Реализация в промышленности ПИД-регулятора сверхвысокой точности 0,1% и анализ его ключевых параметров.

Реализация в промышленности ПИД-регулятора сверхвысокой точности 0,1% и анализ его ключевых параметров.

1. Что такое пропорциональный регулятор давления?
В промышленной сфере часто требуется сверхточный контроль параметров процесса, таких как температура, вакуумное давление и расход. Точность контроля в промышленной сфере делится на высокую точность (1%) и сверхвысокую точность (0,1%). В лабораториях высокого уровня и при метрологической калибровке часто требуется точность контроля выше 0,05%.

В полноценной системе ПИД-регулирования типичный контур управления имеет замкнутую форму, как показано на рисунке 1.

Как показано на рисунке 1, в системе ПИД-регулирования с замкнутым контуром датчики и исполнительные механизмы, как правило, являются внешними и могут быть выбраны в соответствии с различными параметрами управления и требованиями к точности. В промышленных приложениях ПИД-регулятор, как правило, должен быть независимым инструментом управления, то есть промышленный ПИД-регулятор, как показано на рисунке 1, в основном объединяет аналого-цифровой преобразователь (АЦП), микроконтроллер (МКУ) и цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП).

В некоторых случаях высокоточных измерений и управления, например, в области измерений и калибровки, для повышения точности ПИД-регулятора обычно используется система ПИД-регулирования с дискретной структурой, то есть аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и микроконтроллер ПИД-регулятора, как показано на рис. 1. Микроконтроллер и цифро-аналоговый преобразователь заменяются специальными приборами с более высокой точностью. Например, АЦП заменяется шести с половиной (или даже семи с половиной) цифровым вольтметром, а микроконтроллер — компьютером или однокристальным микрокомпьютером. Цифро-аналоговый преобразователь заменяется шести с половиной разрядным цифровым измерителем источника тока. Хотя система ПИД-регулирования с такими компонентами может эффективно повысить точность управления, она значительно увеличивает общую стоимость и габариты, и не подходит для управления в промышленных приложениях.

В данной статье основное внимание уделяется интегрированным приборам ПИД-регулятора, используемым в промышленных приложениях, и рассматриваются несколько ключевых технических показателей, влияющих на реализацию сверхвысокоточного управления с точностью до 0,1% с точки зрения инженерных приложений. Это поможет в реализации и выборе ПИД-регуляторов для сверхвысокоточного управления технологическими процессами в промышленных приложениях.

2. Анализ ключевых технических показателей в сверхточном ПИД-регуляторе.
Для достижения сверхвысокой точности управления ПИД-регулятором (лучше 0,1%) эти три компонента должны соответствовать соответствующим техническим показателям и функциональным требованиям, обеспечивая, соответственно, высокоточные функции измерения, вычисления и управления.

(1) Точность измерения
Точность измерения ПИД-регулятора в основном относится к получению контроллером входных данных от внешнего датчика, то есть к точности преобразования аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Количество звеньев АЦП может быть 8, 12, 16 и 24. Поэтому ключевым техническим показателем точности измерения ПИД-регулятора является именно этот АЦП.

Рассмотрим в качестве примера напряжение постоянного тока с диапазоном входного сигнала ПИД-регулятора от 0 до 10 В. На рисунке 2 показано минимальное измеряемое напряжение, соответствующее различным битам АЦП.

На основе минимальной измеряемой мощности АЦП для различных значений напряжения, показанных на рисунке 2, можно рассчитать количество разрядов АЦП, необходимое для достижения точности измерения 0,1% для различных значений напряжения сигнала датчика, как показано на рисунке 3. Кроме того, выбор разрядов АЦП может определяться в соответствии с требованиями к точности реального управления, и это вполне приемлемо для удовлетворения технических требований. В конце концов, чем больше разрядов АЦП, тем выше точность. Однако, чем дороже прибор ПИД-регулятора, тем ниже соответствующая скорость сбора данных.

(2) Точность контроля
Точность управления ПИД-регулятора в основном определяется точностью аналогового выходного сигнала контроллера, передаваемого на внешний исполнительный механизм. Чем больше разрядность, тем выше точность определения параметров.

(3) Точность арифметики с плавающей запятой
Точность тестирования и точность управления зависят от точности аппаратной части ПИД-регулятора. Для обеспечения общей точности управления ПИД-регулятором необходимо также учитывать точность программных вычислений микропроцессорного блока (МЧ), используемого в контроллере, то есть так называемую точность операций с плавающей запятой. В качестве примера рассмотрим процент выходного сигнала в ПИД-регуляторе. Как показано на рисунке 2, минимальный процент выходного сигнала для 8-битных операций с плавающей запятой составляет 1%, а для 10-битных и 12-битных операций с плавающей запятой — 0,1%. Для достижения общей точности управления лучше 0,1% необходимо использовать 14-битные и 16-битные операции с плавающей запятой, чтобы минимальный процент выходного сигнала составлял 0,01%. Иными словами, чем больше бит операций с плавающей запятой, тем меньше процент выходного сигнала. Чем точнее выходной сигнал управления, тем выше соответствующая точность управления.

3. Анализ случаев регулирования давления
Для демонстрации влияния точности управления пропорциональным регулятором давления Kao Lu на эффективность управления мы используем пример регулирования давления. В данном случае цель нашего эксперимента — точное регулирование давления в диапазоне 0–6 бар (избыточное давление) с точностью 0,1%. Структура всей экспериментальной установки показана на рисунке 4.


4. Заключение
На основании проведенного выше анализа и экспериментальной проверки случая регулирования давления, промышленный интегрированный ПИД-регулятор должен соответствовать следующим техническим показателям для достижения точности управления в 0,1%:
(1) Внешний датчик должен обладать сверхвысокой точностью более 0,1%.
(2) Внешний исполнительный механизм также должен обладать высокой точностью, но это не обязательно означает сверхвысокую точность в 0,1%.
(3) Количество бит АЦП ПИД-регулятора должно быть не менее 16 бит, а оптимальным является 24 бита. (4) Работа с плавающей запятой в ПИД-регуляторе должна обеспечивать возможность регулировки выходного процента в диапазоне от 0,01% до 0,05%.
(5) Количество бит ЦАП ПИД-регулятора должно достигать как минимум 14 бит, а наилучшее значение — 16 бит.


Хотите узнать больше о пропорциональном регуляторе давления Kao Lu? Тогда посетите наш сайт !