کنترلر PID چیست؟
کنترلر PID وسیله ای است که در دستگاه‌ها و سیستم‌های صنعتی برای کنترل متغییرهایی نظیر فشار، قدرت، ارتفاع، دما، سرعت و متغییرهای دیگر در فرایندهای صورت گرفته مورد استفاده قرار میگیرد. این کنترلر از موارد بسیار محبوب و رایج برای استفاده در صنعت می‌باشد. کنترلرهای PID از دقت عملکرد بالایی برخوردارند و در عین سادگی مشکلات کمتری نسبت به موارد مشابه خود دارند. کنترلر PID یک پروسه کنترل حلقه بسته است و در بسیاری از موارد مانند کنترل سرعت موتورهای dc و تنظیم دمای کوره‌ها در صنعت از آن‌ها استفاده می‌شود، و از دقیقترین و قابل اطمینان‌ترین انواع کنترلرها هستند.
کنترل دستی
در صورت نبود کنترلرهای خودکار، مجبور هستیم که تمام تنظیمات و تغییرهای ضروری در فرایندها را به صورت دستی انجام دهیم. مثلا برای تنظیم دمای یک کوره و ثابت نگه داشتن آن، مجبور هستیم دائما به دماسنج نگاه کنیم. درصورت بالا رفتن دما مقدار گاز ورودی را کم کنیم و اگر کوره سرد شد، باید شیر گاز را زیاد کنیم تا دما بالا برود. این کار یک فرایند ساده است که در عین سادگی زمان زیادی میگیرد، از دقت خوبی برخوردار نیست. و منجر به ایجاد نوسان در تنظیمات متغییر می‌شود. این نوسانات بر کیفیت نتیجه کار تاثیر منفی می‌گذارد. در نتیجه خروجی نامطلوبی خواهیم داشت. در این روش از کنترل برای هر متغییر نیاز به نیروی انسانی تمام وقت و صرف هزینه بالا می‌باشد. اما می‌توان از یک روش جایگزین با صرف هزینه کمتر و دقت بالاتر استفاده نمود. بنابراین کنترلرهای خودکار جایگزین مناسبی هستند.
کنترل خودکار
برای گرفتن نتیجه بهتر با دقت بالاتر، صرف هزینه و نیروی کمتر، نیاز به یک کنترلر خودکار داریم. برای داشتن یک کنترلر خودکار باید تمام اجزای آن کامل و در جای خود قرار گیرند. مثلا در مثال بالا برای کوره نیاز به یک دماسنج الکترونیکی، یک شیر گاز اوتومات و یک محرک حساس به دما با قابلیت تنظیم داریم. کنترلر PID مخفف کلمات تناسبی _ مشتقی _ انتگرالی می‌باشد. و یک نوع کنترلر خودکار محسوب می‌شود. در صورت استفاده از آن دارای نقطه عملکرد می‌باشد که می‌توانیم دمای مورد نظر کوره خود را روی آن تنظیم کنیم. سپس قسمت کنترل کننده خروجی را که شیر گاز را کنترل می‌کند تنظیم و در نهایت دماسنج الکترونیکی را نصب می‌کنیم.
در ادامه اپراتور کافی است تنظیمات مورد نظر برای عملکرد کنترلر را برای آن تعریف کند. سپس کوره را روشن می‌کنیم. با بالارفتن دمای کوره، دماسنج الکترونیکی میزان دما را نشان می‌دهد، قبل از اینکه دمای کوره به بالاتر از حد مورد نیاز برسد، کنترلر میزان ورودی گاز را پایین می‌آورد. و قبل از آنکه دما به پایینتر از حد مطلوب برسد، میزان گاز ورودی را افزایش می‌دهد. اینگونه با یک کنترل دقیق بهترین خروجی، با کمترین نوسان در عملکرد حاصل می‌شود که نتیجه استفاده از کنترلر خودکار است.
سیستم کنترل
ما تفاوت کنترل دستی با خودکار را توضیح دادیم و گفتیم که کنترلر PID یک نوع خودکار است. اما برای درک مطلب ابتدا بهتر است با چند مفهوم در دنیای کنترل آشنا شویم.
فیدبک
در یک سیستم کنترل به خروجی یا نتیجه خارج شده از سیستم سیگنال فیدبک می‌گوییم. اما فیدبک به معنی اضافه کردن مقدار کمی از خروجی به ورودی سیستم است. اینکار برای کنترل بهتر سیستم صورت میگیرد.
سیستم حلقه باز
سیستم کنترل حلقه باز سیستمی است که روی خروجی آن هیچ کنترلی صورت نمی‌گیرد. از خروجی آن برای فیدبک استفاده نمی‌شود. در واقع در این سیستم ما یک خروجی متغییر، وابسته به ورودی خود را داریم و قابلیت ایجاد تنظیمات خروجی را ندارد. معمولا این سیستم‌ها خروجی از قبل تعیین شده دارند و طبق همان عمل خواهند کرد.
سیستم حلقه بسته
سیستم کنترل حلقه بسته وابسته به فیدبک است. یعنی در این نوع سیستم از مقداری از خروجی برای مقایسه با نتیجه مطلوب استفاده می‌شود. این سیستم قابلیت کنترل کامل و دقیق را روی خروجی دارا است. هدف این سیستم رساندن اختلاف خروجی با نتیجه مطلوب به حداقل ممکن است.
سیگنال خطا
در سیستم حلقه بسته به اختلاف خروجی سیستم با نتیجه مطلوب واقعی سیگنال خطا می‌گویند.
کنترلر PID دیجیتال
کنترل کننده های PID در طیف وسیعی از کاربردها برای کنترل فرآیندهای صنعتی یافت می‌شوند. تقریباً 95٪ از عملیات حلقه بسته بخش اتوماسیون صنعتی از کنترل کننده‌های PID دیجیتال استفاده می‌کنند. قبل از اختراع ریزپردازنده‌ها، کنترل PID توسط قطعات الکترونیکی آنالوگ اجرا می‌شد. اما امروزه بیشتر کنترل کننده‌های PID توسط ریزپردازنده‌ها پردازش می‌شوند که به آن‌ها کنترلر PID دیجیتال می‌گویند.
کنترل کننده on / off
گاهی اوقات، عنصر کنترل فقط دو موقعیت دارد یا کاملاً بسته است یا کاملاً باز است. این عنصر کنترلی در هیچ موقعیت میانی یعنی نیمه باز یا نیمه بسته عمل نمی‌کند. سیستم کنترل ساخته شده برای کنترل چنین عناصری به عنوان تئوری کنترل روشن-خاموش شناخته می شود .
کنترل کننده حد
کنترل کننده حد یک نوع خاص از کنترل کننده ON/OFF است که از یک رله چفت کننده استفاده می‌کند. این رله به صورت دستی تنظیم مجدد می‌شود و برای خاموش کردن یک سیستم پس از رسیدن به دمای معین استفاده می‌شود.
عملکرد کنترلر PID
کنترل کننده PID خروجی را به گونه ای حفظ می‌کند 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 می‌کند که در زیر توضیح می‌دهیم:
کنترلر متناسب یا P
این کنترلر یک خروجی متناسب با خطای فعلی را ارائه می‌دهد. نقطه تنظیم یا مورد نظر را با مقدار واقعی یا ارزش فرآیند فیدبک مقایسه می‌کند. سیگنال خطای حاصل با یک ثابت متناسب ضرب می‌شود تا خروجی به دست آید. اگر مقدار سیگنال خطا صفر باشد، این خروجی کنترل کننده صفر است. یعنی نتیجه خروجی کاملا مطابق با نتیجه ایده‌آل است. این کنترلر در صورت استفاده به تنهایی نیاز به بایاسینگ یا تنظیم مجدد دستی دارد. این به این دلیل است که هرگز به حالت پایدار نمی‌رسد. عملکرد پایدار را فراهم می‌کند اما همیشه سیگنال خطای حالت پایدار را حفظ می‌کند.
کنترلر انتگرال یا I و PI
با توجه به محدودیت کنترل کننده p در جایی که همیشه بین متغیر فرآیند، و نقطه تنظیم یک افت وجود دارد، کنترل کننده I مورد نیاز است، که اقدامات لازم را برای حذف خطای حالت پایدار فراهم می‌کند. این خطا را در یک دوره زمانی ادغام می‌کند تا زمانی که مقدار خطا به صفر برسد. هنگامی که یک خطای منفی رخ می‌دهد، کنترل یکپارچه خروجی خود را کاهش می‌دهد. سرعت پاسخگویی را محدود می‌کند و بر پایداری سیستم تأثیر می‌گذارد. سرعت پاسخ با کاهش بهره انتگرال، افزایش می‌یابد. در بیشتر موارد، کنترل کننده PI به ویژه در مواردی که نیاز به پاسخ با سرعت بالا نیست استفاده می‌شود. هنگام استفاده از کنترل کننده PI، خروجی کنترلر I به مقداری محدود می‌شود تا بر شرایط افزلیش انتگرال غلبه کند که در آن خروجی انتگرال حتی در حالت خطای صفر به دلیل غیرخطی بودن افزایش می‌یابد.
کنترلر مشتق یا D
کنترلر I توانایی پیش بینی رفتار خطا در آینده را ندارد. بنابراین هنگامی که نقطه تنظیم تغییر می‌کند، به طور معمول واکنش نشان می‌دهد. کنترل کننده D با پیش بینی رفتار آینده خطا بر این مشکل غلبه می‌کند. خروجی آن به نرخ تغییر خطا نسبت به زمان، ضرب در ثابت مشتق بستگی دارد. که از خروجی آغاز می‌شود و در نتیجه پاسخ سیستم را افزایش می‌دهد. پاسخ کنترلرD نسبت به کنترل کننده PI بیشتر است و همچنین زمان خروجی کاهش می‌یابد. با جبران تاخیر فاز ناشی از کنترلر I، پایداری سیستم را بهبود می‌بخشد. افزایش بهره مشتق باعث افزایش سرعت پاسخ می‌شود. بنابراین در نهایت به این نتیجه می‌رسیم که با ترکیب این سه کنترلر می‌توانیم پاسخ مورد نظر را برای داشتن یک خروجی مناسب از سیستم به دست آوریم.
انواع کنترلر PID
کنترلرهای PID به چند نوع کنترل کننده مختلف دسته بندی می‌شوند. این کنترلرها بر اساس سیستم کنترل استفاده می‌شوند. و کاربر می‌تواند از کنترلر برای تنظیم روش استفاده کند. کنترل کننده on/off و همچنین کنترل کننده حد نیز دونوع از کنترلر PID هستند که در بالا توضیح دادیم. دو نوع دیگر کنترلر PID نیز عبارتند از:
کنترل متناسب
این نوع کنترل برای حذف چرخه‌ای که از طریق کنترل ON/OFF متصل می‌شود طراحی شد. مثلا در یک بخاری برقی ، کنترل‌کننده PID پس از رسیدن دما به نقطه ثابت، برق معمولی را که به بخاری عرضه می‌شود، کاهش می‌دهد. این کنترلر یک ویژگی برای کنترل بخاری دارد، اینکه از نقطه ثابت تجاوز نکند، اما برای حفظ دمای ثابت به نقطه ثابت برسد. این عمل تناسب را می‌توان 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 می‌دهد.
کنترلر PID استاندارد
این نوع از کنترل کننده PID کنترل متناسب را از طریق کنترل انتگرال و مشتق ادغام می‌کند 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 می‌شوند. در این کنترل‌کننده‌ها 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 پایدارترین کنترل را در بین انواع کنترل کننده ارائه می‌دهند.
نتیجه
برای کنترل دستگاه‌ها و سیستم‌های صنعتی نمی‌توان به کنترل دستی تکیه کرد. زیرا نیاز به دقت و صرف انژی زیادی دارند و نتیجه مطلوبی نیز حاصل نمی‌شود. بهترین راه‌کار استفاده از کنترل خودکار است. کنترلر PID یکی از انواع کنترل کننده‌های خودکار است که امروزه بیشترین کاربرد را درصنعت دارد. دقت بالا، قابل اطمینان بودن، انعطاف پذیری، مشکلات کمتر و سادگی کار با آن‌ها باعث محبوبیت بالا و استفاده گسترده کنترلر PID شد. به طوری که در ۹۵ درصد موارد برای کنترل متغییرهایی مانند سرعت، دما، فشار، ارتفاع و …. از کنترلر PID استفاده می‌شود.
در این مقاله سعی کردیم شما را با کنترلر PID و نحوه عملکرد آن آشنا کنیم. همچنین انواع کنترل PID و خصوصیات هر کدام را مورد بررسی قرار دادیم.
اولین دیدگاه را اضافه کنید.