Những quan niệm sai lầm về bộ điều khiển PID

7

Tôi hiện đang thiết kế tương đương với hệ thống dash-spring-dashpot và trong giai đoạn thiết kế tôi nhận ra rằng tôi không hiểu đầy đủ về cách thức hoạt động của bộ điều khiển PID.

Dưới đây là một hình ảnh, nửa trên cùng là thiết lập vật lý. Có một khối lượng được nối với một lò xo và dashpot. Có một số cảm biến vị trí ma thuật tạo ra vị trí của khối lượng (bỏ qua cách nó thực hiện) và có một động cơ được gắn vào khối lượng để chúng ta có thể tác dụng một lực lên nó. Cảm biến vị trí nạp vào máy tính và máy tính điều khiển lực mà động cơ tạo ra.

Nửa dưới là những gì tôi tưởng tượng vòng điều khiển trông như thế nào. Chúng ta có một số điểm đặt cho khối lượng và phần bù (lỗi) được đưa vào bộ điều khiển PID, tạo ra dòng điện được cấp cho động cơ, tạo ra một lực tác động lên khối, do đó thay đổi vị trí.

Câu hỏi của tôi là đầu vào cho bộ điều khiển PID là một vị trí (cụ thể là x_set - x_actual), nhưng đầu ra của nó là một dòng điện bí ẩn. Sao có thể như thế được? Bộ điều khiển PID tính toán các tích phân và dẫn xuất của vị trí, không có cách nào liên quan đến cường độ dòng điện.

Tôi có thiếu một thành phần trong vòng điều khiển của mình không - có cái gì ở giữa bộ điều khiển và động cơ không? Hoặc có lẽ giữa khối tổng và bộ điều khiển?

Bất kỳ trợ giúp nào cũng được đánh giá rất cao. ^^

control-system pid-controller units

— ẩn danh
nguồn

1

Bạn đang xuất tín hiệu điều khiển sẽ đưa khối lượng đến vị trí mong muốn trong thời gian tối thiểu và vượt mức. Tín hiệu điều khiển là tốc độ thay đổi vị trí. Những gì nó nên đầu ra? Một vị trí? Nó sẽ chỉ là báo cáo x_settoàn bộ thời gian và bạn thậm chí không cần một PID cho điều đó.

— Samuel

Động cơ tạo ra một mô-men xoắn (là đối tác quay của lực tuyến tính) và mô-men xoắn phát triển của động cơ tỷ lệ thuận với dòng điện. Dòng điện động cơ được xác định bởi sự khác biệt giữa vị trí khối lượng cần thiết và vị trí khối lượng thực tế. Có một số thay đổi của các đơn vị vật lý trong hệ thống: dịch chuyển sang điện áp; điện áp đến hiện tại; dòng điện tới mô-men xoắn, ... Một số trong số này được thực hiện bởi các bộ phận có thể nhận dạng (ví dụ: chiết áp = đầu dò chuyển vị) và một số vốn có trong thiết bị (ví dụ mô-men xoắn, gia tốc, vận tốc, chuyển vị đều tồn tại trên trục động cơ)

— Chu

7

Đầu vào của bộ điều khiển PID không phải là một vị trí. Đầu vào của cảm biến vị trí là một vị trí.

Đầu vào của bộ điều khiển PID là tín hiệu đại diện cho một vị trí .

Nó có thể là điện áp, hoặc dòng điện hoặc số kỹ thuật số. Hình thức chính xác của tín hiệu không thành vấn đề, bởi vì tất cả những gì nó phải làm là đại diện cho bộ điều khiển vị trí là gì.

Nếu đó là tín hiệu tương tự, điểm đặt thường sẽ được đặt bằng chiết áp hoặc DAC, để đặt tín hiệu tương tự tham chiếu đại diện cho vị trí mong muốn vào bộ trừ tương tự.

Nếu đó là tín hiệu số, điểm đặt sẽ là một số biểu thị vị trí mong muốn thành một phép trừ kỹ thuật số.

Bộ điều khiển sẽ có phương tiện để tích hợp và phân biệt tín hiệu, cân trọng lượng tín hiệu trực tiếp (P cho tỷ lệ), tích hợp (I) và phân biệt (D) (do đó là PID), thêm chúng lại với nhau và xuất chúng.

Nếu đó là tín hiệu tương tự, nó có thể điều khiển động cơ trực tiếp hoặc thông qua bộ khuếch đại. Tín hiệu kỹ thuật số có thể được chuyển đổi thông qua một bộ xử lý tín hiệu để điều khiển một động cơ thông thường hoặc có thể duy trì kỹ thuật số trong suốt ESC để điều khiển động cơ bước hoặc động cơ không chổi than.

— Neil_UK
nguồn

Về cơ bản, điều bạn đang nói là cảm biến vị trí của tôi lấy đầu vào của vị trí x và xuất ra một số, giả sử z. Ngoài ra, với tư cách là một con người, tôi muốn điểm đặt của mình là vị trí x_set, nhưng thực tế tôi nên đưa số z_set vào vòng điều khiển của mình. Vì vậy, đầu vào cho bộ điều khiển PID của tôi là (z_set - z), có khả năng là dòng điện hoặc điện áp hoặc bất cứ thứ gì. Tôi đã hiểu đúng chưa?

— ẩn danh

Đúng. Bạn muốn vị trí thiết lập của bạn là z. Tuy nhiên, vòng lặp PID không biết gì về các vị trí, chỉ các số (trong trường hợp của bạn). Vì vậy, bạn đặt một số đại diện cho z làm điểm đặt vào bộ điều khiển PID.

— Neil_UK

3

Neil có một câu trả lời hoàn hảo cho bạn, nhưng sự nhầm lẫn này cứ lặp đi lặp lại, vì vậy sẽ không đau khi nhấn mạnh mối quan hệ giữa toán học, mô hình và thực tế.

Trong thực tế, bạn sẽ có các đơn vị vật lý, trong trường hợp của bạn là vật phẩm mà bạn muốn kiểm soát, môi trường mà nó sống và cả các cảm biến, bộ truyền động (động cơ) và một thiết bị điều khiển (thường là mạch điện tử hoặc bộ điều khiển vi mô) bạn thêm vào để kiểm soát mục của bạn.

Để hiểu được hoạt động của hệ thống kết quả của bạn, cũng như đưa ra các lựa chọn thiết kế tốt, chúng tôi phải chuyển sang mô hình hóa các hệ thống đang hoạt động. Đây là một quá trình gần đúng, trong đó chúng tôi bỏ qua các chi tiết mà chúng tôi cho là không thiết yếu đối với hành vi hệ thống mà vẫn giữ nguyên hành vi chung của hệ thống.

Chẳng hạn, phương trình động hệ thống của bạn dựa trên Định luật Newton, nhưng rõ ràng bạn có thể thêm những thứ như ma sát và khí động học, các biến thể dựa trên nhiệt, nén các bộ phận cơ học, v.v. Bộ truyền động của bạn có thể được thiết kế khá tuyến tính quanh điểm vận hành của chúng , nhưng chúng cũng có thể được mô hình hóa thành các phương trình phi tuyến tính. Ngay cả bộ phận điều khiển của bạn rất có thể là một sự đơn giản hóa - ví dụ, không có mạch điện nào chính xác 100%, cũng không hoạt động tức thời - và bạn chưa mô hình hóa điều đó. Nhưng điều đó không sao, có lẽ nó sẽ không thay đổi hiệu quả kiểm soát của bạn nhiều.

Một mô hình là một cấu trúc hư cấu (toán học) mà chúng ta sử dụng để hiểu hành vi của hệ thống. Mặc dù hư cấu, nhưng nó rất hữu ích vì chúng ta có thể suy luận về hệ thống. Biểu đồ PID của bạn ở trên là biểu diễn đồ họa của các phương trình sau: Những điều này ít nhiều có ý nghĩa với tôi. Có lẽ tôi sẽ mô hình hóa cảm biến, lấy vị trí thành giá trị đo . Một bổ sung điển hình là thêm

\begin{aligned} i (t) = C (x_{set} (t) - x (t), t; k_{P}, k_{I}, k_{D}), & model of PID controller \\ F (t) = M (i (t), t), & model of motor \\ m x^{″} (t) + c x^{'} (t) + k x (t) = F (t), & model of system \end{aligned}

$\begin{aligned} i(t) = C(x_\text{set}(t) - x(t), t;\; k_P, k_I, k_D), &\;\text{model of PID controller} \\ F(t) = M(i(t), t), &\;\text{model of motor} \\ mx''(t) + cx'(t) + kx(t) = F(t), &\;\text{model of system} \end{aligned}$

x

$x$

x_{measured}

$x_\text{measured}$

x_{measured} (t) = x (t) + ϵ (t),

$x_\text{measured}(t) = x(t) + \epsilon(t),$ trong đó là hàm nhiễu Gaussian, để mô hình hóa sự không chính xác của phép đo.

ϵ

$\epsilon$

Việc bạn sử dụng hiện tại làm đầu ra từ bộ điều khiển của bạn cho tôi biết loại đầu ra mà bạn dự định. $i$

Với mô hình này, giờ đây bạn có thể thực hiện những việc gọn gàng như mô phỏng nó trên máy tính. Điều này có thể cho biết hằng số PID của bạn sẽ là gì. Bạn có thể tính toán các đường cong đáp ứng tần số, để tìm hiểu xem hệ thống có cộng hưởng ở các tần số nhất định hay không.

Cuối cùng, lưu ý rằng mọi thứ trong tầm kiểm soát đều phụ thuộc vào thời gian. Điều này thường sau đó chỉ được bỏ qua và chúng tôi cũng sử dụng ký hiệu:

\dot{x} = x^{'} (t) = \frac{d x}{d t} (t)

$\dot{x} = x'(t) = \frac{dx}{dt}(t)$

— Pål-Kristian Engstad
nguồn

0

Để dịch vị trí thành dòng điện, có lẽ bạn cần một mức tăng, tức là k1 A / mét, nó phụ thuộc vào đặc tính điện của cảm biến vị trí.

— lucas92
nguồn

0

Thêm giá trị 2 xu của tôi, đầu vào cho bộ điều khiển PID không phải là vị trí, mà là vị trí được chuyển đổi thành dòng điện hoặc điện áp.

Để diễn đạt bằng lời, những điểm nổi bật để giúp trả lời câu hỏi, những gì người trả lời khác đã giải thích bằng toán học:

Về cơ bản, bộ điều khiển PID điện tử 'nhìn thấy' ở đầu vào cho vị trí khối mong muốn Đặt điểm điện áp hoặc dòng điện. Ở đầu vào khác cho cảm biến phản hồi theo dõi vị trí của khối, bộ điều khiển PID 'nhìn thấy' một dòng điện hoặc điện áp được cảm biến phản hồi.

Cảm biến phản hồi vị trí khối không được hiển thị rõ ràng trong sơ đồ được cung cấp, do đó, người ta có thể cho rằng đó là dòng phản hồi thống nhất đi từ đầu ra của khối Động lực hệ thống đến đầu vào âm của đường giao nhau.

Phản hồi tiêu cực thống nhất là để biểu thị rằng khi Điểm đặt mong muốn của người dùng khớp với vị trí khối, tín hiệu phản hồi từ cảm biến vị trí có cùng độ lớn nhưng ngược lại với tín hiệu Điểm đặt.

Sau đó, bộ điều khiển PID điện tử trừ điện tử vị trí khối lượng hoặc điện áp mong muốn của người dùng, từ vị trí khối lượng đo thực tế bằng giá trị điện áp hoặc dòng điện được chuyển đổi của cảm biến phản hồi.

Sự khác biệt giữa giá trị điện áp hoặc dòng điện được chuyển đổi mong muốn của người dùng và giá trị điện áp hoặc dòng điện được chuyển đổi của cảm biến phản hồi có thể được gọi là Lỗi điều khiển hoặc CE.

Nếu CE bằng 0, bộ điều khiển PID không xuất ra bất kỳ dòng điện hoặc điện áp nào; tức là đầu ra của bộ điều khiển PID bằng 0 vì vị trí khối nằm ở điểm đặt mong muốn của người dùng.

Nếu CE không bằng 0, giá trị dương hoặc âm, bộ điều khiển PID sẽ xuất ra dòng điện áp âm hoặc dương hoặc điện áp để điều chỉnh vị trí khối lượng để phù hợp với điểm đặt mong muốn của người dùng. Dòng điện hoặc điện áp âm hoặc dương điều khiển một động cơ điện để điều chỉnh vị trí khối. Khi vị trí khối được chuyển sang vị trí điểm đặt mong muốn của người dùng, CE bằng 0 và PID tạo ra dòng điện hoặc điện áp bằng 0, để ngăn chặn khối lượng di chuyển.

Động cơ điện chuyển đổi dòng điện hoặc điện áp được cung cấp bởi bộ điều khiển PID, thành Lực cơ học hoặc Mô-men xoắn (Lực xoắn) để di chuyển vị trí của khối lượng.

Dòng điện âm hoặc đầu ra điện áp của bộ điều khiển PID có thể được bố trí sao cho động cơ điện sẽ quay, nói ngược chiều kim đồng hồ, dẫn đến khối lượng di chuyển sang trái (hoặc xuống tùy theo quan điểm của bạn) và dòng điện dương hoặc đầu ra điện áp của bộ điều khiển PID có thể được bố trí sao cho động cơ điện sẽ quay theo chiều kim đồng hồ, dẫn đến khối lượng di chuyển sang phải (hoặc lên). Quy ước cho trái hoặc phải, hoặc lên hoặc xuống, được thông qua tùy thuộc vào cách thức cơ học của nhà máy được cấu hình.

Tuyên bố miễn trừ trách nhiệm: Vui lòng sửa bất kỳ giải thích sai nào tôi có thể đã thực hiện trong văn bản trên; Tôi sẽ đánh giá cao những lời chỉ trích mang tính xây dựng.

— neilrued
nguồn