온도를 완벽하게 조절하거나 정밀한 압력을 유지하거나 모터를 일정한 속도로 유지하는 수많은 자동화 시스템 뒤에 우아하고 강력한 알고리즘이 조용히 작동합니다. 그것은 종종 '현대 산업 주력, '로 묘사되지만 정밀도로부터 혜택을받는 많은 사람들은 그것이 어떻게 운영되는지를 완전히 파악하지 못합니다. 많은 자동화 된 프로세스는 확인되지 않은 상태로 유지되면 야생 불안정성으로 고통 받거나 끊임없이 목표를 과장하거나 부진하고 비효율적 인 반응을 나타냅니다. 이러한 과제의 경우 수동 제어는 단순히 옵션이 아닙니다.
여기에는 비례 적분-유도 (PID 제어 알고리즘)가 등장하는 곳입니다. 거의 1 세기 동안 안정적이고 효율적이며 신뢰할 수있는 자동화 시스템을 만드는 데 가장 널리 사용되고 신뢰할 수있는 알고리즘이 남아있었습니다. 이 안내서는이 필수 개념을 해제 할 것입니다. 우리는 PID 제어 알고리즘이 무엇인지, 세 가지 기본 구성 요소 각각이 조화에서 어떻게 작동하는지, 현대 장치와 같은 현대 장치에 왜 그렇게 중요한지를 정확하게 분류 할 것입니다. 가변 주파수 드라이브 및 최적의 성능을 위해 튜닝의 중요한 기술에 접근하는 방법. 이 알고리즘을 이해하는 것은 더 높은 수준의 프로세스 제어를 잠금 해제하는 데 중요합니다.
PID 제어 알고리즘을 이해하려면 먼저 핵심 기능을 파악해야합니다. 시스템의 출력을 지능적으로 관리하여 원하는 'Setpoint '를 유지하려면. 폐쇄 루프 피드백 제어를위한 금 표준입니다.
정확히 70 ° C에서 물 탱크의 온도를 유지하고 싶다고 상상해보십시오. 이 70 ° C는 설정 점입니다. 탱크의 온도 센서는 공정 변수 인 현재 온도를 제공합니다. PID 제어 알고리즘은 지속적으로 'error '값을 계산하며, 이는 단순히 설정 점과 프로세스 변수 (Error = 설정 점 - 프로세스 변수)의 차이입니다.
PID 제어 알고리즘의 전체 목적은이 오류를 가능한 한 빠르고 부드럽게 0으로 끌어 올리는 방식으로 제어 출력 (가열 요소와 같은)을 조작하는 것입니다. 비례, 적분 및 파생물의 세 가지 별개의 제어 조치의 가중 합을 통해이를 달성합니다. PID 제어 알고리즘은 동적 응답의 걸작입니다.
비례 용어는 PID 제어 알고리즘의 주요 구동력입니다. 현재 오차의 크기에 직접 비례하는 제어 출력을 생성합니다.
작동 방식 : 큰 오류로 인해 큰 수정 조치가 발생합니다. 작은 오류로 인해 작은 수정 조치가 발생합니다.
비유 : 자동차의 가스 페달처럼 생각하십시오. 현재 속도가 속도 제한 (설정 점)보다 낮을수록 페달을 더 세게 누릅니다. 이 비례 조치는 정확한 편차에 대한 초기의 강력한 응답을 제공합니다.
그러나 비례 제어만으로는 종종 제한이 있습니다. 많은 시스템에서, 수정 조치가 오류를 완전히 제거하기에 충분하지 않은 지점에 도달하여 작지만 지속적인 '정상 상태 오류가 발생합니다. '이것은 PID 제어 알고리즘의 다음 구성 요소가 필수화되는 곳입니다.
적분 용어는 오류의 기록을 살펴 봅니다. 시간이 지남에 따라 오류 값을 지속적으로 요약하거나 통합합니다.
작동 방식 : 0이 아닌 오류가 지속되는 한 적분 용어가 계속 커져 출력에 점점 더 많은 수정력이 추가됩니다. 이 동작은 비례 전용 컨트롤러에 의해 남겨진 정상 상태 오류를 제거하도록 특별히 설계되었습니다.
유추 : 당신은 오르막길을 운전하고 있으며, 크루즈 컨트롤의 비례 응답은 속도 제한을 유지하기에 충분히 강하지 않습니다. 자동차는 설정 점 아래 2mph에 정착합니다. PID 제어 알고리즘의 적분 구성 요소는 몇 초에 걸쳐 이러한 지속적인 오류를 발견하고 축적하며, 엔진에 자동차가 속도 제한에 정확하게있을 때까지 조금 더 전력을 추가하도록 지시합니다.
통합 동작은 놀라운 정확도를 보장하지만 이득이 너무 높아지면 설정 점을 오버 슈트로 이어질 수 있습니다. 전체 PID 제어 알고리즘의 효과는이 용어 균형에 따라 다릅니다.
파생어 용어는 PID 제어 알고리즘의 가장 정교한 부분입니다. 현재 오류 또는 과거 오류를 보지 않습니다. 대신 오류의 변화 속도를 살펴 봅니다.
작동 방식 : 파생어 용어는 오류의 미래 동작을 예상합니다. 오류가 0에서 매우 빨리 닫히면 파생어 용어는 시스템이 설정 점을 지나가는 것을 방지하기 위해 제동 또는 댐핑 력을 출력에 적용합니다.
유추 : 자동차가 원하는 속도에 빠르게 접근함에 따라, 가스 페달에 닿기 전에 본능적으로 가스 페달을 쉽게 쉽게 쉽게 파악하여 대상에 부드럽고 부드러운 착륙을 보장합니다. 그것이 바로 파생어 용어가하는 일입니다. 응답을 약화시키고 오버 슈트를 줄이며 시스템 안정성을 향상시킵니다.
강력하지만 파생 제어는 센서의 측정 노이즈에 매우 민감합니다. 'jumpy '피드백이있는 시스템에서는 불규칙한 동작을 유발할 수 있으므로 때때로 생략되어 PI 컨트롤러가 발생합니다. 그러나 전체 PID 제어 알고리즘의 경우이 예측 요소는 고성능의 핵심입니다.
잘 조정 된 PID 제어 알고리즘을 구현하는 것은 단순한 학업 운동이 아닙니다. 현대 산업에 중요한 유형의 측정 가능한 장점을 제공합니다. 올바르게 실행 된 PID 제어 알고리즘은 게임 체인저입니다.
정밀도 강화 : 핵심 이점은 원하는 설정 점과 실제 공정 변수 사이의 간격을 크게 줄여서 일관된 제품 품질과 안정적인 성능을 초래할 수 있다는 것입니다. PID 제어 알고리즘을 사용하면이를 가능하게합니다.
개선 된 안정성 : 잘 조정 된 PID 제어 알고리즘은 혼란스럽고 진동하는 프로세스를 매끄럽고 안정적인 프로세스로 변환합니다. 장비를 손상 시키거나 제품을 망칠 수있는 변동을 길들입니다.
에너지 절약 : ON/OFF 컨트롤의 일정한 과잉 교정 및 열렬한 사이클링을 피함으로써 PID 제어 알고리즘은 모터, 히터 및 밸브가 필요한 정확한 양의 에너지 만 사용하도록합니다. 이로 인해 운영 비용이 크게 줄어 듭니다.
마모 감소 : PID 제어 알고리즘이 제공하는 부드럽고 제어 된 조정은 갑작스러운 시작 및 정지보다 밸브, 펌프 및 기어 박스와 같은 기계 구성 요소에서 훨씬 더 온화합니다. 이는 장비 수명이 길고 유지 보수 비용이 낮아집니다.
풀 자동화 : PID 제어 알고리즘은 복잡한 조절 작업을 효과적으로 자동화하여 인간 운영자를 확보하고 수동으로 복제 할 수없는 일관성을 달성합니다.
오늘날 PID 제어 알고리즘의 가장 일반적이고 강력한 응용 프로그램 중 하나는 VFD (가변 주파수 드라이브). 이 조합은 HVAC에서 수처리까지 산업에 혁명을 일으켰습니다.
VFD는 공급하는 전력의 주파수를 변경하여 AC 모터의 속도를 제어하는 장치입니다. 그 자체로 'Open-loop '모드에서 실행되는 VFD는 단순히 특정 속도에 대한 명령을 보냅니다.
지능적이고 자체 규제 시스템을 만들기 위해 피드백 루프를 소개합니다. 압력 센서, 유량계 또는 온도 프로브와 같은 트랜스 듀서는 프로세스 변수를 모색하고 피드백 신호 (일반적으로 아날로그 4-20MA 또는 0-10VDC 신호)를 VFD로 다시 보냅니다. 대부분의 최신 VFD 장치에는 내장 PID 제어 알고리즘이 있습니다. 이 내부 PID 제어 기능은 트랜스 듀서의 피드백을 사용하여 설정 점을 유지하기 위해 모터의 속도를 자동으로 조정하여 작동의 뇌가됩니다.
건물 배관에서 50psi의 일정한 수압을 유지 해야하는 부스터 펌프 시스템 인 일반적인 시나리오를 설명해 봅시다.
PID가없는 시나리오 : 펌프는 100% 속도로 꺼져 있거나 실행됩니다. 이로 인해 대규모 압력 스파이크 (워터 해머)가 발생하고 시스템을 완충하기 위해 큰 압력 탱크가 필요하며 엄청나게 비효율적입니다.
VFD에 PID 제어 알고리즘이있는 시나리오 :
설정 : 압력 트랜스 듀서가 워터 라인에 설치되어 VFD의 아날로그 입력에 연결됩니다. 50psi의 원하는 설정 점은 VFD로 프로그래밍된다.
행동 : 누군가가 수도꼭지를 열고 압력은 45psi로 떨어집니다. 트랜스 듀서는 낙하를 나타내는 VFD에 신호를 보냅니다.
응답 : VFD의 내부 PID 제어 알고리즘은 큰 오류를 계산합니다. 비례 용어가 즉시 시작되어 VFD가 모터의 속도를 빠르게 증가시킵니다. 적분 항은 오류가 50psi 미만으로 안정되지 않도록 오류를 축적하기 시작합니다.
안정화 : 압력이 50psi 설정 점에 빠르게 접근함에 따라 PID 제어 알고리즘의 파생 항은 도착을 예상하고 모터가 완화시켜 오버 슈트를 방지합니다. 그런 다음 VFD는 모터의 속도를 완벽하게 조절하여 많은 수도꼭지 수에 관계없이 정확히 50psi에서 압력을 안정적으로 유지합니다. PID 제어 알고리즘 및 VFD의 이러한 사용은 복잡한 기계적 압력 조절 밸브의 필요성을 제거하고 막대한 양의 에너지를 절약합니다.
PID 제어 알고리즘과 VFD 사이의 시너지 효과는 여기서 멈추지 않습니다. 최신 트렌드에는 또 다른 최적화 계층이 포함됩니다. PID 제어 알고리즘이 프로세스 요구를 충족시키기 위해 모터의 속도를 안정화하면 고급 '활성 에너지 제어 '알고리즘이 인수 될 수 있습니다.
이 보조 알고리즘은 지능적이고 점진적으로 줄입니다 . 전압을 정상적인 속도로 모터에 공급되는 슬립 및 전류와 같은 모터 매개 변수를 지속적으로 모니터링하여 필요한 토크를 제공하는 데 필요한 절대 최소 전압을 찾습니다. 모터 코어의 자기 플럭스를 줄임으로써,이 방법은 모터 코어 손실을 줄이고 위에서 에너지 절약에서 2-10%를 추가로 달성 할 수 있습니다. PID 제어 및 VFD가 이미 제공 한 절감액 이것은 다른 스마트 논리와 함께 작동하는 최신 PID 제어 알고리즘의 주요 예입니다.
PID 제어 알고리즘은 튜닝만큼 좋습니다. 'tuning '는 p, i 및 d 항의 최적의 게인 값을 설정하는 프로세스입니다. 목표는 최소한의 오버 슈트와 진동이없는 변화에 대한 빠른 반응을 달성하는 것입니다. 이것은 PID 제어 알고리즘을 구현하는 데있어 가장 중요한 측면 일 것입니다.
잘못된 게인 값은 시스템을 전혀 제어 할 수없는 것보다 더 악화시킬 수 있습니다.
| 튜닝 조건이 좋지 않아 | 시스템 동작이 발생합니다 |
|---|---|
| 비례 (P)가 너무 높아집니다 | 시스템은 공격적이되어 설정 점 주위에서 격렬하게 진동하여 절대 정착하지 않습니다. |
| 적분 (I)가 너무 높아집니다 | 이 시스템은 설정 점을 크게 휘젓고 정착하는 데 오랜 시간이 걸립니다. |
| 유도체 (d)가 너무 높아집니다 | 이 시스템은 '트위 치 '가되고 모든 센서 노이즈에 과민성이있어 불안정성을 초래합니다. |
많은 최신 컨트롤러에 자동 조정 기능이 있지만 수동 튜닝 프로세스를 이해하는 것은 귀중한 기술입니다. Ziegler-Nichols 방법은 PID 제어 알고리즘에 대한 우수한 시작 값을 찾기위한 고전적인 엔지니어링 접근법입니다.
0으로 시작하십시오 : Integral (i) 및 미분 (d) 값을 0으로 설정하여 시작하십시오. 컨트롤러를 비례 전용 컨트롤러로 바꿉니다.
비례 (P) 게인 증가 : 시스템이 실행되면 P 게인을 천천히 증가시킵니다. 그렇듯이 시스템은 진동하기 시작합니다. 시스템이 꾸준하고 안정적이며 연속적인 속도로 진동하는 지점에 도달 할 때까지 P를 계속 증가시킵니다. 이 P 값을 'Ultimate Gain '(ku)라고합니다.
진동주기 측정 : 시스템이 꾸준히 진동하는 동안 하나의 완전한 진동 웨이브 (한 피크에서 다음 피크까지)에 걸리는 시간을 측정하십시오. 이번에는 'Ultimate Period '(TU)입니다.
이익 계산 : 이제 확립 된 Ziegler-Nichols 공식을 사용하여 시작 게인 값을 계산하십시오. 표준 PID 제어 알고리즘의 경우 :
P 게인 = 0.6 * ku
나는 gain = 2 * p gain / tu
d 게인 = P 게인 * tu / 8
미세 조정 : 이러한 계산 된 값은 훌륭한 출발점입니다. 여기에서 특정 응용 프로그램의 요구에 대한 시스템의 응답을 완성하기 위해 P, I 및 D 용어를 작고 점진적으로 조정하십시오 (예 : 더 빠른 응답 vs. 오버 슈트). 이 프로세스는 PID 제어 알고리즘을 마스터하는 핵심입니다.
위치 PID 제어 알고리즘은 각 사이클에 필요한 완전한 절대 출력 값을 계산합니다 (예 : '세트 히터를 75% 전력 '). 증분 PID 제어 알고리즘은 이전 출력에서 필요한 변경 만 계산합니다 (예 : '히터 전력을 2%'). 일부 시스템에서는 증분 접근법이 더 안전 할 수 있습니다. 컨트롤러가 잠깐 재설정하면 출력의 크고 갑작스러운 점프가 방지됩니다.
많은 측정 '노이즈 '가있는 프로세스에서 - 센서 피드백이 빠르고 불규칙하게 변동한다는 것을 의미합니다. 파생어 용어는 오류의 빠른 변화 로이 노이즈를 잘못 해석하고 출력이 불안정해질 수 있습니다. 이러한 일반적인 'Noisy '루프에서, D 게인을 0으로 설정하고 PID 제어 (특히 PI Control) 만 사용하여 작동하는 것이 표준 관행입니다.
오버 슈트는 프로세스 변수가 설정 점을 지나서 다시 정착하기 전에 촬영할 때입니다. 적분 (I) 게인이 너무 높아서 컨트롤러가 너무 많은 시정 조치를 취하는 것은 고전적인 신호입니다. 또한 불충분 한 파생물 (d) 이득으로 인해 응답을 약화시킬 수 있습니다. 이를 고치려면 먼저 적분 게인을 줄이려고 노력해야합니다.
예, 물론. PLC (프로그래밍 가능한 로직 컨트롤러)는 PID 제어 알고리즘을 구현하기위한 가장 일반적인 플랫폼 중 하나입니다. 대부분의 최신 PLC에는 구성된 내장 PID 기능 블록이있어 구성을 간단하게 만들 수 있습니다. PLC는 종종 PID 제어 계산을 수행 한 다음 결과 아날로그 출력 신호를 VFD 또는 제어 밸브로 보냅니다.
PID 제어 알고리즘은 우아하고 효과적인 엔지니어링에 대한 증거입니다. 현대 산업 자동화의 기반을 형성하는 기본적이고 강력하며 놀랍도록 유연한 도구입니다. PID 제어 알고리즘은 현재에 대한 비례 적 반응, 과거에 대한 필수 반응, 과거에 대한 필수 고려 및 미래의 미래 예측을 전문적으로 균형을 맞추면서 비교할 수없는 안정성, 효율성 및 그렇지 않으면 혼란스럽고 낭비하며 신뢰할 수없는 시스템에 대한 정밀도를 가져옵니다.
가장 간단한 온도 컨트롤러에서 복잡한 에너지 절약 루틴을 활용하는 가장 고급 VFD에 이르기까지 PID 제어 알고리즘은 공통 스레드입니다. 원칙과 튜닝의 기술을 마스터하는 것은 엔지니어링, 자동화 및 프로세스 제어 분야에서 뛰어난 전문가를위한 초석 기술이며 계속 될 것입니다.
