Prinsip Kerja Kontroler PID untuk Pemula
Seperti namanya, artikel ini akan memberikan penjelasan tentang struktur dan kerja kontroler PID. Akan tetapi, untuk perincian, mari kita perkenalkan dahulu pengontrol PID.
Kontrol PID adalah singkatan dari Proportional-Integral-Derivative. Ketiga pengontrol ini digabungkan sedemikian rupa sehingga menghasilkan sinyal kontrol. Kontroler PID dapat ditemukan dalam berbagai aplikasi untuk kontrol proses industri. Sekitar 95% dari operasi loop tertutup sektor otomasi industri menggunakan pengontrol PID.
Sebagai pengontrol umpan balik, ini memberikan output kontrol pada level yang diinginkan. Sebelum mikroprosesor ditemukan, kontrol PID diimplementasikan oleh komponen elektronik analog. Tetapi hari ini semua pengontrol PID diproses oleh mikroprosesor. Pengontrol logika yang dapat diprogram juga memiliki instruksi pengontrol PID bawaan. Karena fleksibilitas dan keandalan pengontrol PID, ini secara tradisional digunakan dalam aplikasi kontrol proses.
Kontroler PID mempertahankan output sedemikian rupa sehingga tidak ada kesalahan antara variabel proses dan set point/output yang diinginkan oleh operasi loop tertutup. PID menggunakan tiga perilaku kontrol dasar yang dijelaskan di bawah ini.
Pengontrol ini membutuhkan biasing atau reset manual saat digunakan sendiri. Ini karena tidak pernah mencapai kondisi stabil. Ini memberikan operasi yang stabil tetapi selalu mempertahankan kesalahan kondisi stabil. Kecepatan respons meningkat ketika konstanta proporsional Kc meningkat.
Karena keterbatasan p-controller di mana selalu ada offset antara variabel proses dan set point, I-controller diperlukan, yang menyediakan tindakan yang diperlukan untuk menghilangkan kesalahan stabil. Itu mengintegrasikan kesalahan selama periode waktu sampai nilai kesalahan mencapai nol. Ini memegang nilai ke perangkat kontrol akhir di mana kesalahan menjadi nol.
Kontrol integral mengurangi output ketika kesalahan negatif terjadi. Ini membatasi kecepatan respon dan mempengaruhi stabilitas sistem. Kecepatan respon ditingkatkan dengan mengurangi gain integral Ki.
Pada gambar di atas, ketika gain dari I-controller menurun, error stabil juga terus menurun. Untuk sebagian besar kasus, pengendali PI digunakan terutama di mana respons kecepatan tinggi tidak diperlukan.
Saat menggunakan pengontrol PI, output pengontrol-I terbatas pada kisaran agak untuk mengatasi kondisi angin integral di mana output integral terus meningkat bahkan pada keadaan nol kesalahan, karena nonlinier di pabrik.
I-controller tidak memiliki kemampuan untuk memprediksi perilaku kesalahan di masa depan. Jadi itu bereaksi secara normal setelah set point diubah. D-controller mengatasi masalah ini dengan mengantisipasi perilaku kesalahan di masa mendatang. Outputnya tergantung pada tingkat perubahan kesalahan sehubungan dengan waktu, dikalikan dengan turunan konstan. Ini memberi tendangan awal untuk output sehingga meningkatkan respons sistem.
Pada gambar di atas respon dari kontroler D lebih banyak, dibandingkan dengan kontroler PI dan juga waktu penyelesaian output menurun. Ini meningkatkan stabilitas sistem dengan mengkompensasi kelambatan phase yang disebabkan oleh I-controller. Meningkatkan keuntungan derivatif meningkatkan kecepatan respons.
Jadi akhirnya kami mengamati bahwa dengan menggabungkan ketiga pengontrol ini, kami bisa mendapatkan respons yang diinginkan untuk sistem. Manufaktur yang berbeda mendesain algoritma PID yang berbeda.
Berbagai jenis metode penyetelan dikembangkan untuk menyetel pengontrol PID dan membutuhkan banyak perhatian dari operator untuk memilih nilai terbaik dari keuntungan proporsional, integral, dan turunan. Beberapa di antaranya diberikan di bawah ini.
Metode Trial and Error: Ini adalah metode penyetelan pengontrol PID yang sederhana. Saat sistem atau pengontrol berfungsi, kita dapat menyetel pengontrol. Dalam metode ini, pertama-tama kita harus menetapkan nilai Ki dan Kd ke nol dan meningkatkan istilah proporsional (Kp) sampai sistem mencapai perilaku berosilasi. Setelah berosilasi, sesuaikan Ki (istilah Integral) sehingga osilasi berhenti dan akhirnya sesuaikan D untuk mendapatkan respons yang cepat.
Teknik kurva reaksi proses: Ini adalah teknik penyetelan loop terbuka. Ini menghasilkan respons ketika input langkah diterapkan ke sistem. Awalnya, kita harus menerapkan beberapa kontrol output ke sistem secara manual dan harus mencatat kurva respons.
Setelah itu kita perlu menghitung kemiringan, waktu mati, waktu naik kurva dan akhirnya mengganti nilai-nilai ini dalam persamaan P, I dan D untuk mendapatkan nilai gain dari istilah PID.
Metode Zeigler-Nichols: Zeigler-Nichols mengusulkan metode loop tertutup untuk menyetel pengontrol PID. Itu adalah metode bersepeda terus menerus dan metode osilasi teredam. Prosedur untuk kedua metode sama tetapi perilaku osilasi berbeda. Dalam hal ini, pertama-tama kita harus menetapkan konstanta p-controller, Kp ke nilai tertentu sementara nilai Ki dan Kd adalah nol. Keuntungan proporsional ditingkatkan hingga sistem berosilasi pada amplitudo konstan.
Keuntungan di mana sistem menghasilkan osilasi konstan disebut ultimate gain (Ku) dan periode osilasi disebut periode akhir (Pc). Setelah tercapai, kita dapat memasukkan nilai-nilai P, I dan D di pengontrol PID oleh tabel Zeigler-Nichols tergantung pada pengontrol yang digunakan seperti P, PI atau PID, seperti ditunjukkan di bawah ini.
Gambar di atas menunjukkan struktur pengontrol PID. Ini terdiri dari blok PID yang memberikan output untuk memproses blok. Proses / pabrik terdiri dari perangkat kontrol akhir seperti aktuator, katup kontrol, dan perangkat kontrol lainnya untuk mengontrol berbagai proses industri / pabrik.
Sinyal umpan balik dari pabrik proses dibandingkan dengan titik setel atau sinyal referensi u (t) dan sinyal kesalahan yang sesuai e (t) diumpankan ke algoritma PID. Menurut perhitungan kontrol proporsional, integral dan derivatif dalam algoritma, controller menghasilkan respon gabungan atau output terkontrol yang diterapkan pada perangkat kontrol plant.
Semua aplikasi kontrol tidak memerlukan ketiga elemen kontrol. Kombinasi seperti kontrol PI dan PD sangat sering digunakan dalam aplikasi praktis.
Aplikasi PID: Kontrol Loop Tertutup untuk motor DC Brushless
Kontrol PID adalah singkatan dari Proportional-Integral-Derivative. Ketiga pengontrol ini digabungkan sedemikian rupa sehingga menghasilkan sinyal kontrol. Kontroler PID dapat ditemukan dalam berbagai aplikasi untuk kontrol proses industri. Sekitar 95% dari operasi loop tertutup sektor otomasi industri menggunakan pengontrol PID.
Sebagai pengontrol umpan balik, ini memberikan output kontrol pada level yang diinginkan. Sebelum mikroprosesor ditemukan, kontrol PID diimplementasikan oleh komponen elektronik analog. Tetapi hari ini semua pengontrol PID diproses oleh mikroprosesor. Pengontrol logika yang dapat diprogram juga memiliki instruksi pengontrol PID bawaan. Karena fleksibilitas dan keandalan pengontrol PID, ini secara tradisional digunakan dalam aplikasi kontrol proses.
Fungsi PID
Dengan menggunakan pengontrol ON-OFF sederhana dan murah, hanya dua kondisi kontrol yang dimungkinkan, seperti ON sepenuhnya atau OFF sepenuhnya. Ini digunakan untuk aplikasi kontrol terbatas di mana dua status kontrol ini cukup untuk tujuan kontrol. Namun sifat osilasi kontrol ini membatasi penggunaannya dan karenanya digantikan oleh pengontrol PID.Kontroler PID mempertahankan output sedemikian rupa sehingga tidak ada kesalahan antara variabel proses dan set point/output yang diinginkan oleh operasi loop tertutup. PID menggunakan tiga perilaku kontrol dasar yang dijelaskan di bawah ini.
P-Controller
Proportional atau P- controller memberikan output yang proporsional dengan kesalahan arus e (t). Ini membandingkan titik yang diinginkan atau ditetapkan dengan nilai aktual atau nilai proses umpan balik. Kesalahan yang dihasilkan dikalikan dengan konstanta proporsional untuk mendapatkan output. Jika nilai kesalahan adalah nol, maka output pengontrol ini adalah nol.Pengontrol ini membutuhkan biasing atau reset manual saat digunakan sendiri. Ini karena tidak pernah mencapai kondisi stabil. Ini memberikan operasi yang stabil tetapi selalu mempertahankan kesalahan kondisi stabil. Kecepatan respons meningkat ketika konstanta proporsional Kc meningkat.
I-Controller
Karena keterbatasan p-controller di mana selalu ada offset antara variabel proses dan set point, I-controller diperlukan, yang menyediakan tindakan yang diperlukan untuk menghilangkan kesalahan stabil. Itu mengintegrasikan kesalahan selama periode waktu sampai nilai kesalahan mencapai nol. Ini memegang nilai ke perangkat kontrol akhir di mana kesalahan menjadi nol.
Kontrol integral mengurangi output ketika kesalahan negatif terjadi. Ini membatasi kecepatan respon dan mempengaruhi stabilitas sistem. Kecepatan respon ditingkatkan dengan mengurangi gain integral Ki.
Pada gambar di atas, ketika gain dari I-controller menurun, error stabil juga terus menurun. Untuk sebagian besar kasus, pengendali PI digunakan terutama di mana respons kecepatan tinggi tidak diperlukan.
Saat menggunakan pengontrol PI, output pengontrol-I terbatas pada kisaran agak untuk mengatasi kondisi angin integral di mana output integral terus meningkat bahkan pada keadaan nol kesalahan, karena nonlinier di pabrik.
D-Controller
I-controller tidak memiliki kemampuan untuk memprediksi perilaku kesalahan di masa depan. Jadi itu bereaksi secara normal setelah set point diubah. D-controller mengatasi masalah ini dengan mengantisipasi perilaku kesalahan di masa mendatang. Outputnya tergantung pada tingkat perubahan kesalahan sehubungan dengan waktu, dikalikan dengan turunan konstan. Ini memberi tendangan awal untuk output sehingga meningkatkan respons sistem.
Pada gambar di atas respon dari kontroler D lebih banyak, dibandingkan dengan kontroler PI dan juga waktu penyelesaian output menurun. Ini meningkatkan stabilitas sistem dengan mengkompensasi kelambatan phase yang disebabkan oleh I-controller. Meningkatkan keuntungan derivatif meningkatkan kecepatan respons.
Jadi akhirnya kami mengamati bahwa dengan menggabungkan ketiga pengontrol ini, kami bisa mendapatkan respons yang diinginkan untuk sistem. Manufaktur yang berbeda mendesain algoritma PID yang berbeda.
Metode penyetelan Kontroler PID
Sebelum kerja pengontrol PID berlangsung, harus disetel agar sesuai dengan dinamika proses yang akan dikontrol. Desainer memberikan nilai default untuk persyaratan P, I dan D dan nilai-nilai ini tidak dapat memberikan kinerja yang diinginkan dan kadang-kadang menyebabkan ketidakstabilan dan kinerja kontrol yang lambat.Berbagai jenis metode penyetelan dikembangkan untuk menyetel pengontrol PID dan membutuhkan banyak perhatian dari operator untuk memilih nilai terbaik dari keuntungan proporsional, integral, dan turunan. Beberapa di antaranya diberikan di bawah ini.
Metode Trial and Error: Ini adalah metode penyetelan pengontrol PID yang sederhana. Saat sistem atau pengontrol berfungsi, kita dapat menyetel pengontrol. Dalam metode ini, pertama-tama kita harus menetapkan nilai Ki dan Kd ke nol dan meningkatkan istilah proporsional (Kp) sampai sistem mencapai perilaku berosilasi. Setelah berosilasi, sesuaikan Ki (istilah Integral) sehingga osilasi berhenti dan akhirnya sesuaikan D untuk mendapatkan respons yang cepat.
Teknik kurva reaksi proses: Ini adalah teknik penyetelan loop terbuka. Ini menghasilkan respons ketika input langkah diterapkan ke sistem. Awalnya, kita harus menerapkan beberapa kontrol output ke sistem secara manual dan harus mencatat kurva respons.
Setelah itu kita perlu menghitung kemiringan, waktu mati, waktu naik kurva dan akhirnya mengganti nilai-nilai ini dalam persamaan P, I dan D untuk mendapatkan nilai gain dari istilah PID.
Metode Zeigler-Nichols: Zeigler-Nichols mengusulkan metode loop tertutup untuk menyetel pengontrol PID. Itu adalah metode bersepeda terus menerus dan metode osilasi teredam. Prosedur untuk kedua metode sama tetapi perilaku osilasi berbeda. Dalam hal ini, pertama-tama kita harus menetapkan konstanta p-controller, Kp ke nilai tertentu sementara nilai Ki dan Kd adalah nol. Keuntungan proporsional ditingkatkan hingga sistem berosilasi pada amplitudo konstan.
Keuntungan di mana sistem menghasilkan osilasi konstan disebut ultimate gain (Ku) dan periode osilasi disebut periode akhir (Pc). Setelah tercapai, kita dapat memasukkan nilai-nilai P, I dan D di pengontrol PID oleh tabel Zeigler-Nichols tergantung pada pengontrol yang digunakan seperti P, PI atau PID, seperti ditunjukkan di bawah ini.
Struktur Kontroler PID
Kontroler PID terdiri dari tiga istilah, yaitu kontrol proporsional, integral dan derivatif. Operasi gabungan dari ketiga pengendali ini memberikan strategi kontrol untuk pengendalian proses. Kontroler PID memanipulasi variabel proses seperti tekanan, kecepatan, suhu, aliran, dll. Beberapa aplikasi menggunakan pengontrol PID dalam jaringan cascade di mana dua atau lebih PID digunakan untuk mencapai kontrol.Gambar di atas menunjukkan struktur pengontrol PID. Ini terdiri dari blok PID yang memberikan output untuk memproses blok. Proses / pabrik terdiri dari perangkat kontrol akhir seperti aktuator, katup kontrol, dan perangkat kontrol lainnya untuk mengontrol berbagai proses industri / pabrik.
Sinyal umpan balik dari pabrik proses dibandingkan dengan titik setel atau sinyal referensi u (t) dan sinyal kesalahan yang sesuai e (t) diumpankan ke algoritma PID. Menurut perhitungan kontrol proporsional, integral dan derivatif dalam algoritma, controller menghasilkan respon gabungan atau output terkontrol yang diterapkan pada perangkat kontrol plant.
Semua aplikasi kontrol tidak memerlukan ketiga elemen kontrol. Kombinasi seperti kontrol PI dan PD sangat sering digunakan dalam aplikasi praktis.
Aplikasi PID: Kontrol Loop Tertutup untuk motor DC Brushless