نمایش ها: 0 نویسنده: ویرایشگر سایت زمان انتشار: 2025-06-13 مبدا: محل
در پشت سیستم های بی شماری خودکار که بی عیب و نقص دما را تنظیم می کنند ، فشار دقیقی را حفظ می کنند ، یا یک موتور را با سرعت ثابت نگه می دارند ، یک الگوریتم ظریف و قدرتمند بی سر و صدا در کار است. این اغلب به عنوان 'اسب بخار صنعتی مدرن' توصیف می شود ، اما بسیاری از کسانی که از دقت آن بهره مند می شوند ، نحوه عملکرد آن را کاملاً درک نمی کنند. بسیاری از فرآیندهای خودکار ، در صورت عدم کنترل ، از بی ثباتی وحشی رنج می برند ، به طور مداوم اهداف خود را تحت الشعاع قرار می دهند ، یا پاسخ های لاغر و ناکارآمد را نشان می دهند. برای این چالش ها ، کنترل دستی به سادگی گزینه ای نیست.
این جایی است که متناسب-انتگرال-مشتق (الگوریتم کنترل PID) وارد می شود. تقریباً یک قرن ، این الگوریتم پرکاربردترین و قابل اعتماد برای ایجاد سیستم های اتوماتیک پایدار ، کارآمد و قابل اعتماد باقی مانده است. این راهنما این مفهوم اساسی را از بین می برد. ما دقیقاً الگوریتم کنترل PID را تجزیه خواهیم کرد ، چگونه هر یک از سه مؤلفه اساسی آن با هماهنگی کار می کنند ، چرا برای دستگاه های مدرن بسیار مهم است درایو فرکانس متغیر ، و نحوه نزدیک شدن به هنر بحرانی تنظیم برای عملکرد بهینه. درک این الگوریتم برای باز کردن سطح بالاتری از کنترل فرآیند مهم است.
برای درک الگوریتم کنترل PID ، ابتدا باید عملکرد اصلی آن را درک کنید: برای حفظ هوشمندانه با مدیریت هوشمندانه خروجی یک سیستم. این استاندارد طلا برای کنترل بازخورد حلقه بسته است.
تصور کنید که می خواهید دمای یک مخزن آب را دقیقاً در دمای 70 درجه سانتیگراد حفظ کنید. این 70 درجه سانتیگراد نقطه تنظیم شماست. یک سنسور دما در مخزن دمای جریان را فراهم می کند ، که متغیر فرآیند است. الگوریتم کنترل PID به طور مداوم یک مقدار 'خطا' را محاسبه می کند ، که به سادگی تفاوت بین SetPoint و متغیر فرآیند (خطا = SetPoint - متغیر فرآیند) است.
هدف کل الگوریتم کنترل PID دستکاری یک خروجی کنترل (مانند یک عنصر گرمایش) به گونه ای است که این خطا را به سرعت و یکدست و سریع تر به صفر می رساند. این کار را از طریق مجموع وزنی از سه عمل کنترل مجزا به دست می آورد: متناسب ، انتگرال و مشتق. الگوریتم کنترل PID شاهکار پاسخ پویا است.
اصطلاح متناسب نیروی محرک اصلی الگوریتم کنترل PID است. این یک خروجی کنترل ایجاد می کند که به طور مستقیم با اندازه خطای فعلی متناسب است.
نحوه عملکرد آن: یک خطای بزرگ منجر به یک عمل اصلاحی بزرگ می شود. یک خطای کوچک منجر به یک عمل اصلاحی کوچک می شود.
قیاس: مانند پدال گاز در ماشین خود به آن فکر کنید. هرچه سرعت فعلی شما زیر حد مجاز (نقطه تنظیم) باشد ، پدال را فشار می دهید. این عمل متناسب ، پاسخ اولیه و قوی را برای انحرافات صحیح فراهم می کند.
با این حال ، کنترل متناسب به تنهایی اغلب محدودیت دارد. در بسیاری از سیستم ها ، به جایی می رسد که عمل اصلاحی کاملاً کافی برای از بین بردن کامل خطا نیست ، در نتیجه یک خطای کوچک اما مداوم 'حالت پایدار است.' این جایی است که مؤلفه بعدی الگوریتم کنترل PID ضروری می شود.
اصطلاح انتگرال به تاریخچه خطا نگاه می کند. به طور مداوم مقدار خطا را با گذشت زمان خلاصه یا ادغام می کند.
نحوه عملکرد آن: تا زمانی که یک خطای غیر صفر ادامه یابد ، اصطلاح انتگرال به رشد خود ادامه می دهد و نیروی اصلاحی بیشتری را به خروجی اضافه می کند. این عمل به طور خاص برای از بین بردن خطای حالت پایدار که توسط کنترلر متناسب تنها به جا مانده است ، طراحی شده است.
قیاس: شما در حال حرکت به سربالایی هستید ، و پاسخ متناسب کنترل کروز شما به اندازه کافی قوی نیست تا حد مجاز را حفظ کند. ماشین با سرعت 2 مایل در ساعت در زیر نقطه تنظیم قرار می گیرد. مؤلفه انتگرال الگوریتم کنترل PID این خطای مداوم را در طی چند ثانیه متوجه می شود ، آن را جمع می کند و به موتور می گوید تا کمی قدرت بیشتری اضافه کند تا اینکه ماشین دقیقاً در حد سرعت باشد و در آنجا بماند.
عمل انتگرال دقت باورنکردنی را تضمین می کند ، اما اگر سود آن خیلی زیاد باشد ، می تواند منجر به بیش از حد نقطه تنظیم شود. اثربخشی کل الگوریتم کنترل PID به متعادل کردن این اصطلاح بستگی دارد.
اصطلاح مشتق پیشرفته ترین بخش الگوریتم کنترل PID است. به خطای فعلی یا خطاهای گذشته نگاه نمی کند. در عوض ، به میزان تغییر خطا نگاه می کند.
نحوه عملکرد آن: اصطلاح مشتق رفتار آینده خطا را پیش بینی می کند. اگر خطای خیلی سریع روی صفر بسته شود ، اصطلاح مشتق یک نیروی ترمز یا میرایی را به خروجی اعمال می کند تا از پرواز سیستم در گذشته از نقطه تنظیم جلوگیری کند.
قیاس: از آنجا که ماشین شما به سرعت به سرعت مورد نظر نزدیک می شود ، پدال گاز را به طور غریزی راحت می کنید تا از یک فرود صاف و نرم درست در هدف اطمینان حاصل کنید. قبل از رسیدن به آن ، این دقیقاً همان کاری است که اصطلاح مشتق انجام می دهد. این پاسخ را کاهش می دهد ، باعث کاهش بیش از حد و بهبود ثبات سیستم می شود.
در حالی که قدرتمند ، کنترل مشتق نسبت به اندازه گیری سر و صدای سنسورها بسیار حساس است. در سیستم هایی با بازخورد 'jumpy ' ، می تواند باعث رفتار نامنظم شود ، به همین دلیل گاهی اوقات حذف می شود و در نتیجه یک کنترلر PI ایجاد می شود. با این حال ، برای یک الگوریتم کنترل کامل PID ، این عنصر پیش بینی کننده برای عملکرد بالا مهم است.
اجرای یک الگوریتم کنترل PID خوب تنظیم شده فقط یک تمرین دانشگاهی نیست. این مزایای ملموس و قابل اندازه گیری را برای صنعت مدرن ارائه می دهد. یک الگوریتم کنترل PID به درستی اجرا شده یک تغییر دهنده بازی است.
دقت افزایش یافته: سود اصلی توانایی کاهش چشمگیر شکاف بین نقطه تعیین شده مورد نظر و متغیر فرآیند واقعی است و منجر به کیفیت محصول سازگار و عملکرد قابل اعتماد می شود. الگوریتم کنترل PID این کار را ممکن می سازد.
پایداری بهبود یافته: یک الگوریتم کنترل PID به خوبی تنظیم شده ، یک فرآیند هرج و مرج و نوسان کننده را به یک روش صاف و پایدار تبدیل می کند. این نوسانات را در غیر این صورت می تواند به تجهیزات آسیب برساند یا محصولات را خراب کند.
حفاظت از انرژی: با جلوگیری از اصلاح بیش از حد و دوچرخه سواری ناامید کننده کنترل روشن/خاموش ، الگوریتم کنترل PID تضمین می کند که موتورها ، بخاری ها و دریچه ها فقط از مقدار دقیق انرژی مورد نیاز استفاده می کنند. این منجر به کاهش قابل توجهی در هزینه های عملیاتی می شود.
کاهش سایش و پارگی: تنظیمات صاف و کنترل شده ارائه شده توسط یک الگوریتم کنترل PID در اجزای مکانیکی مانند دریچه ها ، پمپ ها و گیربکس ها نسبت به شروع و توقف ناگهانی بسیار ملایم تر است. این به طور مستقیم به طول عمر تجهیزات طولانی تر و هزینه های نگهداری پایین ترجمه می شود.
اتوماسیون کامل: الگوریتم کنترل PID به طور موثری وظایف تنظیم تنظیم پیچیده ، آزاد کردن اپراتورهای انسانی و دستیابی به سطح قوام را انجام می دهد که تکرار دستی غیرممکن است.
یکی از رایج ترین و قدرتمندترین برنامه های الگوریتم کنترل PID امروز در یک است VFD (درایو فرکانس متغیر). این ترکیب صنایع HVAC تا تصفیه آب را متحول کرده است.
VFD وسیله ای است که با تغییر فرکانس انرژی الکتریکی که از آن تأمین می کند ، سرعت موتور AC را کنترل می کند. به خودی خود ، یک VFD که در حالت 'Open-Loop ' اجرا می شود ، به سادگی یک دستور را برای یک سرعت خاص ارسال می کند.
برای ایجاد یک سیستم هوشمند و خود تنظیم کننده ، یک حلقه بازخورد را معرفی می کنیم. مبدل-مانند سنسور فشار ، کنتور جریان یا کاوشگر دما-متغیر فرآیند را اندازه گیری می کند و یک سیگنال بازخورد (به طور معمول یک سیگنال آنالوگ 4-20mA یا 0-10VDC) را به VFD می فرستد. بیشتر واحدهای مدرن VFD دارای یک الگوریتم کنترل PID داخلی هستند. این عملکرد کنترل PID داخلی با استفاده از بازخورد مبدل برای تنظیم خودکار سرعت موتور برای حفظ نقطه تنظیم ، مغز عمل می شود.
بیایید با یک سناریوی مشترک نشان دهیم: یک سیستم پمپ تقویت کننده که نیاز به حفظ فشار آب ثابت 50 psi در لوله کشی یک ساختمان دارد.
سناریو بدون PID: پمپ یا با سرعت 100 ٪ خاموش یا در حال اجرا است. این امر باعث ایجاد سنبله های فشار گسترده (چکش آب) می شود ، برای بافر سیستم به یک مخزن فشار بزرگ نیاز دارد و فوق العاده ناکارآمد خواهد بود.
سناریو با یک الگوریتم کنترل PID در VFD:
تنظیم: یک مبدل فشار روی خط آب نصب شده و به ورودی آنالوگ VFD سیم کشی می شود. نقطه تعیین شده 50 psi در VFD برنامه ریزی شده است.
عمل: شخصی یک شیر آب را باز می کند و فشار به 45 psi کاهش می یابد. مبدل سیگنال را به VFD ارسال می کند که نشان دهنده افت است.
پاسخ: الگوریتم کنترل PID داخلی VFD خطای بزرگی را محاسبه می کند. اصطلاح متناسب بلافاصله شروع می شود و باعث می شود VFD به سرعت سرعت موتور را افزایش دهد. اصطلاح انتگرال برای اطمینان از حل و فصل زیر 50 psi شروع به جمع شدن خطا می کند.
تثبیت: با نزدیک شدن فشار به نقطه تنظیم 50 psi ، اصطلاح مشتق الگوریتم کنترل PID پیش بینی ورود را پیش بینی می کند و به موتور می گوید که از بین برود ، و از پیشروی جلوگیری می کند. VFD سپس سرعت موتور را به طور کامل تعدیل می کند تا فشار را دقیقاً در 50 psi ثابت نگه دارد ، صرف نظر از اینکه تعداد شیر آب باز است. این استفاده از الگوریتم کنترل PID و VFD نیاز به دریچه های تنظیم کننده فشار مکانیکی پیچیده را از بین می برد و مقادیر عظیمی از انرژی را صرفه جویی می کند.
هم افزایی بین الگوریتم کنترل PID و VFD در اینجا متوقف نمی شود. آخرین روند شامل یک لایه دیگر بهینه سازی است. هنگامی که الگوریتم کنترل PID سرعت موتور را برای برآورده کردن تقاضای فرآیند تثبیت کرد ، یک الگوریتم پیشرفته 'کنترل انرژی فعال' می تواند به عهده بگیرد.
این الگوریتم ثانویه از لحاظ هوشمندانه و تدریجی ولتاژ موجود در موتور را با آن سرعت ثابت کاهش می دهد. این دائماً پارامترهای موتور مانند لغزش و جریان را کنترل می کند تا حداقل ولتاژ مطلق مورد نیاز برای تأمین گشتاور لازم را پیدا کند. با کاهش شار مغناطیسی در هسته موتور ، این روش می تواند تلفات هسته حرکتی را کاهش داده و به 2-10 ٪ اضافی در صرفه جویی در مصرف انرژی در بالای پس اندازهای موجود در کنترل PID و VFD برسد. این یک نمونه اصلی از یک الگوریتم کنترل PID مدرن است که با هماهنگی با سایر منطق هوشمند کار می کند.
یک الگوریتم کنترل PID فقط به اندازه تنظیم آن خوب است. 'تنظیم ' فرآیند تنظیم مقادیر بهینه افزایش برای اصطلاحات P ، I و D است. هدف دستیابی به پاسخ سریع به تغییرات با حداقل بیش از حد و بدون نوسان است. این مسلماً مهمترین جنبه اجرای الگوریتم کنترل PID است.
مقادیر افزایش اشتباه می تواند باعث شود یک سیستم بدتر از عدم کنترل باشد.
| شرایط تنظیم نامناسب | رفتار سیستم |
|---|---|
| متناسب (P) خیلی زیاد است | این سیستم پرخاشگر می شود و به طرز وحشیانه ای در اطراف نقطه تنظیم می شود و هرگز حل و فصل نمی شود. |
| انتگرال (من) خیلی زیاد است | این سیستم به طور قابل توجهی نقطه تنظیم را تحت الشعاع قرار می دهد و مدت زمان طولانی برای تسویه حساب طول می کشد. |
| مشتق (د) خیلی زیاد است | این سیستم 'Twitchy ' و بیش از حد حساس به هر سر و صدای سنسور می شود و منجر به بی ثباتی می شود. |
در حالی که ویژگی های تنظیم خودکار در بسیاری از کنترلرهای مدرن وجود دارد ، درک روند تنظیم دستی یک مهارت ارزشمند است. روش Ziegler-Nichols یک روش مهندسی کلاسیک برای یافتن مقادیر شروع خوب برای الگوریتم کنترل PID شما است.
با صفر شروع کنید: با تنظیم انتگرال (i) و مشتق (D) مقادیر خود را به صفر برسانید. این کنترلر را به یک کنترلر متناسب تبدیل می کند.
افزایش متناسب (P) افزایش: با اجرای سیستم ، به آرامی افزایش P را افزایش دهید. همانطور که انجام می دهید ، سیستم شروع به نوسان می کند. افزایش P را ادامه دهید تا سیستم به جایی برسد که با سرعت پایدار ، پایدار و مداوم نوسان کند. این مقدار P 'سود نهایی' (KU) نامیده می شود.
دوره نوسان را اندازه گیری کنید: در حالی که سیستم به طور پیوسته در حال نوسان است ، زمان لازم را برای یک موج کامل نوسان (از یک قله به مرحله دیگر) اندازه گیری کنید. این بار 'دوره نهایی' (TU) است.
سود را محاسبه کنید: اکنون ، از فرمولهای Ziegler-Nichols ایجاد شده برای محاسبه مقادیر افزایش شروع خود استفاده کنید. برای یک الگوریتم کنترل PID استاندارد:
P GAD = 0.6 * KU
من به دست می آورم = 2 * P GAIN / TU
D GAD = P GAIN * TU / 8
تنظیم دقیق: این مقادیر محاسبه شده یک نقطه شروع عالی است. از اینجا ، تنظیمات کوچک و افزایشی را به اصطلاحات P ، I و D انجام دهید تا پاسخ سیستم برای نیازهای برنامه خاص خود را کامل کنید (به عنوان مثال ، پاسخ سریعتر در مقابل بیش از حد کمتر). این فرآیند برای تسلط بر الگوریتم کنترل PID مهم است.
یک الگوریتم کنترل PID مثبت ، مقدار خروجی کامل و مطلق مورد نیاز در هر چرخه را محاسبه می کند (به عنوان مثال ، 'بخاری تنظیم شده به 75 ٪ قدرت'). یک الگوریتم کنترل افزایشی PID فقط تغییر مورد نیاز از خروجی قبلی را محاسبه می کند (به عنوان مثال ، 'قدرت بخاری را 2 ٪ افزایش می دهد'). روش افزایشی می تواند در برخی از سیستم ها ایمن تر باشد ، زیرا در صورت بازنشانی به طور خلاصه ، از پرش های بزرگ و ناگهانی در خروجی جلوگیری می کند.
در فرآیندهای با اندازه گیری زیاد 'نویز' - به این معنی که بازخورد سنسور به سرعت و به طور نامنظم نوسان می کند - اصطلاح مشتق می تواند این سر و صدا را به عنوان یک تغییر سریع در خطا تفسیر کند و باعث شود که خروجی ناپایدار شود. در این حلقه های مشترک 'پر سر و صدا' ، این یک روش استاندارد است که D را به صفر برساند و با استفاده از تنها کنترل PID (به طور خاص ، کنترل PI) کار کند.
Overshoot زمانی است که متغیر فرآیند قبل از حل و فصل از نقطه تنظیم عبور می کند. این یک نشانه کلاسیک است که افزایش انتگرال (i) بسیار زیاد است و باعث می شود کنترلر 'باد' را بیش از حد اصلاح کند. همچنین می تواند ناشی از افزایش اندازه مشتق (D) برای کاهش پاسخ باشد. برای رفع آن ، ابتدا باید سعی کنید سود انتگرال را کاهش دهید.
بله ، کاملاً PLC (کنترل کننده منطق قابل برنامه ریزی) یکی از متداول ترین سیستم عامل ها برای اجرای یک الگوریتم کنترل PID است. بیشتر PLC های مدرن دارای بلوک های تابع PID اختصاصی و داخلی هستند که پیکربندی را ساده می کنند. PLC اغلب محاسبه کنترل PID را انجام می دهد و سپس سیگنال خروجی آنالوگ حاصل را به یک VFD یا شیر کنترل ارسال می کند.
الگوریتم کنترل PID گواهی بر مهندسی ظریف و مؤثر است. این ابزاری اساسی ، قدرتمند و قابل انعطاف است که بستر اتوماسیون صنعتی مدرن را تشکیل می دهد. یک الگوریتم کنترل PID با تعادل تخصصی پاسخ متناسب آن به حال ، توجه یکپارچه آن از گذشته و پیش بینی مشتق آن از آینده ، ثبات ، کارآیی و دقت بی نظیر را به سیستم هایی می بخشد که در غیر این صورت هرج و مرج ، هدر رفته و غیرقابل اعتماد خواهد بود.
از ساده ترین کنترل کننده دما گرفته تا پیشرفته ترین روال های صرفه جویی در مصرف انرژی VFD ، الگوریتم کنترل PID موضوع مشترک است. تسلط بر اصول آن و هنر تنظیم آن ، مهارت سنگ بنای آن برای هر حرفه ای برجسته در زمینه های مهندسی ، اتوماسیون و کنترل فرآیند خواهد بود.
