stellen Sie sich vor, Sie fahren mit Ihrem Auto auf der Autobahn und wollen Ihre Geschwindigkeit auf 130 km/h stabilisieren. In der Praxis können Sie dies ohne große Probleme tun. In diesem Beispiel ist es wichtig zu verstehen, wie Ihr Verstand intuitiv Ihre Geschwindigkeit reguliert.

Proportionales Handeln

Das Intuitivste, was Sie tun, wenn Sie auf der Autobahn mit einer bestimmten Geschwindigkeit fahren wollen, ist, sich zu sagen „Je langsamer ich fahre im Vergleich zu der Geschwindigkeit, die ich fahren möchte, desto mehr drücke ich auf das Gaspedal“. Der Druck auf das Gaspedal ist also proportional zu dem Fehler, den Sie machen. Der Druck auf das Gaspedal ist also proportional zum Fehler, den Sie begehen, d. h. proportional zur Differenz zwischen der gewünschten und der tatsächlichen Geschwindigkeit. Bei dieser Methode drücken Sie bei einer Geschwindigkeit von 50 km/h das Gaspedal voll durch. Ihre Geschwindigkeit steigt rasch an und nähert sich der Höchstgeschwindigkeit. Sobald die Geschwindigkeit 130 km/h erreicht, wird der Fehler null, und Sie lassen das Gaspedal los. Aufgrund des Trägheitseffekts des Fahrzeugs haben Sie dann die eingestellte Geschwindigkeit überschritten. Wenn Sie das Gaspedal loslassen, beginnt das Fahrzeug zu verlangsamen, bis es wieder unter die eingestellte Geschwindigkeit fällt. Sie fangen also wieder an, das Gaspedal zu betätigen, und dann immer mehr, um 130 km/h zu erreichen. Schließlich gelingt es Ihnen, Ihre Geschwindigkeit bei einer niedrigeren als der von Ihnen gewählten Geschwindigkeit zu stabilisieren, beispielsweise bei 120 km/h.

Mit der Proportionalität kann die Reaktionsgeschwindigkeit des Prozesses beeinflusst werden. Je höher die Verstärkung, desto schneller die Reaktion, desto geringer der statische Fehler (bei reinem Proportionalbetrieb), aber desto mehr verschlechtert sich auch die Stabilität. Es muss also ein guter Kompromiss zwischen Geschwindigkeit und Stabilität gefunden werden.

Integrale Wirkung

Das ist der Moment, in dem Sie denken: „Verdammt! Ich bekomme nicht die Geschwindigkeit, die ich will. Ich muss eine weitere Regel in meine Überlegungen einbeziehen! “ . Sie beschließen also, dass Sie immer mehr beschleunigen werden, wenn Ihre Geschwindigkeit lange Zeit unter dem Zielwert bleibt. Sie beschließen also, dass Sie nicht nur proportional zum gemachten Fehler beschleunigen, sondern sich diesen Fehler auch über die Zeit einprägen sollten. Je größer der Gesamtfehler ist, desto schneller beschleunigen Sie. Wenn Sie also Ihre Geschwindigkeit bei 120 km/h stabilisieren, nimmt der Gesamtfehler zu, und Sie beginnen, immer stärker auf das Gaspedal zu treten, bis Sie 130 km/h erreichen und überschreiten! Bei 130 km/h ist der Gesamtfehler sogar positiv, so dass Sie weiter Gas geben. Sobald Sie 130 km/h erreicht haben, ist der Fehler negativ, so dass der Gesamtfehler abnimmt. Sie nehmen also den Fuß immer stärker vom Gaspedal, bis Sie wieder 130 km/h erreichen. Bei 130 km/h ist der Fehler wieder negativ und Sie bremsen weiter ab. Sie beschleunigen also immer wieder, bis Sie sich schließlich nach mehreren Schwingungen bei 130 km/h stabilisieren.

Die integrale Wirkung hebt den statischen Fehler (die Differenz zwischen Messwert und Sollwert) auf. Je höher der Integralanteil (TI klein), desto schneller die Reaktion und desto schlechter die Stabilität. Auch hier muss ein guter Kompromiss zwischen Geschwindigkeit und Stabilität gefunden werden.

Bei 130 km/h denken Sie: „Ich habe es geschafft! Aber ich war nicht sehr effizient… Sollten wir nicht eine dritte Regel hinzufügen, um effizienter zu sein? “ . In diesem Moment beschließen Sie, Ihre Geschwindigkeit zu antizipieren. Je näher Ihre Geschwindigkeit an der optimalen Geschwindigkeit liegt, desto weniger beschleunigen Sie und je näher sie an der optimalen Geschwindigkeit liegt, desto mehr beschleunigen Sie! Wenn Sie sich also schnell auf 130 km/h zubewegen, werden Sie schnell den Fuß vom Gas nehmen, um nicht zu schnell über 130 km/h zu kommen. Indem Sie also vorausschauend fahren, reduzieren Sie das Phänomen des Pendelns und stabilisieren sich schnell bei der gewünschten Geschwindigkeit! Na bitte, Sie haben intuitiv eine PID-Regelung vorgenommen!

Die Ableitung ist eine vorausschauende Maßnahme. Sie fügt einen Term hinzu, der die Änderungsrate der Abweichung berücksichtigt. Dies ermöglicht es, die Reaktion des Prozesses zu beschleunigen, wenn die Abweichung zunimmt. Im Gegensatz dazu wird sie verlangsamt, wenn die Abweichung abnimmt. Je höher die Ableitung (Td), desto schneller die Reaktion. Auch hier muss ein guter Kompromiss zwischen Geschwindigkeit und Stabilität gefunden werden.

Wie stellt man einen PID-Regler ein? (Proportional, Integral, Derivativ)

Manuelle Methode zur Einstellung der PID-Parameter

1. Setzen Sie die Werte für Integral (I) und Derivativ (D) auf Null.
2. Erhöhen Sie dann die Proportionalverstärkung (P), bis der Ausgang oszilliert.
3. Erhöhen Sie dann die Integralverstärkung, bis die Oszillation aufhört.

Andere Möglichkeit Nr. 1

1. Setzen Sie die Werte für Integral (I) und Derivativ (D) auf Null.
2. Erhöhen Sie den Proportionalwert auf 100,0
3. Erhöhen Sie den Integralwert auf 100
4. Verringern Sie langsam den Integralwert und beobachten Sie die Reaktion des Systems
5. Da das System um den Sollwert herum gehalten wird, ändern Sie den Sollwert und überprüfen Sie, ob das System in einer akzeptablen Zeitspanne korrigiert. Wenn dies nicht der Fall ist oder Sie eine schnelle Reaktion wünschen, senken Sie den Integralwert weiter ab.
6. Wenn das System wieder zu schwingen beginnt, zeichnen Sie den Integralwert auf und erhöhen Sie den Wert auf 100. Genau wie ich sind Sie ein wenig gierig geworden, um die schnellste Antwort zu erhalten.

Ein anderer Weg Nr. 2

Eine einfachere Methode zur manuellen Bestimmung der P-, I- und D-Werte besteht darin, den Integral- und den Derivativ-Term zu deaktivieren und das Proportionalband auf das Minimum zu setzen. Die sich daraus ergebende Schwingungsbreite Xosc und die Schwingungsdauer tosc können zur Bestimmung der unten aufgeführten PID-Parameter verwendet werden. P = 2,0 * Xosc I = 1,5 * tosc D = I / 5 Diese Werte führen zu einer leicht überdämpften Reaktion, so dass alle Werte leicht reduziert werden können, um eine besser reagierende Schleife zu erhalten.