کنترلر PID مخفف کلمه Proportional Integral Derivative و ابزاری است که در کاربردهای کنترل صنعتی برای تنظیم دما، جریان، فشار، سرعت و سایر متغیرهای فرآیند استفاده می شود. کنترل کننده های PID (مشتق، انتگرال، تناسب) از مکانیزم بازخورد حلقه کنترل برای کنترل متغیرهای فرآیند استفاده می کنند و دقیق ترین و پایدارترین کنترل کننده هستند. پرگاس الکتریک در این مقاله قصد دارد در مورد ساختار و عملکرد کنترلر PID توضیحاتی دقیق ارائه دهد.
کنترل دمای دسته صنعتی بهترین مثال برای درک کنترلرهای PID است. کنترل گرمای دسته ای صنعتی در سیستم بسته انجام می شود و مکانیزمی برای حفظ حرارت ثابت در داخل سیستم ندارند. بنابراین، PID ها برای کنترل تامین گرما و ایجاد اثر خالص تمام عملیات از نظر تجاری و اقتصادی استفاده می شود. همین پدیده در مورد اجاقهای برقی نیز اعمال میشود، جایی که برای پخت و پز به حرارت دقیق نیاز داریم.
کنترل PID یک روش ثابت برای هدایت یک سیستم به سمت یک موقعیت یا سطح هدف است. به عنوان وسیله ای برای کنترل دما عملاً در همه جا حاضر است و در فرآیندهای شیمیایی و علمی بی شمار و همچنین اتوماسیون کاربرد دارد. کنترل PID از بازخورد کنترل حلقه بسته استفاده می کند تا خروجی واقعی یک فرآیند را تا حد ممکن نزدیک به هدف یا خروجی نقطه تنظیم نگه دارد.
کنترل کننده دمای PID چیست؟
همانطور که از نامش پیداست، کنترل کننده دمای PID، ابزاری است که برای کنترل دما، عمدتاً بدون دخالت گسترده اپراتور استفاده می شود. یک کنترل کننده PID در یک سیستم کنترل دما یک سنسور دما مانند ترموکوپل یا RD را به عنوان ورودی می پذیرد و دمای واقعی را با دمای کنترل یا نقطه تنظیم مورد نظر مقایسه می کند. سپس یک خروجی به یک عنصر کنترلی ارائه می دهد.
تاریخچه کنترلر PID
در سال 1911 اولین کنترلر PID توسط Elmer Sperry ساخته شد. پس از آن، TIC (شرکت ابزاری تیلور) یک کنترلر پنوماتیک سابق با قابلیت تنظیم کامل در سال 1933 پیاده سازی شد. پس از چند سال، مهندسان کنترل، خطای حالت پایدار را که در کنترلکنندههای تناسبی یافت میشود، از طریق تنظیم مجدد انتهای به مقداری نادرست حذف کردند تا زمانی که خطا صفر نشد.
این تنظیم مجدد شامل خطایی است که به عنوان کنترلر انتگرال متناسب شناخته می شود. پس از آن، در سال 1940، اولین کنترل کننده PID پنوماتیک از طریق یک اقدام مشتق برای کاهش مشکلات overshooting توسعه یافت.
در سال 1942، Ziegler & Nichols قوانین تنظیم را برای کشف و تنظیم پارامترهای مناسب کنترلرهای PID توسط مهندسان معرفی کردند. سرانجام، کنترل کننده های خودکار PID در اواسط سال 1950 به طور گسترده در صنایع مورد استفاده قرار گرفتند.
بلوک دیاگرام کنترل کننده PID
یک سیستم حلقه بسته مانند یک کنترل کننده PID شامل یک سیستم کنترل بازخورد است. این سیستم متغیر بازخورد را با استفاده از یک نقطه ثابت برای تولید سیگنال خطا ارزیابی می کند. بر این اساس، خروجی سیستم را تغییر می دهد. این روش تا زمانی که خطا به صفر برسد ادامه خواهد داشت در غیر این صورت مقدار متغیر بازخورد معادل یک نقطه ثابت می شود.
این کنترلر نتایج خوبی را در مقایسه با کنترل کننده نوع ON/OFF ارائه می دهد. در کنترل کننده نوع ON/OFF، به سادگی دو شرط برای مدیریت سیستم قابل دستیابی است. هنگامی که مقدار فرآیند از نقطه ثابت کمتر شد، آنگاه روشن می شود. به طور مشابه، زمانی که مقدار بالاتر از مقدار ثابت باشد، خاموش می شود. خروجی در این نوع کنترل کننده پایدار نیست و به طور مکرر در ناحیه نقطه ثابت نوسان می کند. با این حال، این کنترلر در مقایسه با کنترل کننده نوع ON/OFF، ثابت و دقیق تر است.
عملکرد کنترلر PID
با استفاده از یک کنترل کننده ساده ON-OFF کم هزینه، تنها دو حالت کنترل امکان پذیر است، مانند کاملاً روشن یا کاملاً خاموش. این برای یک برنامه کنترل محدود استفاده می شود که در آن این دو حالت کنترل برای هدف کنترل کافی است. با این حال ماهیت نوسانی این کنترل استفاده از آن را محدود می کند و از این رو با کنترل کننده های PID جایگزین می شود.
کنترل کننده PID خروجی را به گونه ای حفظ می کند که خطای صفر بین متغیر فرآیند و نقطه تنظیم/خروجی مورد نظر توسط عملیات حلقه بسته وجود داشته باشد.
PID از سه رفتار کنترلی اساسی استفاده می کند که در زیر توضیح داده شده است.
P- Controller
کنترلر متناسب یا P خروجی متناسب با خطای فعلی e (t) می دهد. نقطه تنظیم یا مورد نظر را با مقدار واقعی یا ارزش فرآیند بازخورد مقایسه می کند. خطای حاصل با یک ثابت متناسب ضرب می شود تا خروجی بدست آید. اگر مقدار خطا صفر باشد، خروجی این کنترلر صفر است.
این کنترلر در صورت استفاده به تنهایی نیاز به تنظیم مجدد دستی دارد. این به این دلیل است که هرگز به حالت پایدار نمی رسد. عملکرد پایدار را فراهم می کند اما همیشه خطای حالت پایدار را حفظ می کند. سرعت پاسخ زمانی افزایش می یابد که ثابت متناسب Kc افزایش یابد.
I-Controller
با توجه به محدودیت کنترلکننده p که همیشه بین متغیر فرآیند و نقطه تنظیم یک افست وجود دارد، کنترلکننده I مورد نیاز است که اقدامات لازم را برای حذف خطای حالت پایدار فراهم میکند. این خطا را در یک دوره زمانی ادغام می کند تا زمانی که مقدار خطا به صفر برسد. این مقدار را برای دستگاه کنترل نهایی نگه می دارد که در آن خطا صفر می شود.
کنترل کننده PI
هنگامی که یک خطای منفی رخ می دهد، کنترل یکپارچه خروجی خود را کاهش می دهد. سرعت پاسخگویی را محدود می کند و بر پایداری سیستم تأثیر می گذارد. سرعت پاسخ با کاهش بهره انتگرال، Ki افزایش می یابد.
D-Controller
کنترلر I توانایی پیش بینی رفتار خطا در آینده را ندارد. بنابراین زمانی که نقطه تنظیم تغییر کرد به طور معمول واکنش نشان می دهد D-کنترل کننده با پیش بینی رفتار آینده خطا بر این مشکل غلبه می کند. خروجی آن به نرخ تغییر خطا نسبت به زمان، ضرب در ثابت مشتق بستگی دارد. این به خروجی شروع می کند و در نتیجه پاسخ سیستم را افزایش می دهد.
در پاسخ شکل فوق D کنترلر نسبت به کنترل کننده PI بیشتر است و همچنین زمان ته نشینی خروجی کاهش یافته است. با جبران تاخیر فاز ناشی از کنترلر I، پایداری سیستم را بهبود می بخشد. افزایش بهره مشتق باعث افزایش سرعت پاسخ می شود.
پاسخ کنترل کننده PID
بنابراین در نهایت مشاهده کردیم که با ترکیب این سه کنترلر می توان پاسخ مورد نظر را برای سیستم به دست آورد. سازندگان مختلف الگوریتم های مختلف PID را طراحی می کنند.
انواع کنترلر PID
کنترلرهای PID به سه نوع کنترل کننده روشن/خاموش، تناسبی و استاندارد دسته بندی می شوند. این کنترلرها بر اساس سیستم کنترل استفاده می شوند، کاربر می تواند از کنترلر برای تنظیم روش استفاده کند.
کنترل روشن/خاموش
روش کنترل روشن و خاموش ساده ترین نوع دستگاهی است که برای کنترل دما استفاده می شود. خروجی دستگاه ممکن است بدون حالت مرکزی روشن/خاموش باشد. این کنترلر به سادگی زمانی که دما از نقطه ثابت عبور کرد، خروجی را روشن می کند. کنترلکننده حد یک نوع خاص از کنترلکننده روشن/خاموش است که از یک رله چفتکننده استفاده میکند. این رله به صورت دستی تنظیم مجدد می شود و برای خاموش کردن یک روش پس از رسیدن به دمای معین استفاده می شود.
کنترل متناسب
این نوع کنترل برای حذف چرخه ای طراحی شده است که از طریق کنترل ON/OFF متصل می شود. هنگامی که دما به نقطه ثابت برسد، این کنترلر PID، برق معمولی را که به بخاری عرضه می شود کاهش می دهد.
این کنترلر یک ویژگی برای کنترل بخاری دارد تا از نقطه ثابت تجاوز نکند اما برای حفظ دمای ثابت به نقطه ثابت برسد.
این عمل تناسب را می توان از طریق روشن و خاموش کردن خروجی برای دوره های زمانی کوچک به دست آورد. این تناسب زمانی نسبت را از زمان روشن به زمان خاموش برای کنترل دما تغییر می دهد.
کنترلر PID نوع استاندارد
این نوع از کنترل کننده PID کنترل متناسب را از طریق کنترل انتگرال و مشتق ادغام می کند تا به طور خودکار به واحد کمک کند تا تغییرات درون سیستم را جبران کند. این تغییرات، انتگرال و مشتق در واحدهای مبتنی بر زمان بیان می شوند.
این کنترلکنندهها به ترتیب از طریق Reciprocal، RATE و RESET نیز ارجاع میشوند. شرایط PID باید به طور جداگانه تنظیم شود در غیر این صورت با یک سیستم خاص با آزمون و خطا تنظیم شود. این کنترلرها دقیق ترین و ثابت ترین کنترل را در بین 3 نوع کنترل کننده ارائه می دهند.
کنترلرهای زمان واقعی PID
در حال حاضر انواع مختلفی از کنترلرهای PID در بازار موجود است. این کنترل کننده ها برای الزامات کنترل صنعتی مانند فشار، دما، سطح و جریان استفاده می شوند. هنگامی که این پارامترها از طریق PID کنترل می شوند، انتخاب ها شامل استفاده از یک کنترل کننده PID جداگانه یا یکی از PLC ها می شود.
این کنترلکنندههای مجزا در هر جایی که نیاز به بررسی یک حلقه در غیر این صورت دو حلقه و همچنین کنترل در شرایطی که در سمت راست ورود از طریق سیستمهای بزرگتر پیچیده باشد، استفاده میشوند.
این دستگاه های کنترلی گزینه های مختلفی را برای کنترل حلقه انفرادی و دوقلو ارائه می دهند. کنترلرهای PID نوع مستقل چندین پیکربندی نقطه ثابت را برای تولید چندین آلارم مستقل ارائه می کنند.
این کنترلکنندههای مستقل عمدتاً شامل کنترلکنندههای PID از Honeywell، کنترلکنندههای دما از Yokogawa، کنترلکنندههای autotune از کنترلکنندههای OMEGA، Siemens و ABB هستند.
PLC ها مانند کنترل کننده های PID در اکثر برنامه های کاربردی کنترل صنعتی استفاده می شوند. چیدمان بلوک های PID می تواند در داخل PAC یا PLC انجام شود تا انتخاب های برتر برای کنترل دقیق PLC ارائه شود. این کنترلرها در مقایسه با کنترلرهای جداگانه هوشمندتر و همچنین قدرتمندتر هستند. هر PLC شامل بلوک PID در برنامه نویسی نرم افزار است.
روش های تنظیم
قبل از اینکه کار کنترلر PID انجام شود، باید مطابق با پویایی فرآیندی که باید کنترل شود تنظیم شود. طراحان مقادیر پیشفرض را برای عبارتهای P، I و D میدهند و این مقادیر نمیتوانند عملکرد مطلوب را ارائه دهند و گاهی منجر به بیثباتی و کندی عملکرد کنترل میشوند. انواع مختلفی از روشهای تنظیم برای تنظیم کنترلکنندههای PID توسعه داده شدهاند و نیاز به توجه زیادی از سوی اپراتور برای انتخاب بهترین مقادیر بهرههای متناسب، انتگرال و مشتق دارد. برخی از این موارد در زیر آورده شده است.
کنترلرهای PID در بیشتر کاربردهای صنعتی مورد استفاده قرار میگیرند، اما باید تنظیمات این کنترلکننده را دانست تا به درستی آن را برای تولید خروجی ترجیحی تنظیم کند. در اینجا، تنظیم چیزی نیست جز روش دریافت یک پاسخ ایدهآل از کنترلکننده از طریق تنظیم بهترین سودهای متناسب، عوامل انتگرال و مشتق.
خروجی مورد نظر کنترلر PID را می توان با تنظیم کنترلر بدست آورد. تکنیک های مختلفی برای دریافت خروجی مورد نیاز از کنترلر وجود دارد مانند آزمون و خطا، زایگلر-نیکولز و منحنی واکنش فرآیند. متداول ترین روش ها آزمون و خطا، Zeigler-Nichols و غیره هستند.
روش آزمون و خطا: این یک روش ساده برای تنظیم کنترلر PID است. در حالی که سیستم یا کنترلر کار می کند، می توانیم کنترلر را تنظیم کنیم. در این روش ابتدا باید مقادیر Ki و Kd را صفر کنیم و عبارت متناسب (Kp) را افزایش دهیم تا سیستم به رفتار نوسانی برسد. هنگامی که نوسان شد، Ki (اصطلاح انتگرال) را طوری تنظیم کنید که نوسانات متوقف شود و در نهایت D را تنظیم کنید تا پاسخ سریع دریافت کنید.
تکنیک منحنی واکنش فرآیند: این یک تکنیک تنظیم حلقه باز است. هنگامی که یک ورودی مرحله ای به سیستم اعمال می شود، پاسخی تولید می کند. در ابتدا باید مقداری خروجی کنترل را به صورت دستی به سیستم اعمال کنیم و منحنی پاسخ را ثبت کنیم.
پس از آن، باید شیب، زمان مرده، زمان افزایش منحنی را محاسبه کنیم و در نهایت این مقادیر را در معادلات P، I و D جایگزین کنیم تا مقادیر بهره ترم های PID را بدست آوریم.
ساختار کنترل کننده PID
کنترل کننده PID از سه عبارت کنترل متناسب، انتگرال و مشتق تشکیل شده است. عملکرد ترکیبی این سه کنترل کننده یک استراتژی کنترلی برای کنترل فرآیند ارائه می دهد. کنترل کننده PID متغیرهای فرآیند مانند فشار، سرعت، دما، جریان و غیره را دستکاری می کند. برخی از برنامه ها از کنترل کننده های PID در شبکه های آبشاری استفاده می کنند که در آن از دو یا چند PID برای دستیابی به کنترل استفاده می شود.
ساختار کنترل کننده PID
شکل بالا ساختار کنترل کننده PID را نشان می دهد. از یک بلوک PID تشکیل شده است که خروجی خود را به بلوک فرآیند می دهد. فرآیند / کارخانه شامل دستگاه های کنترل نهایی مانند محرک ها، شیرهای کنترل و سایر دستگاه های کنترل برای کنترل فرآیندهای مختلف صنعت / کارخانه است.
یک سیگنال بازخورد از کارخانه فرآیند با نقطه تنظیم یا سیگنال مرجع u(t) مقایسه می شود و سیگنال خطای مربوطه e(t) به الگوریتم PID تغذیه می شود. با توجه به محاسبات کنترل تناسبی، انتگرال و مشتق در الگوریتم، کنترل کننده یک پاسخ ترکیبی یا خروجی کنترل شده تولید می کند که برای دستگاه های کنترل کارخانه اعمال می شود.
همه برنامه های کنترلی به هر سه عنصر کنترلی نیاز ندارند. ترکیباتی مانند کنترلهای PI و PD اغلب در کاربردهای عملی استفاده میشوند.
برنامه های کاربردی
برنامه های کاربردی کنترل کننده PID شامل موارد زیر است.
بهترین کاربرد کنترل کننده PID، کنترل دما است که در آن کنترلر از ورودی یک سنسور دما استفاده می کند و خروجی آن می تواند به یک عنصر کنترلی مانند فن یا بخاری متصل شود. به طور کلی، این کنترل کننده به سادگی یک عنصر در یک سیستم کنترل دما است. کل سیستم باید در هنگام انتخاب کنترلر مناسب مورد بررسی قرار گیرد و همچنین در نظر گرفته شود.
کنترل دمای کوره
به طور کلی، از کوره ها برای گرم کردن و همچنین نگهداری مقدار زیادی از مواد خام در دماهای بسیار زیاد استفاده می شود. معمولاً مواد اشغال شده شامل یک توده عظیم است. در نتیجه، مقدار زیادی اینرسی نیاز دارد و دمای مواد به سرعت تغییر نمی کند حتی زمانی که گرمای زیادی اعمال می شود. این ویژگی منجر به یک سیگنال PV نسبتاً پایدار میشود و به دوره مشتق اجازه میدهد تا بدون تغییرات شدید در FCE یا CO به طور مؤثر خطا را تصحیح کند.
کنترلر شارژ MPPT
مشخصه VI یک سلول فتوولتائیک عمدتاً به محدوده دما و همچنین تابش بستگی دارد. بر اساس شرایط آب و هوایی، جریان و ولتاژ کار به طور مداوم تغییر خواهد کرد. بنابراین، ردیابی بالاترین پاورپوینت یک سیستم فتوولتائیک کارآمد بسیار مهم است. کنترل کننده PID برای یافتن MPPT با دادن نقاط ولتاژ و جریان ثابت به کنترل کننده PID استفاده می شود. هنگامی که شرایط آب و هوایی تغییر کرد، ردیاب جریان و ولتاژ را ثابت نگه می دارد.
مبدل الکترونیک قدرت
می دانیم که مبدل یکی از کاربردهای الکترونیک قدرت است، بنابراین کنترل کننده PID بیشتر در مبدل ها استفاده می شود. هر گاه مبدل از طریق یک سیستم بر اساس تغییر در بار متصل شود، خروجی مبدل تغییر خواهد کرد. به عنوان مثال، یک اینورتر با بار همراه است. جریان عظیم با افزایش بارها تامین می شود. بنابراین، پارامتر ولتاژ و جریان پایدار نیست، اما بر اساس نیاز تغییر می کند.
در این حالت، این کنترل کننده سیگنال های PWM را برای فعال کردن IGBT های اینورتر تولید می کند. بر اساس تغییر در بار، سیگنال پاسخ به کنترل کننده PID ارائه می شود تا n خطا ایجاد کند. این سیگنال ها بر اساس سیگنال خطا تولید می شوند. در این حالت می توانیم ورودی و خروجی قابل تغییر را از طریق یک اینورتر مشابه بدست آوریم.
رابط کنترل کننده PID
طراحی و رابط کنترلر PID را می توان با استفاده از میکروکنترلر آردوینو انجام داد. در آزمایشگاه، کنترل کننده PID مبتنی بر آردوینو با استفاده از برد آردوینو UNO، قطعات الکترونیکی، خنک کننده ترموالکتریک طراحی شده است، در حالی که زبان برنامه نویسی نرم افزار مورد استفاده در این سیستم C یا C++ می باشد. این سیستم برای کنترل دمای داخل آزمایشگاه استفاده می شود.
پارامترهای PID برای یک کنترل کننده خاص به صورت فیزیکی یافت می شوند. عملکرد پارامترهای مختلف PID را می توان از طریق کنتراست بعدی بین اشکال مختلف کنترلرها پیاده سازی کرد.
این سیستم رابط می تواند به طور موثر دما را از طریق خطای 0.6 ± ℃ محاسبه کند در حالی که دمای ثابت تنها از طریق یک تفاوت کوچک از مقدار ترجیحی به دست می آید. مفاهیم مورد استفاده در این سیستم، تکنیکهای ارزان و دقیقی را برای مدیریت پارامترهای فیزیکی در محدوده مطلوب در آزمایشگاه ارائه میکنند.
بنابراین، این مقاله یک نمای کلی از کنترل کننده PID را مورد بحث قرار می دهد که شامل تاریخچه، نمودار بلوک، ساختار، انواع، کار، روش های تنظیم، رابط، مزایا و برنامه های کاربردی است. امیدواریم توانسته باشیم دانش اولیه و در عین حال دقیقی در مورد کنترلرهای PID ارائه دهیم.