名前が示すように、この記事では、PIDコントローラーの構造と動作について正確なアイデアを提供します。ただし、詳細については、PIDコントローラーについて紹介します。 PIDコントローラーは、産業用プロセス制御の幅広いアプリケーションで使用されています。の閉ループ演算の約95％ 産業自動化 セクターはPIDコントローラーを使用します。 PIDは、Proportional-Integral-Derivativeの略です。これらの3つのコントローラーは、制御信号を生成するように組み合わされています。フィードバックコントローラーとして、必要なレベルで制御出力を提供します。マイクロプロセッサが発明される前は、PID制御はアナログ電子部品によって実装されていました。しかし、今日、すべてのPIDコントローラーはマイクロプロセッサーによって処理されます。 プログラマブルロジックコントローラー また、組み込みのPIDコントローラー命令があります。 PIDコントローラーの柔軟性と信頼性により、これらは従来、プロセス制御アプリケーションで使用されていました。
PIDコントローラーとは何ですか？
PIDという用語は比例積分導関数を表し、産業用アプリケーションで圧力、流量、温度、速度などのさまざまなプロセス変数を制御するために使用されるデバイスの一種です。このコントローラーでは、制御ループフィードバックデバイスを使用して、すべてのプロセス変数を調整します。
このタイプの制御は、システムを目的の場所の方向に駆動するために使用されます。それは温度制御のためにほとんどどこにでもあり、科学的プロセス、自動化および無数の化学で使用されます。このコントローラーでは、閉ループフィードバックを使用して、対物レンズに近い方法からの実際の出力を維持します。それ以外の場合は、可能であれば固定点で出力します。この記事では、P、I、Dなどの制御モードを使用したPIDコントローラーの設計について説明します。
歴史
PIDコントローラーの歴史は次のとおりです。1911年に、最初のPIDコントローラーがElmerSperryによって開発されました。その後、TIC（Taylor Instrumental Company）は、1933年に完全に調整可能な以前の空気圧コントローラーを実装しました。数年後、制御エンジニアは、エラーがゼロでなくなるまで端を誤った値に再調整することにより、比例コントローラー内に見られる定常状態のエラーを取り除きました。
この再調整には、比例積分コントローラーとして知られるエラーが含まれていました。その後、1940年に、最初の空気圧PIDコントローラーが、オーバーシュートの問題を減らすための派生アクションによって開発されました。
1942年、Ziegler＆Nicholsは、エンジニアがPIDコントローラーの適切なパラメーターを検出して設定するための調整ルールを導入しました。ついに、自動PIDコントローラーは1950年半ばに業界で広く使用されました。
PIDコントローラーのブロック図
PIDコントローラーのような閉ループシステムには、フィードバック制御システムが含まれています。このシステムは、固定小数点を使用してフィードバック変数を評価し、エラー信号を生成します。これに基づいて、システム出力を変更します。この手順は、エラーがゼロに達するまで続きます。それ以外の場合、フィードバック変数の値は固定小数点と同等になります。
このコントローラは、ON / OFFタイプのコントローラと比較して良好な結果を提供します。 ON / OFFタイプのコントローラでは、システムを管理するために2つの条件を取得できます。プロセス値が定点より低くなると、オンになります。同様に、値が固定値より大きくなるとオフになります。この種のコントローラーでは出力が安定せず、固定小数点の領域で頻繁にスイングします。ただし、このコントローラーは、ON / OFFタイプのコントローラーに比べて安定していて正確です。
PIDコントローラーの動作
PIDコントローラーの動作
低コストのシンプルなON-OFFコントローラーを使用すると、完全にオンまたは完全にオフの2つの制御状態のみが可能になります。これは、これら2つの制御状態が制御目的に十分である限定的な制御アプリケーションに使用されます。ただし、この制御の振動性により使用が制限されるため、PIDコントローラーに置き換えられています。
PIDコントローラーは、閉ループ操作によってプロセス変数と設定値/目的の出力の間にエラーがゼロになるように出力を維持します。 PIDは、以下で説明する3つの基本的な制御動作を使用します。
P-コントローラー
比例またはPコントローラーは、電流誤差e（t）に比例する出力を提供します。目標値または設定値を実際の値またはフィードバックプロセス値と比較します。結果のエラーは、出力を得るために比例定数で乗算されます。エラー値がゼロの場合、このコントローラー出力はゼロです。
Pコントローラー
このコントローラーを単独で使用する場合は、バイアスまたは手動リセットが必要です。これは、定常状態に達することがないためです。安定した動作を提供しますが、常に定常状態のエラーを維持します。比例定数Kcが増加すると、応答の速度が増加します。
Pコントローラーの応答
Iコントローラー
プロセス変数とセットポイントの間に常にオフセットが存在するpコントローラーの制限により、定常状態エラーを排除するために必要なアクションを提供するIコントローラーが必要です。エラー値がゼロに達するまで、一定期間にわたってエラーを統合します。エラーがゼロになる最終制御装置の値を保持します。
PIコントローラー
積分制御は、負のエラーが発生すると出力を減少させます。応答速度を制限し、システムの安定性に影響を与えます。応答の速度は、積分ゲインKiを減らすことによって増加します。
PIコントローラーの応答
上の図では、Iコントローラーのゲインが減少すると、定常状態の誤差も減少し続けます。ほとんどの場合、特に高速応答が必要ない場合は、PIコントローラーが使用されます。
PIコントローラーを使用している間、Iコントローラーの出力はある程度の範囲に制限されて 一体型ワインドアップ プラントの非線形性のために、ゼロエラー状態でも積分出力が増加し続ける条件。
Dコントローラー
Iコントローラーには、エラーの将来の動作を予測する機能がありません。したがって、設定値が変更されると、正常に反応します。 Dコントローラーは、エラーの将来の動作を予測することにより、この問題を克服します。その出力は、時間に対する誤差の変化率に微分定数を掛けたものに依存します。それは出力のキックスタートを与え、それによってシステム応答を増加させます。
PIDコントローラー
上図のDの応答では、PIコントローラーに比べてコントローラーが多く、出力の整定時間が短くなっています。 Iコントローラーによって引き起こされる位相遅れを補償することにより、システムの安定性を向上させます。微分ゲインを上げると、応答速度が上がります。
PIDコントローラーの応答
最後に、これら3つのコントローラーを組み合わせることで、システムに必要な応答を得ることができることを確認しました。さまざまなメーカーがさまざまなPIDアルゴリズムを設計しています。
PIDコントローラーの種類
PIDコントローラーは、ON / OFF、比例、標準タイプの3つのタイプに分類されます。これらのコントローラーは制御システムに基づいて使用され、ユーザーはコントローラーを使用してメソッドを調整できます。
オン/オフ制御
オンオフ制御方式は、温度制御に使用される最も単純なタイプのデバイスです。デバイスの出力は、センター状態がない場合でもオン/オフになる可能性があります。このコントローラーは、温度が定点を超えると出力をオンにします。リミットコントローラは、ラッチングリレーを使用する特定の種類のON / OFFコントローラです。このリレーは手動でリセットされ、特定の温度に達するとメソッドをオフにするために使用されます。
比例制御
この種のコントローラーは、ON / OFF制御を介して接続されているサイクリングを除去するように設計されています。このPIDコントローラーは、温度が定点に達するとヒーターに供給される通常の電力を減らします。
このコントローラーには、ヒーターが固定点を超えないように制御する機能が1つありますが、固定点に到達して一定の温度を維持します。
このプロポーショニング動作は、出力を短時間オン/オフに切り替えることで実現できます。この時間比例により、温度を制御するための比率がオン時間からオフ時間に変更されます。
標準タイプPIDコントローラー
この種のPIDコントローラーは、積分制御と微分制御を介して比例制御を統合し、ユニットがシステム内の変更を補正するのを自動的に支援します。これらの変更、積分および導関数は、時間ベースの単位で表されます。
これらのコントローラーは、逆数であるRATE＆RESETによっても参照されます。 PIDの条件は個別に調整する必要があります。そうでない場合は、試行とエラーを伴う特定のシステムに合わせて調整する必要があります。これらのコントローラーは、3種類のコントローラーの中で最も正確で安定した制御を提供します。
リアルタイムPIDコントローラー
現在、さまざまな種類のPIDコントローラーが市場に出回っています。これらのコントローラーは、圧力、温度、レベル、流量などの産業用制御要件に使用されます。これらのパラメーターがPIDを介して制御されると、個別のPIDコントローラーまたはいずれかのPLCを使用するかどうかを選択できます。
これらの個別のコントローラーは、1つまたは2つのループをチェックする必要がある場合は常に使用され、それ以外の場合は、より大規模なシステムを通過する右側の複雑な状況で制御されます。
これらの制御デバイスは、ソロおよびツインループ制御にさまざまな選択肢を提供します。スタンドアロンタイプのPIDコントローラーは、自律的な複数のアラームを生成するためのいくつかの固定小数点構成を提供します。
これらのスタンドアロンコントローラーは、主にHoneywellのPIDコントローラー、横河電機の温度コントローラー、OMEGA、Siemensのオートチューンコントローラー、およびABBコントローラーで構成されています。
PLCは、ほとんどの産業用制御アプリケーションでPIDコントローラーのように使用されます。PIDブロックの配置は、PACまたはPLC内で実行して、正確なPLC制御のための優れた選択肢を提供できます。これらのコントローラーは、個別のコントローラーと比較して、よりスマートで強力です。各PLCには、ソフトウェアプログラミング内にPIDブロックが含まれています。
チューニング方法
PIDコントローラーの動作を実行する前に、制御するプロセスのダイナミクスに合わせて調整する必要があります。設計者は、P、I、およびD項のデフォルト値を指定しますが、これらの値では目的のパフォーマンスが得られず、不安定になり、制御パフォーマンスが低下する場合があります。 PIDコントローラーを調整するためにさまざまなタイプの調整方法が開発されており、比例、積分、および微分ゲインの最適な値を選択するには、オペレーターの注意が必要です。これらのいくつかを以下に示します。
PIDコントローラーはほとんどの産業用アプリケーションで使用されますが、このコントローラーの設定を知って正しく調整し、適切な出力を生成する必要があります。ここでのチューニングは、最適な比例ゲイン、積分および微分係数を設定することにより、コントローラーから理想的な応答を受信する手順に他なりません。
PIDコントローラーの目的の出力は、コントローラーを調整することで取得できます。試行とエラー、Zeigler-Nichols、プロセス反応曲線など、コントローラーから必要な出力を取得するために利用できるさまざまな手法があります。最も頻繁に使用される方法は、試行錯誤、Zeigler-Nicholsなどです。
試行錯誤の方法： これは、PIDコントローラーの調整の簡単な方法です。システムまたはコントローラーが機能している間に、コントローラーを調整できます。この方法では、最初に、KiとKdの値をゼロに設定し、システムが振動動作に達するまで比例項（Kp）を増やす必要があります。振動したら、Ki（積分項）を調整して振動を停止し、最後にDを調整して高速応答を取得します。
プロセス反応曲線技術： これは、開ループチューニング手法です。ステップ入力がシステムに適用されると、応答が生成されます。最初に、システムに制御出力を手動で適用し、応答曲線を記録する必要があります。
その後、勾配、デッドタイム、曲線の立ち上がり時間を計算し、最後にこれらの値をP、I、およびDの式に代入して、PID項のゲイン値を取得する必要があります。
プロセス反応曲線
Zeigler-Nichols法： Zeigler-Nicholsは、PIDコントローラーを調整するための閉ループ法を提案しました。それらは、連続サイクル法と減衰振動法です。両方の方法の手順は同じですが、発振動作が異なります。この場合、最初に、KiとKdの値がゼロである間に、pコントローラー定数Kpを特定の値に設定する必要があります。システムが一定の振幅で振動するまで、比例ゲインが増加します。
システムが一定の振動を生成するゲインを極限ゲイン（Ku）と呼び、振動の周期を極限周期（Pc）と呼びます。到達すると、以下に示すように、P、PI、またはPIDのように使用されるコントローラーに応じて、Zeigler-NicholsテーブルによってPIDコントローラーにP、I、およびDの値を入力できます。
Zeigler-Nicholsテーブル
PIDコントローラーの構造
PIDコントローラーは、比例制御、積分制御、微分制御の3つの用語で構成されます。これら3つのコントローラーを組み合わせて操作することで、プロセス制御の制御戦略が実現します。 PIDコントローラーは、圧力、速度、温度、流量などのプロセス変数を操作します。一部のアプリケーションは、2つ以上のPIDを使用して制御を行うカスケードネットワークでPIDコントローラーを使用します。
PIDコントローラーの構造
上の図は、PIDコントローラーの構造を示しています。これは、プロセスブロックに出力を提供するPIDブロックで構成されています。プロセス/プラントは、アクチュエータ、制御バルブ、および産業/プラントのさまざまなプロセスを制御するための他の制御デバイスなどの最終制御デバイスで構成されます。
プロセスプラントからのフィードバック信号は、設定値または参照信号u（t）と比較され、対応するエラー信号e（t）がPIDアルゴリズムに供給されます。アルゴリズムの比例、積分、および微分制御の計算に従って、コントローラーは、プラント制御デバイスに適用される結合された応答または制御された出力を生成します。
すべての制御アプリケーションは、3つの制御要素すべてを必要としません。 PIとPDの制御のような組み合わせは、実際のアプリケーションで非常に頻繁に使用されます。
アプリケーション
PIDコントローラーアプリケーションには、次のものが含まれます。
最良のPIDコントローラーアプリケーションは、コントローラーが温度センサーの入力を使用し、その出力をファンやヒーターなどの制御要素に関連付けることができる温度制御です。一般に、このコントローラーは、温度制御システムの1つの要素にすぎません。適切なコントローラーを選択する際には、システム全体を調査および検討する必要があります。
炉の温度制御
一般的に、炉は加熱を含むために使用され、巨大な温度で大量の原材料を保持します。占有されている材料には、通常、巨大な質量が含まれています。その結果、大きな慣性が必要になり、大きな熱が加えられても材料の温度が急激に変化することはありません。この機能により、適度に安定したPV信号が得られ、FCEまたはCOに極端な変更を加えることなく、微分期間で障害を効率的に修正できます。
MPPT充電コントローラー
太陽電池のV-I特性は、主に温度範囲と放射照度に依存します。気象条件に基づいて、電流と動作電圧は絶えず変化します。したがって、効率的な太陽光発電システムの最高のパワーポイントを追跡することは非常に重要です。 PIDコントローラーは、PIDコントローラーに固定の電圧および電流ポイントを与えることによってMPPTを見つけるために使用されます。気象条件が変更されると、トラッカーは電流と電圧を安定に保ちます。
パワーエレクトロニクスのコンバーター
コンバーターはパワーエレクトロニクスのアプリケーションであることがわかっているため、PIDコントローラーは主にコンバーターで使用されます。負荷内の変化に基づいてコンバーターがシステムを介して関連付けられると、コンバーターの出力が変更されます。たとえば、インバータは負荷と同盟しており、負荷が増加すると巨大な電流が供給されます。したがって、電圧と電流のパラメータは安定していませんが、要件に応じて変化します。
この状態では、このコントローラーはPWM信号を生成して、インバーターのIGBTをアクティブにします。負荷内の変化に基づいて、応答信号がPIDコントローラーに提供されるため、nエラーが発生します。これらの信号は、障害信号に基づいて生成されます。この状態で、同様のインバーターを介して変更可能な入出力を得ることができます。
PIDコントローラーのアプリケーション： ブラシレスDCモーターの閉ループ制御
PIDコントローラーインターフェース
PIDコントローラーの設計とインターフェースは、Arduinoマイクロコントローラーを使用して行うことができます。実験室では、ArduinoベースのPIDコントローラーは、Arduino UNOボード、電子部品、熱電冷却器を使用して設計されていますが、このシステムで使用されるソフトウェアプログラミング言語はCまたはC ++です。このシステムは、実験室内の温度を制御するために使用されます。
特定のコントローラーのPIDのパラメーターは、物理的に検出されます。さまざまなPIDパラメーターの機能は、異なる形式のコントローラー間のその後の対比を通じて実装できます。
このインターフェースシステムは、±0.6℃の誤差で効率的に温度を計算できますが、一定の温度は、好ましい値とのわずかな差で調整されます。このシステムで使用される概念は、実験室内の好ましい範囲で物理パラメータを管理するための安価で正確な技術を提供します。
したがって、この記事では、履歴、ブロック図、構造、タイプ、作業、調整方法、インターフェース、利点、およびアプリケーションを含むPIDコントローラーの概要について説明します。 PIDコントローラーに関する基本的かつ正確な知識を提供できたことを願っています。これが皆さんへの簡単な質問です。さまざまな調整方法の中で、PIDコントローラーの最適な動作を実現するために使用するのが好ましい方法とその理由を教えてください。
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写真クレジット
によるPIDコントローラーのブロック図 ウィキメディア
PIDコントローラー構造、Pコントローラー、P –コントローラー応答およびPIDコントローラー blog.opticontrols
P –コントローラーの応答 Controls.engin.umich
PI-コントローラーの応答 肉
によるPIDコントローラーの応答 ウィキメディア
Zeigler-Nicholsテーブル Controls.engin
