Σχεδίαση και ανάπτυξη εκπαιδευτικής προσομοίωσης αναλογικού ελεγκτή σε H/W και S/W και σύνδεση με πλατφόρμα ηλεκτρονικής μάθησης
Design and development in H/W and S/W of an analog controller educational simulator embedded in an e-learning platform
Θεματική επικεφαλίδα
TPSH::Κοινωνικές Επιστήμες::Εκπαίδευση::E-learning ; TPSH::Τεχνολογία::Αυτόματος Έλεγχος::Προγραμματιζόμενοι ΕλεγκτέςΛέξεις κλειδιά
Ελεγκτές PID ; PID ; Ελεγκτές αναλογικοί ; Ηλεκτρονική μάθηση ; E-learningΠερίληψη
Τις έννοιες ενός σήματος και ενός συστήματος τις συναντάμε σε πολλούς τομείς των τεχνολογικών και εφαρμοσμένων επιστημών. Η χρήση των εννοιών αυτών από τους ερευνητές κατά τα τελευταία 50 περίπου χρόνια βοήθησε κατ' αρχή στην μαθηματική διατύπωση ερωτημάτων τα οποία προέκυπταν από την προσπάθεια για καλύτερη και βαθύτερη κατανόηση πολλών φυσικών, μηχανικών ή οικονομικών φαινομένων και διαδικασιών και στην συνέχεια στην διερεύνηση αντιστοίχων προβλημάτων .
Το αντικείμενο της μελέτης της παρούσας εργασίας είναι η παρουσίαση των PID (Proportional - Integral - Differential) ελεγκτών. Οι στόχοι μας είναι η κατανόηση των πλεονεκτημάτων και των αδυναμιών των τριών δράσεων ενός αναλογικού-ολοκληρωτικού-διαφορικού ελεγκτή (PID). Επίσης η κατανόηση των πλεονεκτημάτων και των αδυναμιών των τριών δράσεων ενός αναλογικού-ολοκληρωτικού-διαφορικού ελεγκτή (PID) μέσα στο μοντέλο του κλειστού βρόχου ενός Συστήματος Αυτομάτου Ελέγχου (ΣΑΕ), καθώς και η επιλογή (ρύθμιση) παραμέτρων του ελεγκτή PID. Οι ελεγκτές PID αναπτύχθηκαν τη δεκαετία του 1940, στην αρχή με πνευματικό τρόπο λειτουργίας (χρήση πίεσης αερίου ως ρυθμιστή). Έως σήμερα παραμένουν πολύ δημοφιλής και κοινή πρακτική στη βιομηχανία, για τον έλεγχο μηχανών και διαδικασιών. Αργότερα (1950) ξεκίνησαν τα πρώτα ηλεκτρονικά συστήματα ελέγχου. Στις αρχές της δεκαετίας 1960 εμφανίστηκε ο έλεγχος με Η/Υ στην βιομηχανία χημικών διεργασιών. Από την δεκαετία του 1980 τα ψηφιακά ηλεκτρονικά κυριαρχούν στις εφαρμογές αυτοματισμού. Θεωρείται ότι στην βιομηχανία χημικών διεργασιών οι ελεγκτές PID αποτελούν το 98% των περιπτώσεων. Ένας τέτοιος ελεγκτής δεν είναι “βέλτιστος” καθώς δεν προκύπτει από την επίλυση ενός προβλήματος βελτιστοποίησης, αλλά ρυθμίζεται εμπειρικά, αξιοποιώντας τα πλεονεκτήματα και τις καλές ιδιότητες καθεμίας από τις 3 δράσης. Σε ψηφιακή μορφή μπορεί να προγραμματίζεται σε κάθε ψηφιακό σύστημα ελέγχου. Απαιτεί μια ρυθμιζόμενη μεταβλητή (CV) και μια ρυθμίζουσα μεταβλητή (MV). Πολλοί διαφορετικοί ελεγκτές PID χρησιμοποιούνται σε μια μόνο βιομηχανική εγκατάσταση ή σύστημα. Η προτίμηση των ελεγκτών PID οφείλεται εν μέρει στην σθεναρή και εν μέρει στην απλή τους λειτουργία, κάτω από πολλές και διαφορετικές συνθήκες. Η υλοποίηση ενός τέτοιου ελεγκτή βασίζεται στον προσδιορισμό τιμών (ρύθμιση) των τριών παραμέτρων του, της αναλογικής, Kp, της ολοκληρωτικής, Ki, και της διαφορικής, Kd. Η έξοδος του ελεγκτή PID σχηματίζεται από το άθροισμα τριών όρων, 1. ενός όρου Ρ (Proportional) αναλόγου του σφάλματος, 2. ενός όρου Ι (Integral) αναλόγου του ολοκληρώματος του σφάλματος και 3. ενός όρου D (Derivative) αναλόγου της παραγώγου του σφάλματος. Θα δούμε κάθε ένα τύπο ελέγχου χωριστά. Όμως στην πράξη σπάνια χρησιμοποιούνται με αυτόν τον τρόπο. Έτσι, συνηθίζονται οι τύποι P, PI, PD και PID. Η ρύθμιση παραμέτρων τους παραμένει πρωταρχικής σημασίας.
Περίληψη
The concepts of a signal and a system are met in many areas of the technological and applied sciences. The use of these concepts by researchers over the last 50 years has helped initially in the mathematical formulation of questions arising from the attempt to better and deeper understanding of many physical, mechanical or economic phenomena and processes and then to investigate corresponding problems.
The subject of this study is the presentation of PID (Proportional - Integral - Differential) controllers. Our goals are to understand the strengths and weaknesses of the three actions of an analog-to-differential-differential controller (PID). Also the understanding of the advantages and weaknesses of the three actions of a PID in the closed loop model of an Automatic Control System (ACS), as well as the parameter selection (PID) of the controller. The PID controllers were developed in the 1940s, initially in a pneumatic mode (use of gas pressure as a regulator). To date, they have remained a very popular and common industry practice for machine and process control. Later (1950) began the first electronic control systems. In the early 1960s computer control appeared in the chemical process industry. Since the 1980s, digital electronics has dominated automation applications. It is believed that in the chemical industry the PID controllers account for 98% of the cases. Such a controller is not "optimal" as it does not arise from solving an optimization problem but is empirically regulated, capitalizing on the advantages and good qualities of each of the three actions. In digital form it can be programmed in any digital control system. Requires an adjustable variable (CV) and an adjustable variable (MV). Many different PIDs are used in a single industrial installation or system. The preference of the PIDs is partly due to their strong and partly simple operation, under many different conditions. The implementation of such a controller is based on the determination of values of its three parameters, the proportional, Kp, the total, Ki, and the differential, Kd. The output of the PID controller is formed by the sum of three terms, 1. a P (Proportional) analogue error condition, 2. a term I (Integral) analog of the integrity of the error and 3. a term D (Derivative) analogue of the error derivative.
We will see each type of control separately. But in practice they are rarely used in this way. Thus, P, PI, PD and PID types are common. Their configuration is of paramount importance.