Hidrolik Sistem Tasarımı için PID Kontrolleri

Hidrolik Sistem Tasarımı için PID Kontrolleri

Akışkan gücü sistem tasarımcıları, bir sistemin nasıl çalıştığını kontrol edebildiklerinde, gereken tasarım karmaşıklığı düzeyine ilişkin daha iyi kavrayışlara sahip olurlar.

PID, sistem ayar noktası tarafından hataları gerçek zamanlı olarak düzeltmek için kullanılan kontrol metodolojisi türleri olan orantısal-integral-türev anlamına gelir.
PID kontrolünün hidrolik sistemlere uygulanması, benzersiz teknolojiler ve ekipman tasarımları ile sonuçlandı. Örneğin, bir savaş uçağının kontrol edilebilirliğini ve uçuşun ortasında bir kuruş açma yeteneğini düşünün.
Bir PID kontrolörünün amacı, bir sistemin ayar noktası ile çıktısı arasındaki hatayı düzeltmektir.
Gevşek bir şekilde tarif edilen PID, belirli bir sistem için hatayı kontrol etmek ve düzeltmek için mevcut (orantılı), geçmiş (integral) ve gelecek (türev) araçları olarak işlev görür.
Uygun fiyatlı PID kontrolörlerinin ortaya çıkışı, çoğu endüstride oyunun kurallarını değiştirmiştir. Bu, günlük cihazlarımızın çoğu için geçerlidir - işe giderken aracının hız sabitleyicisini ayarlayan herkes, hız cezası almadığı için bu kontrol metodolojisine teşekkür edebilir. Bilgisayar işlemcileri her zamankinden daha hızlı ve daha ekonomik hale geldikçe, bu teknolojinin yeni ve heyecan verici kullanımları her yerde görülmeye başlandı - ilk olarak tüketicilerin hayal gücünü yakalayan Segway'lerden, çocukların şimdi etrafta dolaştıkları uçan tahtalara kadar.

Başlamak için, PID kısaltmasını anlamak önemlidir. Orantılı-bütünsel-türev, sistem ayar noktası tarafından hataları gerçek zamanlı olarak düzeltmek için kullanılan kontrol metodolojisi türleri anlamına gelir. Belirli bir sistem için denetleyiciyle birlikte P, PI, PD veya PID'nin referans alındığını görebilirsiniz; bunlar hangi kontrollerin uygulanıp uygulanmadığını gösterir.

Bu noktada, büyük olasılıkla yukarıdaki terimler ile eski matematik dersleriniz arasında paralellikler kuracaksınız. Bunu, eğimi, değişim oranını veya eğrinin altındaki alanı hesapladığınız gibi yapmakta haklısınız. Bir PID kontrolörünün amacı, bir sistemin ayar noktası ile çıktısı arasındaki hatayı düzeltmektir.

Bir PID denetleyicisinin bileşenlerini ayrı ayrı tartışmadan önce, önce bir sistem tanımlayalım. Bir komut, ayar noktası veya hedefin verildiği ve bir cihazın, devre kartının, programın veya ekipmanın bu sinyale sistemin çıkışıyla eşleştirerek tepki vermesinin beklendiği herhangi bir şeydir.

Kontrol hocamın her zaman kullanmaktan hoşlandığı benzetme, parmağınızdaki bir çubuğu dengelemekti. Bu, kolay ve sezgisel bir gerçek dünya örneğinde sistem ve kontrol edilebilirlik kavramlarını açıklamaya yardımcı oldu. Bu sistem için birkaç bileşeniniz var: Aktüatör olarak hareket eden kolunuz ve eliniz (mekanik iş yapan kısım), geri bildirim sensörü olarak gözleriniz ve kontrolör olarak beyniniz. Sistem çıktısı, çubuğun üç boyutlu uzaydaki konumudur. Bu sistemin amacı veya ayar noktası, çubuğu dengelemektir.

Hayatınızın bir noktasında bu aktiviteye katılmış olabilirsiniz. Bununla birlikte, muhtemelen birkaçınız, çubuğun konumunu gerçek zamanlı olarak korumak için beyninizin sezgisel olarak bir PID kontrolünü ne kadar kolay uygulayabileceğini düşündünüz. Gözleriniz bu pozisyonu izlerken, beyniniz bir hesaplama yapacak ve hatayı düzeltirken istenen ayar noktasını korumak için kolunuza/elinize komutlar verecektir. Silindir konumlandırma, hidrolik motor hızı ve hatta bir basınç kontrol uygulaması için bir servo sisteme kolayca paralellikler çizebilirsiniz.

Bir sistemin kontrol edilebilirliğini tartıştığımızda, işlevi kontrol etmenin kolaylığını ve dolayısıyla inşa edilen ekipman için gereken tasarım karmaşıklığının seviyesini ifade eder. Çubuk benzetmemizi genişletirsek, daha uzun bir çubuğun kontrol edilmesinin doğası gereği daha kolay olduğunu kolayca anlayabilirsiniz. Çoğu insan parmağındaki bir ölçüyü dengeleyebilir, ancak yalnızca birkaçı aynı şeyi bir kalemle yapabilir. Ayrıca, muhtemelen bu birkaç kişiden sadece biri kalem hareketinin sıkı kontrolünü sağlayabilir. Bu sistemde kontrol edilebilirlik, çubuğun/kalemin uzunluğu ile doğrudan bağlantılıdır.

Etkili ve düşük maliyetli bir PID kontrolü tasarlamayı düşünüyorsanız, belirli bir uygulama için bu sistem kontrol edilebilirliği düzeyini anlamak önemlidir. Bu kontrol edilebilirlik, ekipmanın gerekli karmaşıklığını belirleyecektir. Bazı sistemler hiç kontrol edilemez. Bir sistem için PID kontrolü tasarlarken, kontrol edilebilir olup olmadığını belirlemek ilk adımınız olmalıdır. Herhangi bir sistemin davranışı, o sistemi yöneten diferansiyel denklemler tarafından tanımlanacaktır (kendi başına bir konu). Bununla birlikte, akışkan gücü sistemleri için hız/konumlandırma ve basınç düzenlemesi tipik olarak kontrol edilebilir.

Bir PID kontrolörün tek tek bileşenlerini tartışırken, orantısal kontrol genellikle iyi bir başlangıç ​​noktasıdır. Bir P, PI, PD veya PID kontrolünün uygulanması olsun, orantısal kontrol her zaman ana bileşen olacaktır - ancak bu integral veya türev için doğru değildir. Bu kontrollerle ilgili olarak, kazançları da duyacaksınız: Kp, Ki ve Kd. Bu kazanımlar, her bir kontrol tipinin sahip olacağı etki derecesini ölçeklendirmenize/değiştirmenize izin verir.

Örneğin, bir PI denetleyici kurarsanız Kd'yi sıfıra ayarlarsınız. Bu kazançların ayarlanması, sistemlerin devreye alma sırasında nasıl ayarlandığıdır. Bu süreç zaman alıcı olabilir çünkü genellikle küçük artımlı değişiklikler yapmanız gerekir. Bir kazancı değiştirmenin diğerleri üzerinde etkisi vardır ve bu da ayarlamayı zorlaştırabilir.

Oransal kontrol, ayar noktası ile sistem çıkışı arasındaki mevcut bir hatayla doğru orantılı olarak ölçeklenir. Bu, bir hata büyük olduğunda, bu hataya verilen tepkinin büyük olduğu anlamına gelir; hata küçük olduğunda, reaksiyon küçüktür. İyi bir görselleştirme, bir ucu uzayda (veya yerçekimi olmayan herhangi bir yerde) hareketli bir yüke bağlıyken, bir ucu sabitlenmiş ideal bir yay olacaktır. Dinlenme durumunda, bu konumun ayar noktası olduğunu varsayın. Yük bozulursa, yay bozulmaya göre ya sıkıştırılır ya da gerilir. Yay, rahatsızlığı gidermek için derhal çalışacaktır. Sıkıştırılırsa, yay sıkıştırmaya karşı itecektir; gerilirse, aynı şekilde direnecek ve zıt bir kuvvet uygulayacaktır.

Bozulma giderildikten sonra yay, kararlı durum konumuna geri dönecektir. Bu benzetmede, "oransal kazanç", yayın gücüdür. Ne kadar güçlüyse, kararlı durum konumuna o kadar hızlı ve güçlü bir şekilde geri döner, ancak zamanla salınım yapmaya o kadar duyarlıdır. Daha yüksek bir kazançla, hedefe daha agresif bir şekilde ilerleyecektir - ancak aynı zamanda aşma olasılığı da daha yüksektir.

İntegral kontrol, eski matematik sınıfınızdaki entegrasyona çok benzer, en iyi şekilde süslü ekleme olarak düşünülebilir. İntegral bileşen, bir ayar noktası ile bir sistemin çıkışı arasındaki hatayı zamanla biriktirir: Hedef ayar noktasına yaklaştıkça değer artar ve hedef ayar noktasını aşarsa değer düşer. Zamanla bu değer bir dengeye ulaşacak ve sistem stabilize olacaktır. Aşırı agresif bir integral kazanç, sistemi “bütünsel rüzgara” (hedefi aşma) duyarlı hale getirecektir. Bir silindir konumlandırma sisteminde, bu bütünleşik sarma, silindirin hedefi hafifçe aşması ve ardından yerine oturması gibi görünür.

Bir hatanın değişim oranını önlemek için türevsel kontrol kullanılır. Bu, değişime direnmeye ve bozukluğu hızlı bir şekilde düzeltmeye çalıştığından, ani bozulmalara karşı en etkilidir. Ancak bu, türev kontrolünün sensör sınırlamaları veya işlemcilerdeki sinyal ayrıklaştırması gibi şeylerden kaynaklanan gürültüye veya hataya duyarlı olabileceği anlamına gelir. Ayrıca, hatada herhangi bir bozulma yoksa (yani, sabittir ancak tanımlanmış bir değerle kapalıysa), türev kontrolü bu hatayı düzeltmeye yardımcı olmaz. Türev kazancını ayarlarken çok dikkatli olun: Küçük değişiklikler yapın ve düşük bir değerden başlayın. Sistemde çok fazla türev kazancı eklemek veya gürültüye sahip olmak bazı sistemlerde şiddetli reaksiyonlara neden olabilir.

Hepsini bir araya getirerek, belirli bir sistem için hatayı kontrol etmek ve düzeltmek için mevcut (orantılı), geçmiş (integral) ve gelecek (türev) araçları olarak PID fonksiyonlarını gevşek bir şekilde tanımlayabilirsiniz. Orantılı kontrol, bir şeyi olduğu gibi düzeltmeye odaklanır, integral kontrol zaman içinde geçmişteki hatayı düzeltir ve türev kontrol, bozulmalar ve bunların öngörücü etkisi için düzeltir. Şimdi, bu geleceği öngördüğü anlamına gelmez, ancak değişim hızına tepki vererek “öngörüye benzer” düzeltici eylemde bulunabilir.

PID kontrolünün hidrolik sistemlere uygulanması, benzersiz teknolojiler ve ekipman tasarımları ile sonuçlandı. Olasılıkları tasavvur ederken, açık fikirli olmak önemlidir. Sistem kontrol edilebilirliğinin derecesi özellikle ilginçtir. Görünüşte, daha kontrol edilebilir bir sistem genellikle olumlu görünür, ancak dinamik ve çevik olmanın en hızlı yolu için, sağlam bir PID kontrolüne sahip daha az kontrol edilebilir bir sistem görev için bir avantaj olabilir. İyi bir örnek, bir savaş uçağı ve uçuşun ortasında bir kuruş açma yeteneği olabilir.

Bitişik endüstrilerden gelişen teknolojiler hızla akışkan gücü endüstrisine yayılırken, açık olun ve yaratıcı olun. Bu, sistem tasarım alanında tarihsel olarak iyi tanımlanmış disiplinler arasındaki çizgileri bulanıklaştırırken ekipman tasarlamanın daha yeni ve daha iyi yollarını sağlar. Zaman geçtikçe ve yeni teknolojiler ortaya çıktıkça, mekanik, otomasyon ve akışkan güç sistemi tasarımı arasındaki ayrım daha az belirgin olacaktır.