آموزش و مشاوره:  |  فروش و اجرا: 43 59 361 0919  |  33 59 361 0919

ایمیل ramacontrol.co@gmail.com

ساعت کاری 8 تا 17

کنترل کننده پی آی دی

راما کنترل > وبلاگ ما > همه مقالات آموزشی > کنترل کننده پی آی دی
کنترل کننده پی آی دی(PID CONTROLER)

کنترل کننده PID چیست؟

کنترلر پی آی دی (PID CONTROLLER)یک الگوریتم کنترلی متداول است که در کاربردهای صنعتی و اتوماسیون صنعتی استفاده می شود.

بیش از ۹۵ % از کنترل کننده های صنعتی از نوع PID هستند.

این کنترل کننده ها برای کنترل دقیق تر پارامترهای مختلف مورد استفاده قرار می گیرند.

اغلب این روش ها برای تنظیم دما، فشار، سرعت، جریان و دیگر متغیرهای فرآیند استفاده می شوند.

به خاطر عملکرد قوی و سادگی عملکردی، این روش توسط برنامه های بزرگ صنعتی پذیرفته شده اند که در آن کنترل دقیق ترخروجی ها مهم ترین نیاز است.

ترکیبی از اعمال عملگر های تناسبی، انتگرال گیر و مشتق گیر که بیشتر به عنوان عمل PID و از این رو به عنوان کنترلر انتگرالی(Integral)–مشتقی(Derivative)- تناسبی(Proportional) شناخته می شود.

این سه ضریب پایه در هر کنترلر پی آی دی برای کاربردهای خاص به منظور رسیدن به واکنش بهینه متغیر هستند.

این کنترلر پارامتر ورودی را از سنسور که به عنوان متغیر فرآیند واقعی نامیده می شود، بدست می آورد.

همچنین خروجی خواسته شده را می پذیرد، که به عنوان متغیر تنظیم نامیده می شود و سپس آن را محاسبه و ترکیب تناسب، انتگرال و مشتق را برای محاسبه خروجی محرک، ترکیب می کند.

بلوک دیاگرام کنترل پی آی دی

روش کار کنترلر PID

سیستم کنترل معمولی نشان داده شده در شکل بالا را در نظر بگیرید که در آن متغیر فرآیند باید در یک سطح خاص حفظ شود.

فرض کنید که متغیر فرآیند، دما (سانتی گراد)است. برای اندازه گیری متغیر فرآیند (یعنی دما)، یک سنسور به کار می رود .

نقطه شروع پاسخ مطلوب این فرآیند است. فرض کنید که این فرآیند باید در ۸۰ درجه سانتی گراد حفظ شود، و سپس نقطه شروع ۸۰ درجه سانتی گراد است.

فرض کنید که دمای اندازه گیری شده از سنسور ۵۰ درجه سانتی گراد است اما نقطه تنظیم دما ۸۰ درجه سانتی گراد است.

این انحراف از مقدار واقعی از مقدار مورد نظر در الگوریتم کنترل پی آی دی منجر به تولید خروجی به محرک (در اینجا گرم کن)بسته به ترکیب واکنش های متناسب، انتگرال و مشتق می شود.

بنابراین کنترلر PID به طور پیوسته خروجی را به محرک تا زمانی که متغیر فرآیند به مقدار تعیین شده برسد تغییر می دهد و در واقع به صورت یک سیستم حلقه بسته عمل میکند.

در کنترل دستی، اپراتور ممکن است به طور دوره ای متغیر فرآیند (که باید تحت کنترل باشد مانند دما، جریان، سرعت و غیره)را بررسی کرده و متغیر کنترل را تنظیم کند (که به منظور تغییر دادن محرک ها مانند یک عنصر گرمایشی، شیر جریان، ورودی موتور و غیره). اما  در کنترل خودکار، اندازه گیری و تنظیم به طور خودکار انجام می شوند.

تمام کنترل کننده های صنعتی مدرن از نوع اتوماتیک (یا کنترل کننده های حلقه بسته)هستند، که معمولا برای تولید بهینه یک یا ترکیبی از اقدامات کنترلی بر روی آنها انجام میشود.

اقدامات کنترلی عبارتند از

  • روشن خاموش کردن کنترلر
  • کنترل کننده تناسبی
  • کنترل کننده تناسبی-انتگرالی
  • کنترل کننده تناسبی-مشتقی
  • کنترل کننده تناسبی-انتگرال-مشتق شده

در مورد کنترلر پی آی دی، دو حالت برای کنترل متغیر ممکن است، یک حالت زمانی که متغیر فرآیند کم تر از نقطه تنظیم باشد یا کاملا خاموش باشد  ویا هنگامی که متغیر فرآیند بالاتر از نقطه شروع باشد.

بنابراین، خروجی دارای نوسان در دو حالت خواهد بود. به منظور دستیابی به کنترل دقیقتر و عدم نوسانات، بیشتر صنایع از کنترل کننده  P I D (یا PI یا PD )استفاده می کنند. بیایید نگاهی به این اعمال کنترل بیندازیم.

کنترل کننده P

کنترلر تناسبی (Proportional) و یا صرفا کنترل کننده P، خروجی کنترلی متناسب با خطای فعلی را تولید می کند.

در اینجا، خطای بین نقطه تنظیم و متغیر فرآیند (یعنی e = SP – PV)است. این مقدار خطا ضربدر ضریب تناسب  (Kc) می شود وپاسخ خروجی را تعیین می کند، یا به عبارت دیگر بهره تناسبی، نسبت واکنش خروجی متناسب به مقدار خطا را تعیین می کند.

برای مثال، مقدار خطا برابر با ۲۰ است و  Kcبرابر 4 است آنگاه پاسخ تناسب ۸۰ خواهد بود.

اگر مقدار خطا صفر باشد، خروجی کنترلر یا پاسخ صفر خواهد بود. سرعت پاسخ (واکنش گذرا)با افزایش مقدار بازدهی تناسب افزایش می یابد.

با این حال، اگر Kc فراتر از دامنه نرمال افزایش یابد، متغیر فرآیند دارای نوسان در نرخ بالاتر است و باعث ناپایداری سیستم خواهد شد.

کنترل کننده Pکنترل کننده P

اگرچه کنترل کننده P، پایداری متغیر فرآیند را با سرعت خوب پاسخ فراهم می کند،با این حال همیشه یک خطا بین نقطه تنظیم و متغیر فرآیند واقعی وجود خواهد داشت.

در  اکثر موارد، این کنترل کننده همراه با تنظیم یا بایاس دستی به منظور کاهش خطا در زمانی که تنها استفاده می شود، ارایه می شود. با این حال، وضعیت خطای صفر را نمی توان با این کنترلر به دست آورد.

از این رو همیشه یک خطای حالت پایدار در واکنش کنترل کننده تناسبی وجود خواهد داشت.

کنترل کننده I

کنترلر انتگرالی(Integral) یا کنترل کننده I عمدتا برای کاهش خطای حالت پایدار سیستم مورد استفاده قرار می گیرد.

این کنترلر، انتگرال عبارت خطا را در طول یک دوره زمانی با هم ترکیب می کند تا زمانی که خطا صفر شود.

این امر نشان می دهد که حتی یک مقدار خطای کوچک منجر به تولید پاسخ انتگرالی بالایی خواهد شد.

در حالت خطای صفر، خروجی دستگاه کنترل نهایی را در آخرین مقدار خود به منظور حفظ خطای حالت پایدار صفر نگه می دارد، اما در مورد کنترلر P، خروجی صفر میشود زمانی که خطا صفر باشد.کنترلر I

اگر این خطا منفی باشد، پاسخ انتگرالی کاهش خواهد یافت. سرعت پاسخ کنداست (یعنی به آرامی پاسخ می دهد)زمانی که تنها کنترلرI استفاده می شود، اما پاسخ حالت پایدار را بهبود می بخشد. با کاهش مقدار انتگرال، سرعت پاسخ افزایش می یابد.

برای بسیاری از کاربردها، کنترل های تناسبی و انتگرالی برای رسیدن به سرعت خوب پاسخ (در مورد کنترل کننده P)و پاسخ حالت پایدار بهتر (در مورد کنترلر I)ترکیب می شوند.

اغلب کنترل کننده های PI در عملیات صنعتی به منظور بهبود حالت گذرا و نیز واکنش های حالت پایدار استفاده می شوند.

پاسخ های  کنترل I، کنترل p و کنترل PI در شکل زیر نشان داده می شوندکنترلر PI

نمودار پاسخ کنترلر PI

کنترل کننده D

در یک کنترل کننده مشتق(Derivative) یا کنترل کننده Dمشاهده می کنید که چگونه متغیر فرآیند سریع در واحد زمان تغییر می کند و خروجی متناسب با نرخ تغییر را تولید می کند.

خروجی مشتق شده با نرخ تغییر خطای ضرب شده دریک ثابت مشتق برابر است. از کنترل کننده D زمانی استفاده می شود که متغیر پردازنده با سرعت بالا تغییر کند.

در چنین مواردی، کنترل کننده D ابزار کنترل نهایی (مانند شیر کنترل یا موتور)را در چنین مسیری حرکت می دهد تا تغییر سریع یک متغیر فرآیند را خنثی کند.

لازم به ذکر است که کنترلر D به تنهایی نمی تواند برای هر کاربرد کنترلی مورد استفاده قرار گیرد.کنترلر D

این نوع کنترلر سرعت واکنش را افزایش می دهد و در واقع رفتار آینده خطا را پیش بینی می کند.و از نوسانات سیستم جلوگیری می نماید.

در بیشتر کنترل کننده های پی آی دی ، پاسخ کنترل D فقط به متغیر فرآیند، به جای خطا بستگی دارد.

این امر از نوسانات شدید در خروجی (یا افزایش ناگهانی خروجی)در حالت تغییر ناگهانی توسط اپراتور جلوگیری می کند.

در بسیاری از کنترل‌کننده‌ها به علت حساسیت عبارتِ مشتق نسبت به نویز و دشواری اجرا، از آن صرف نظر و کنترل را به صورت PI پیاده‌سازی می‌کنند چون واکنش مشتق بسیار حساس به نویز موجود در متغیر فرآیند است که منجر به تولید خروجی بسیار بالا حتی برای مقدار کمی نویز می شود.کنترلر PID

ترکیب کنترلر های I ,P و D

بنابراین، با ترکیب پاسخ های کنترل تناسبی، انتگرال و مشتق، یک کنترلر پی ای دی شکل می گیرد.

یک کنترلر پی آی دی ، کاربرد جهانی دارد؛ با این حال، شخص باید تنظیمات پی ای دی را بداند و آن را به درستی برای تولید خروجی مطلوب تنظیم کند.

تنظیم به معنی فرآیند دریافت پاسخ ایده آل از کنترلر PID با تعیین دستاوردهای بهینه پارامترهای تناسب، انتگرال و مشتق می باشد.

به طور خلاصه اثر تغییر پارامترهای مختلف یک کنترل‌کننده پی ای دی ضریبK p سرعت سیستم را افزایش می‌دهد و خطای حالت دائم را تا حدودی کاهش می‌دهد (اما صفر نمی‌کند).

افزودن جمله انتگرالی K i خطای حالت دائم را صفر می‌کند، اما مقدار زیادی نوسانات ناخواسته (overshoot) به پاسخ گذرا اضافه می‌نماید.

وضریب  K d نوسانات پاسخ گذرا را تضعیف کرده و پاسخ پله را به شکل پله ایده‌آل نزدیک می‌نماید.منحنی کنترلر PID

روش های مختلفی برای تنظیم کنترل کننده پی آی دی و یافتن ضرایب برای پاسخ مطلوب وجود دارد.

برخی از این روش ها شامل آزمایش و خطا، روش بررسی منحنی واکنش فرآیند و روش زیگلر-نیکولس است.

بیشتر روش های زیگلر نیکولس و روش های آزمون و خطا برای محاسبه ضرایب پی آی دی در میان عموم مورد استفاده قرار می گیرند.

به خاطر سادگی ساختار کنترل کننده، کنترل کننده های PID برای انواع مختلفی از فرآیندها قابل اجرا هستند .

و همچنین می تواند برای هر فرآیند، حتی بدون دانستن مدل ریاضی دقیق فرآیند، تنظیم شوند .

برخی از برنامه های کاربردی این کنترلر عبارتند از

  • کنترل سرعت موتور
  • کنترل دما
  • کنترل فشار
  • کنترل جریان
  • کنترل سطح مایع و غیره.

انواع کنترل کننده های پی آی دی

انواع مختلفی از کنترل کننده های PID موجود در بازار امروزی وجود دارد.  که می تواند برای تمام نیازهای کنترل صنعتی مانند سطح، جریان، دما و فشار مورد استفاده قرار گیرد.پی آی دی کنترلر شرکت یوکوگاوا

برخی از این کنترل کننده ها که به صورت یک دستگاه مستقل عمل میکنند شامل

  • کنترل کننده های دمای یوکوگاوا(Yokogava )
  • کنترلر پی ای دی Honeywell PID
  • تنظیم خودکار پی ای دی امگا(OMEGA)
  • کنترل پی ای دی  PID A b b
  • کنترلر  Siemens  PID

اغلب کاربردهای این روش کنترل در پی ال سی ها (پی ال سی چیست؟)استفاده می شوند. بلوک های PID در درون پی ال سی ها هستند و گزینه های پیشرفته برای یک کنترل دقیق را ارایه می دهند.

پی ال سی ها باهوش تر و قدرتمندتر از کنترل کننده های مستقل هستند و کار را آسان تر می کنند.

هر پی ال سی دارای بلوک پی آی دی در نرم افزار برنامه نویسی اش می باشد، چه در پی ال سی های زیمنس چه دلتا، ABB ، امرسون، AB وانواع دیگر این کنترلر وجود دارد.

شکل زیر نمودار PID یک پی ال سی شرکت AB را وهمچنین پنجره راه اندازی آن را نشان می دهد.

شکل زیر کنترلر PID را با استفاده از نرم افزار LAB VIEWنشان می دهد:پی آی دی در LAB VIEW

توجه شما را به ویدیویی آموزشی که گروه راما کنترل برای آشنایی با پی آی دی (PID) کنترلرها و کاربردهای این کنترلر ها در صنعت آماده کرده جلب میکنم.

لینک ویدیو در آپارات

لینک ویدیو در تماشا

پاسخی بگذارید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

No Favorites Has Been Added!