מאחורי אינספור מערכות אוטומטיות המווסתות ללא רבב את הטמפרטורה, שומרות על לחץ מדויק או מחזיקות מנוע במהירות קבועה, אלגוריתם אלגנטי ועוצמתי נמצא בשקט. לעתים קרובות זה מתואר כ'סוס העבודה התעשייתי המודרני, 'ובכל זאת רבים שנהנים מהדיוק שלו אינם מבינים באופן מלא את אופן פעולתו. תהליכים אוטומטיים רבים, אם נותרו ללא בדיקה, היו סובלים מחוסר יציבות פראית, מעלים כל העת יתר על המידה שלהם, או מציגים תגובות איטיות ולא יעילות. עבור אתגרים אלה, שליטה ידנית היא פשוט לא אפשרות.
זה המקום בו נכנסת הפרופורציונאלית-אינטגרלית-נגזרת (אלגוריתם בקרת PID). במשך כמעט מאה שנים, הוא נותר האלגוריתם הנפוץ והאמין ביותר ליצירת מערכות אוטומטיות יציבות, יעילות ואמינות. מדריך זה יפיל את הרעיון החיוני הזה. אנו נשבר בדיוק מהו אלגוריתם בקרת PID, כיצד כל אחד משלושת המרכיבים הבסיסיים שלו עובד בהרמוניה, מדוע זה כל כך חיוני למכשירים מודרניים כמו א כונן תדר משתנה וכיצד לגשת לאמנות הקריטית של הכוונון לביצועים מיטביים. הבנת האלגוריתם הזה היא המפתח לפתיחת רמה גבוהה יותר של בקרת תהליכים.
כדי להבין את אלגוריתם בקרת ה- PID, עליכם לתפוס תחילה את פונקציית הליבה שלו: לשמור על 'SetPoint ' רצוי על ידי ניהול מושכל של תפוקת המערכת. זהו תקן הזהב לבקרת משוב עם לולאה סגורה.
תאר לעצמך שאתה רוצה לשמור על הטמפרטורה של מיכל מים בטמפרטורה בדיוק של 70 מעלות צלזיוס. 70 מעלות צלזיוס זה נקודת ההגדרה שלך. חיישן טמפרטורה במיכל מספק את הטמפרטורה הנוכחית, שהיא משתנה התהליך. אלגוריתם בקרת ה- PID מחשב ברציפות ערך 'שגיאה ', שהוא פשוט ההבדל בין נקודת ההגדרה למשתנה התהליך (שגיאה = נקודת הגדרה - משתנה תהליך).
מטרת אלגוריתם בקרת ה- PID היא לתפעל פלט בקרה (כמו אלמנט חימום) באופן שהוא מניע שגיאה זו לאפס במהירות ובחלקה ככל האפשר. זה משיג זאת באמצעות סכום משוקלל של שלוש פעולות בקרה מובחנות: פרופורציונליות, אינטגרליות ונגזריות. אלגוריתם בקרת ה- PID הוא יצירת מופת של תגובה דינאמית.
המונח היחסי הוא הכוח המניע העיקרי של אלגוריתם בקרת ה- PID. זה מייצר פלט בקרה שהוא ביחס ישיר לגודל השגיאה הנוכחית.
איך זה עובד: שגיאה גדולה גורמת לפעולה מתקנת גדולה. שגיאה קטנה גורמת לפעולה מתקנת קטנה.
אנלוגיה: חשוב על זה כמו דוושת הגז במכונית שלך. ככל שהמהירות הנוכחית שלך נמצאת מתחת למגבלת המהירות (נקודת ההגדרה), כך תלחץ על הדוושה קשה יותר. פעולה פרופורציונאלית זו מספקת את התגובה הראשונית והחזקה לסטיות נכונות.
עם זאת, לשליטה פרופורציונלית בלבד יש לעתים קרובות מגבלה. במערכות רבות, היא תגיע לנקודה בה הפעולה המתקנת אינה מספיקה בכדי לבטל את השגיאה באופן מלא, וכתוצאה מכך שגיאה קטנה אך מתמשכת '.
המונח האינטגרלי בוחן את ההיסטוריה של השגיאה. זה מסכם ברציפות, או משלב את ערך השגיאה לאורך זמן.
איך זה עובד: כל עוד שגיאה שאינה אפס נמשכת, המונח האינטגרלי ימשיך לצמוח, ומוסיף כוח מתקן יותר ויותר לתפוקה. פעולה זו תוכננה באופן ספציפי כדי לבטל את השגיאה במצב יציב שהותיר אחריו הבקר הפרופורציוני בלבד.
אנלוגיה: אתה נוהג במעלה הגבעה, והתגובה היחסית של בקרת השיוט שלך אינה מספיק חזקה כדי לשמור על הגבלת המהירות. המכונית מתיישבת במהירות של 2 קמ'ש מתחת לנקודת ההגדרה. המרכיב האינטגרלי של אלגוריתם בקרת ה- PID מבחין בשגיאה מתמשכת זו במשך מספר שניות, צובר אותה ואומר למנוע להוסיף רק קצת יותר כוח עד שהמכונית תהיה בדיוק במהירות המהירה ונשארת שם.
הפעולה האינטגרלית מבטיחה דיוק מדהים, אך אם הרווח שלה מוגדר גבוה מדי, הוא יכול להוביל לשילוב יתר של נקודת ההגדרה. היעילות של אלגוריתם בקרת ה- PID כולו תלויה באיזון מונח זה.
המונח הנגזר הוא החלק המתוחכם ביותר באלגוריתם בקרת ה- PID. זה לא מסתכל על השגיאה הנוכחית או שגיאות עבר; במקום זאת, הוא מסתכל על קצב השינוי של השגיאה.
איך זה עובד: המונח הנגזר צופה את ההתנהגות העתידית של השגיאה. אם השגיאה נסגרת על אפס מהר מאוד, המונח הנגזר מחיל כוח בלימה או דעיכה על הפלט כדי למנוע את המערכת לעוף מעבר לנקודת ההגדרה.
אנלוגיה: כאשר המכונית שלך מתקרבת במהירות למהירות הרצויה, אתה מקלים באופן אינסטינקטיבי את דוושת הגז לפני שתגיע אליה כדי להבטיח נחיתה חלקה ורכה ממש על היעד. זה בדיוק מה שהמונח הנגזר עושה. זה מרטיב את התגובה, מפחית את הפיקוח ומשפר את יציבות המערכת.
בעוד שליטה עוצמתית, נגזרת רגישה מאוד לרעשי מדידה מחיישנים. במערכות עם משוב 'קפיצות ', זה יכול לגרום להתנהגות לא תקינה, וזו הסיבה שלעתים הושמט, וכתוצאה מכך בקר PI. עם זאת, עבור אלגוריתם של בקרת PID מלא, אלמנט חזוי זה הוא המפתח לביצועים גבוהים.
יישום אלגוריתם בקרת PID מכוון היטב אינו רק תרגיל אקדמי; זה מספק יתרונות מוחשיים ומדידים שהם קריטיים לתעשייה המודרנית. אלגוריתם בקרת PID מבוצע כראוי הוא מחליף משחק.
דיוק מוגבר: תועלת הליבה היא היכולת להפחית באופן דרסטי את הפער בין נקודת ההגדרה הרצויה למשתנה התהליך בפועל, מה שמוביל לאיכות מוצר עקבית ולביצועים אמינים. אלגוריתם בקרת ה- PID מאפשר זאת.
יציבות משופרת: אלגוריתם בקרת PID מכוון היטב הופך תהליך כאוטי ומתנדנד לזו חלק ויציב. זה מאלף תנודות שעלולות לפגוע בציוד או להרוס מוצרים.
שימור אנרגיה: על ידי הימנעות מתיקון יתר קבוע ורכיבה על אופניים תזזיתיים של בקרת ON/OFF, אלגוריתם בקרת ה- PID מבטיח כי מנועים, תנורי חימום ושסתומים משתמשים רק בכמות האנרגיה המדויקת הדרושה. זה מוביל להפחתה משמעותית בעלויות התפעול.
בלאי מופחת: ההתאמות החלקות והמבוקרות המסופקות על ידי אלגוריתם בקרת PID עדינות בהרבה על רכיבים מכניים כמו שסתומים, משאבות ותיבות הילוכים מאשר מתחילות ועוצרות פתאומיות. זה מתורגם ישירות לתוחלת חיים ארוכה יותר של ציוד ומוריד עלויות תחזוקה.
אוטומציה מלאה: אלגוריתם בקרת ה- PID מבצע אוטומציה ביעילות למשימות רגולציה מורכבות, משחרר מפעילים אנושיים ומשיג רמת עקביות שאי אפשר לשכפל ידנית.
אחד היישומים הנפוצים והחזקים ביותר של אלגוריתם בקרת ה- PID כיום נמצא בתוך א VFD (כונן תדר משתנה). שילוב זה חולל מהפכה בתעשיות מ- HVAC לטיפול במים.
VFD הוא מכשיר השולט על מהירות מנוע AC על ידי שינוי תדירות הכוח החשמלי שהוא מספק. כשלעצמו, VFD הפועל במצב 'Open-Loop ' פשוט שולח פקודה למהירות ספציפית.
כדי ליצור מערכת אינטליגנטית ומווסתת את עצמה, אנו מציגים לולאת משוב. מתמר-כגון חיישן לחץ, מד זרימה או בדיקת טמפרטורה-מציין את משתנה התהליך ושולח אות משוב (בדרך כלל אות אנלוגי 4-20MA או 0-10VDC) חזרה ל- VFD. לרוב יחידות ה- VFD המודרניות יש אלגוריתם בקרת PID מובנה. פונקציית בקרת PID פנימית זו הופכת למוח הפעולה, תוך שימוש במשוב של המתמר כדי להתאים אוטומטית את מהירות המנוע לשמירה על נקודת ההגדרה.
בואו ונמחיש עם תרחיש נפוץ: מערכת משאבת בוסטר שצריכה לשמור על לחץ מים קבוע של 50 psi בצנרת הבניין.
התרחיש ללא PID: המשאבה הייתה כבויה או פועלת במהירות של 100%. זה יגרום לדוקרני לחץ מאסיביים (פטיש מים), לדרוש מיכל לחץ גדול לאגף את המערכת ולהיות לא יעיל להפליא.
התרחיש עם אלגוריתם בקרת PID ב- VFD:
הגדרה: מתמר לחץ מותקן בקו המים ומחווט לכניסה האנלוגית של ה- VFD. נקודת ההגדרה הרצויה של 50 psi מתוכנתת ל- VFD.
פעולה: מישהו פותח ברז, והלחץ יורד ל -45 psi. המתמר שולח אות ל- VFD המציין את הירידה.
תגובה: אלגוריתם בקרת ה- PID הפנימי של ה- VFD מחשב שגיאה גדולה. המונח הפרופורציוני נכנס מייד פנימה, וגורם ל- VFD להעלות במהירות את מהירות המנוע במהירות. המונח האינטגרלי מתחיל לצבור את השגיאה כדי להבטיח שהיא לא תתיישב מתחת ל 50 psi.
ייצוב: כאשר הלחץ מתקרב במהירות לנקודת הגדרת 50 PSI, המונח הנגזר של אלגוריתם בקרת ה- PID צופה את ההגעה ואומר למנוע להקל, ומונע מעבר יתר. לאחר מכן ה- VFD מווסת את מהירות המנוע בצורה מושלמת כדי להחזיק את הלחץ יציב בדיוק ב 50 psi בדיוק, ללא קשר לכמה ברזים פתוחים. שימוש זה באלגוריתם בקרת ה- PID ו- VFD מבטל את הצורך בשסתומים המווסתים לחץ מכני מורכב וחוסך כמויות עצומות של אנרגיה.
הסינרגיה בין אלגוריתם בקרת ה- PID ל- VFD לא נעצרת שם. המגמה האחרונה כוללת שכבה נוספת של אופטימיזציה. ברגע שאלגוריתם בקרת ה- PID ייצב את מהירות המנוע כדי לענות על דרישת התהליך, אלגוריתם של בקרת אנרגיה פעילה מתקדמת יכול להשתלט.
אלגוריתם משני זה מפחית באופן מושכל ומדרג את המתח המסופק למנוע באותה מהירות קבועה. זה כל הזמן עוקב אחר פרמטרים מוטוריים כמו החלקה וזרם כדי למצוא את המתח המינימלי המוחלט הנדרש כדי לספק את המומנט הדרוש. על ידי צמצום השטף המגנטי בליבת המנוע, שיטה זו יכולה להפחית את הפסדי הליבה המוטורית ולהשיג 2-10% נוספים בחיסכון באנרגיה על גבי החיסכון שכבר סיפקו בקרת ה- PID ו- VFD. זוהי דוגמא עיקרית לאלגוריתם של בקרת PID מודרנית הפועלת בהופעה עם היגיון חכם אחר.
אלגוריתם בקרת PID טוב רק כמו הכוונון שלו. 'כוונון ' הוא תהליך קביעת ערכי הרווח האופטימליים למונחי p, i ו- d. המטרה היא להשיג תגובה מהירה לשינויים עם מינימום יתר על המידה וללא תנודה. זה ללא ספק ההיבט הקריטי ביותר ביישום אלגוריתם בקרת PID.
ערכי הרווח הלא נכון יכולים לגרום למערכת לבצע בצורה גרועה יותר מאשר אין לה שום שליטה בכלל.
| מצב כוונון לקוי | המתקדם התנהגות מערכת |
|---|---|
| פרופורציונאלי (p) להשיג גבוה מדי | המערכת הופכת לאגרסיבית ומתנדננת בפראות סביב נקודת ההגדרה, ולעולם לא מתיישבת. |
| אינטגרלי (i) להרוויח גבוה מדי | המערכת תעלה על נקודת ההגדרה באופן משמעותי ותיקח זמן רב מאוד להתיישב. |
| נגזרת (ד) להשיג גבוהה מדי | המערכת הופכת ל 'טוויצ'י ' והיפר-רגיש לכל רעש חיישן, מה שמוביל לחוסר יציבות. |
אמנם ישנם תכונות כוונון אוטומטי על בקרים מודרניים רבים, אך הבנת תהליך הכוונון הידני היא מיומנות שלא יסולא בפז. שיטת זיגלר-ניקולס היא גישה הנדסית קלאסית למציאת ערכי התחלה טובים עבור אלגוריתם בקרת ה- PID שלך.
התחל עם אפס: התחל על ידי הגדרת האינטגרל שלך (i) והנגזרת (ד) להשיג ערכים לאפס. זה הופך את הבקר לבקר פרופורציונלי בלבד.
הגדל את הרווח הפרופורציונאלי (P): כאשר המערכת פועלת, הגדל לאט את רווח ה- P. כמוך, המערכת תתחיל להתנדנד. המשיכו להגדיל את P עד שהמערכת מגיעה לנקודה בה היא מתנדנדת בקצב יציב, יציב ורציף. ערך P זה נקרא 'רווח אולטימטיבי ' (KU).
מדוד את תקופת התנודה: בעוד שהמערכת מתנדנדת בהתמדה, מדוד את הזמן שלוקח לגל תנודה אחד שלם (משיא אחד למשנהו). הפעם הוא 'התקופה האולטימטיבית ' (TU).
חשב את הרווחים: כעת, השתמש בנוסחאות Ziegler-Nichols שהוקמו כדי לחשב את ערכי ההתחלה שלך. עבור אלגוריתם בקרת PID רגיל:
P רווח = 0.6 * ku
אני רווח = 2 * P רווח / TU
D רווח = P רווח * TU / 8
כוונון: ערכים מחושבים אלה הם נקודת התחלה מצוינת. מכאן, בצע התאמות קטנות ומצטברות למונחים P, I ו- D כדי לשכלל את תגובת המערכת לצרכי היישום הספציפי שלך (למשל, תגובה מהירה יותר לעומת פחות מעבר). תהליך זה הוא המפתח לשליטה באלגוריתם בקרת PID.
אלגוריתם בקרת PID של PID מחשב את ערך הפלט המלא והמוחלט הנדרש בכל מחזור (למשל, 'הגדר תנור ל 75% כוח '). אלגוריתם בקרת PID מצטבר מחשב רק את השינוי הדרוש מהפלט הקודם (למשל, 'הגדל את כוח התנור ב -2%'). הגישה המצטברת יכולה להיות בטוחה יותר במערכות מסוימות, מכיוון שהיא מונעת קפיצות גדולות ופתאומיות בתפוקה אם הבקר יתאפס בקצרה.
בתהליכים עם הרבה מדידה 'רעש ' - כלומר משוב החיישן משתנה במהירות ובאופן תקיני - המונח הנגזר יכול לפרש שגוי רעש זה כשינוי מהיר בטעות ולגרום לתפוקה להיות לא יציבה. בלולאות 'רועשות ' נפוצות אלה, זה נוהג סטנדרטי להגדיר את הרווח D לאפס ולפעול באמצעות בקרת PID בלבד (באופן ספציפי, בקרת PI).
יתר על המידה הוא כאשר משתנה התהליך יורה מעבר לנקודת ההגדרה לפני שהוא מתמקם. זהו סימן קלאסי לכך שהרווח האינטגרלי (i) גבוה מדי, מה שגורם לבקר 'מסתיים ' יותר מדי פעולה מתקנת. זה יכול להיגרם גם בגלל רווח נגזר (D) לא מספיק כדי להרטיב את התגובה. כדי לתקן את זה, תחילה עליך לנסות להפחית את הרווח האינטגרלי.
כן, בהחלט. PLC (בקר לוגיקה הניתן לתכנות) הוא אחת הפלטפורמות הנפוצות ביותר ליישום אלגוריתם בקרת PID. לרוב ה- PLC המודרניים יש חסימות פונקציות PID מובנות ומובנות שהופכות את התצורה לפשוטה. ה- PLC מבצע לעתים קרובות את חישוב בקרת ה- PID ואז שולח את אות הפלט האנלוגי המתקבל לשסתום VFD או לבקרה.
אלגוריתם בקרת ה- PID הוא עדות להנדסה אלגנטית ויעילה. זהו כלי בסיסי, חזק וגמיש להפליא המהווה את סלע האוטומציה התעשייתית המודרנית. על ידי איזון מומחיות בתגובתו היחסית להווה, השיקול האינטגרלי שלו לעבר, ותחזיתו הנגזרת לעתיד, אלגוריתם בקרת PID מביא יציבות, יעילות ודיוק ללא תחרות למערכות שאחרת יהיו כאוטיות, בזבזניות ולא אמינות.
מבקר הטמפרטורה הפשוט ביותר ועד השגרה המתקדמת ביותר של VFD המנוף את חסימת האנרגיה המורכבת, אלגוריתם בקרת ה- PID הוא החוט הנפוץ. שליטה בעקרונותיה ואומנות הכוונון שלה היא, ותמשיך להיות מיומנות אבן פינה עבור כל איש מקצוע בולט בתחומי ההנדסה, האוטומציה ובקרת התהליכים.
