مهندسی کنترل

جهت درج تبلیغات در پر بیننده ترین وبلاگ مهندسی کنترل با ما تماس بگیرید...

پنجشنبه 6 دی 1397

آموزش مقدماتی PID

نویسنده: مرتضی قندی   

کنترل PID چیست ؟

مرتضی قندی

کارشناس مهندسی برق- کنترل

1-   انواع کنترل فیدبک :

1-1-       کنترل کننده دو وضعیتی On/Off

عملکرد این نوع کنترل کننده به این صورت است که خروجی فرایند، اندازه گیری و سپس با مقدار مطلوب مقایسه میگردد اختلاف این دو مقدار، خطای سیستم کنترل است که در صورت مثبت بودن آن،  سیستم کنترل قویترین فرمان را به فرآیند میفرستد و اگر خطا منفی باشد ضعیف ترین فرمان را ارسال خواهد کرد.  یعنی عملکرد آن مثل سوییچ روشن و خاموش است و سیگنال یا فرمان کنترل بین دو مقدار یعنی حد بالا و حد پایین تغییر خواهد کرد.

یکی از مشکلات این سیستم آن است که  مقدار خروجی مورد نظر در حداقل زمان ممکن به مقدار مطلوب میرسد اما در آن باقی نمی ماند زیرا فرمان کنترل در این زمان به مقدار حداقل باز میگردد و موجب کاهش مجدد خروجی میگردد تا زمانی که مجدد فرمان کنترل تشدید شود.بنابراین خروجی همواره اطراف یک مقدار در حال نوسان میباشد. به عنوان مثال فرض کنید سطح سیال یک مخزن توسط یک شیر (با موقعیت باز یا بسته)کنترل میشود دراین صورت همیشه سطح مخزن درمحدوده مقدار مطلوب در نوسان میباشد.

اگرچه اغلب این کنترل کننده در صنعت برای فرایندهای ساده استفاده میشود ولی یک کنترل کننده پیوسته نیست یعنی تابع عملکرد پیوسته ای ندارد و با تغییر بسیار کوچکی در خطا، خروجی تغییر زیادی میکند و لذا در بسیاری از کاربردهای کنترلی قابل اجرا نیست.

 

1-2- کنترل کننده تناسبی ( Proportional Controller )

در کنترل کننده تناسبی، سیگنال کنترل به این صورت ساخته میشود که سیگنال خطا در یک ضریب ثابت ضرب شده و فرمان کنترل تولید میگردد:

در این نوع کنترل کننده قوی ترین فرمان کنترل یا بیشترین مقدارu(t)  هنگامی خواهد بود که خروجی صفربوده و فاصله زیادی از نقطه مطلوب داشته باشد و ضعیف ترین فرمان نیز وقتی صادر میشود که خروجی به مقدار مطلوب برسد، ولی در این حالت به دلیل صفر شدن خطا فرمان کنترل متوقف خواهد شد.

نتیجه آنکه در کنترل کننده تناسبی نمیتوان به نقطه مطلوب رسید و خروجی پس از مدتی، نزدیک نقطه تنظیم و با توجه به ضریب تناسبی ثابت خواهد ماند. بنابراین کنترل P  یا کنترل کننده تناسبی فقط بر اساس وضعیت جاری سیگنال خطا عمل خواهد کرد.

1-3-کنترل کننده انتگرالی (Integral Controller )

کنترل کننده انتگرالی معادله ای به شکل زیر دارد:

این کنترل کننده اساسا از تغییرات گذشته تا به حال خطا انتگرال گیری نموده و نتیجه را در ضرایبی ضرب کرده و فرمان کنترل را صادر میکند.یکی از مزایای این نوع کنترل کننده آن است که هنگام صفر شدن خطا مقدار u  را صفر نمیکند زیرا بیش از آنکه تابع u به مقدار جاری خطا توجه کند تابعی از سطح زیر منحنی مقادیر زمان گذشته خطای e  میباشد و این یک خصوصیت مهم است چرا که می تواند خطای حالت ماندگار سیستم را حذف کند و این کنترل کننده بر اساس تاریخچه خطا تصمیم گیری میکند . یعنی تصمیم گیری بر اساس تجربه گذشته تا حال است و نه بر اساس وضعیت جاری یا جهت گیری آینده خطا.

کنترل انتگرالی میتواندکارایی سیستم کنترل را بهبود بخشد و در رسیدن خروجی به مقدار مطلوب کمک کند ولی موجب تضعیف پایداری نسبی سیستم خواهد شد. این به علت دینامیک خاص این کنترل کننده است که وارد سیستم حلقه بسته میشود.

1-4-کنترل کننده مشتق گیر ( Derivative Controller  )

کنترل کننده مشتق گیر معادله ای به شکل زیر دارد:

در این جا Td زمان مشتق گیری نامیده میشود. مشخص است که کنترل کننده D   شیب تغییرات خطا را محاسبه میکند.بنابراین قوی ترین فرمان کنترل وقتی صادر میشود که سریعترین تغییرات ناگهانی در خطا اتفاق بیافتد و ضعیف ترین فرمان یا صفر زمانی صادر میشود که خطا تقریبا ثابت باشد. حال اگر خطا دارای نویز باشد عملگیر مشتق دچار سردرگمی شده و نمیتواند تصمیم صحیح را بگیرد. بنابراین میتوان گفت تصمیم گیری کنترل D بر اساس جهت گیری آینده خطا است( یا پیش بینی رفتار سیستم در آینده) و نه براساس وضعیت جاری یا گذشته خطا.

معمولا کنترلD  با ترکیبی از کنترل تناسبی، انتگرالی یا هردو بکار میرود تا پایداری سیستم را بهبود بخشد.

مزایا و معایب هر کدام از این کنترل کننده ها آورده شده است:

 

مزایا

معایب

P

سریع، ساده و ارزان میباشد

خروجی را نمی تواند به مقدار نهایی مطلوب برساند، تصمیم ها بر اساس خطای لحظه ای است.

I

خروجی را به مقدار نهایی مطلوب میرساند، به نویز یا تغییرات ناگهانی حساس نیست,بر اساس تاریخچه خطا عمل میکند

خیلی کند است،پایداری سیستم را کاهش میدهد،ساده و ارزان نیست.

D

خیلی سریع است، سیستم را پایدار میکند

خروجی را نمی تواند به مقدار نهایی مطلوب برساند، به نویز حساس است، ساده و ارزان نیست

 

 

1-5- کنترل کننده PID (Proportional- Integral-Derivative controller)

با توجه به نقاط قوت و ضعف کنترل کننده های فوق در بسیاری از اوقات به تنهایی به کار نمیروند و غالبا به صورت ترکیبی از آنها استفاده می شود تا نقاط ضعف یکدیگر را پوشش دهند.کامل ترین ترکیب آنها کنترل کننده PID  است که در آن هر کدام از کنترل کننده های P و I و D به شکل موازی با هم قرار میگیرند و سپس هر سه فرمان با احتساب ضریب تاثیر گذاری هر کدام با یکدیگر جمع شده و به ورودی فرایند اعمال می شوند.

کنترل کننده PID  بر اساس فیدبک عمل می کند. خروجی یک دستگاه یا یک فرایند اندازه گیری و با یک هدف یا set point مقایسه می شود. اگر اختلافی شناسایی شود، میزان اصلاح محاسبه و اعمال می شود. خروجی دوباره اندازه گیری و هر گونه اصلاح مورد نیاز مجدد محاسبه می شود.

PID شامل سه جزء تناسبی (proportional)، انتگرال (Integral) و مشتق گیر (Derivative) می باشد. همه کنترلرها از هر سه این توابع ریاضی استفاده نمی کنند. بعضی از فرایندها را می توان در سطح قابل قبولی تنها با توابع تناسبی و انتگرال گیر کنترل کرد. با این حال یک کنترل خوب و به طور اخص بدون overshoot نیازمند اضافه شدن تابع مشتق گیر است. ( توجه داشته باشید به همین دلیل است که در بسیاری از کنترلرها با وجود اینکه از پردازنده جهت کنترل دما استفاده می شود، همچنان مقداری نوسان و یا فراجست دمایی دیده شده و بطور کامل ثبات حرارتی ایجاد نمی کنند.)

در کنترل تناسبی ضریب تصحیح با میزان اختلاف بین set point و مقدار اندازه گیری شده، تعیین می شود. اشکال در این است که این تفاوت به صفر نزدیک می شود و برای اعمال اصلاح با توجه به نتیجه، خطا هیچ وقت صفر نمی شود.

تابع انتگرال این طور عمل می کند که با در نظر گرفتن میزان خطا، هر چقدر تفاوت  set point با مقدار اندازه گیری شده بیشتر باشد، ضریب تصحیح بزرگتری محاسبه می شود. البته وقتی تاخیر در پاسخ به اصلاح وجود داشته باشد، overshoot ایجاد می شود و احتمالاً منجر به نوسان نسبت به نقطه تنظیم می شود. اجتناب از این اتفاق، هدف تابع مشتق گیر است. 

کنترلرهای دمایی وظیفه مقایسه مقدار دمای واقعی فرایند انجام شده با مقدار Set Point و همینطور فرمان به هیتر جهت تنظیم دما را دارند. در کنترلرهای سنتی ترموستات های مکانیکی و یا الکترونیکی تنها با قطع و وصل کردن در محدوده set، دما را کنترل می کنند. با ظهور میکرو کنترلرها و استفاده متنوع از آن در صنایع، روش های نوینی جهت کنترل دما طراحی شده است که یکی از مهم ترین و به روز ترین این روش ها "PID  کنترلر" می باشد.


PID کنترلر با استفاده از سه متغیر تناسبی، انتگرال و مشتق گیر، دما را کنترل می کند که کمک به سزایی درثبات حرارتی و یکنواخت گرم شدن محفظه می کند. در این روش پارامترهایی مانند (overshoot) و نوسان دما (temperature variation) بسیار کاهش می یابد.

فرایندهای گرمایشی نمونه ای از نیاز به کنترلرPID  هستند. برای اطمینان از کیفیت پایدار محصول، دمای داخل محفظه دستگاه (chamber) می بایست در یک محدوده باریکی نگه داشته شود. زمانی که یک محصول اضافه و یا خارج شده است و یا هنگامی که شیب حرارتی اعمال شود، اختلالی در روند کار ایجاد می شود که باید به طور دقیق مورد توجه و کنترل قرار گیرد.

اگرچه مفهوم PID به ظاهر ساده می رسد، اما زیربنای محاسبات کنترل PID پیچیده و دستیابی به عملکرد مطلوب، مستلزم تعیین مقادیر فرایندهای خاص برای طیف وسیعی از پارامترهای تاثیرگذار بر هم است.

فرایند یافتن این مقادیر، تیونینگ (tuning) نام دارد. هنگامی که کنترلر حرارت PID به طور مطلوب tune شود، انحراف از نقطه تعیین شده (set point) به حداقل رسیده و به عوامل ایجاد اختلال و یا تغییرات نسبت به set point ، با حداقل فراجست (overshoot) ، سریعاً پاسخ خواهد داد.

این مقاله چگونگی tune کردن یک کنترلرPID را معرفی می کند. با اینکه بسیاری از کنترلرها توانایی tune کردن اتوماتیک را دارند، فهم نحوه tuning  ، در به دست آوردن عملکرد مناسب کمک می کند.

روش های tuning کنترلر PID :

هر فرایندی دارای ویژگی های منحصر به فردی است. حتی وقتی تجهیزات در اصل و پایه یکسان باشند. جریان هوا در اطراف آون متفاوت خواهد بود، دمای محیط ممکن است تغییر کند، چگالی هوا و فشار هوا ممکن است ساعت به ساعت تغییر داشته باشد و یا حتی نوع بارگذاری و تعداد دفعاتی که نیاز است درضمن کار درب دستگاه باز شود. بنابراین تنظیماتی برای PID باید انتخاب شوند که با این تغییرات محیطی و تنوع در استفاده وفق پیدا کند. 

روش های انجام Tuning :

§ تنظیم دستی (Manual tuning)

§ تنظیم خودکار (Auto tune)

تنظیم دستی (Manual Tuning):

غالباً فرایندها بسیار پیچیده هستند اما با برخی از اطلاعات، بخصوص در مورد سرعتی که با آن به اصلاح خطا پاسخ داده می شود، این امکان وجود دارد که یک سطح ابتدایی از tuning به دست آید. این روش بیشتر بر مبنای تجربه بدست میآید.

تنظیم خودکار (Auto Tune):

در اکثر کنترلرهای پیشرفته جدید دارای Auto tuning می باشند که جزئیانت عملکرد بین تولید کننده ها، متفاوت است اما همه قوانینی را  دنبال میکنند که پیش از این توضیح داده شد. اساساً کنترلر " می آموزد " که چطور فرایند به یک اختلال یا نویز یا تغییر در set point پاسخ دهد و تنظیمات PID مناسب را محاسبه کند. در مورد یک کنترلر گرما وقتی Auto Tune (تنظیم خودکار) انتخاب می شود، کنترلر یک خروجی را فعال می کند. کنترلرهای جدیدتر و پیچیده تر، ترکیبی از منطق فازی با قابلیت تنظیم خودکار هستند. این یکی از راه های مقابله با عدم دقت و غیر خطی بودن را فراهم می کند.

کاربردهای متداول کنترلر PID:

در کلیه سیستم هایی که می بایست تغییرات دما در حد صفر باشد و اختشاش های خارجی روی سیستم تاثیر نداشته باشد بایستی از کنترلر PID   استفاده کرد. مانند صنایع دارویی، صنایع تولید شیشه , کوره های آجر پزی و ...علاوه بر فرایندهای گرمایی، در سیستم های کنترل میزان جریان سیالات، کنترل سیستم های حرکتی و موارد دیگر، PID کنترلرها بسیار پرکاربرد و مفید می باشند.

ویژگی‌های کنترل PID:

کنترل P :

میزان عملیات تولیدی را با انحراف متناسب می‌سازد. اما شما نمی‌توانید فقط با استفاده از کنترل P، انحراف را روی صفر تنظیم کنید.

کنترل I:

میزان عملیاتی را ایجاد می‌کند که با انحراف ترکیب می‌شود.و برای هماهنگی مقدار بازخورد با مقدار هدف بکار می‌رود.
به‌هرحال، کنترل I برای تغییرات سریع مناسب نیست.

کنترل D:

میزان عملیاتی را ایجاد می‌کند که از انحراف به دست آمده باشد و می‌تواند بلافاصله نسبت به تغییرات سریع واکنش نشان دهد.

نحوه تنظیم ضریب P  :

بهره P یک مقدار متناسب است.
مقدار انحراف با نسبت فعال‌سازی سیستم کنترل افزایش خواهد یافت.

 

نتیجۀ تنظیم ضریب  P:

 

 

نحوه تنظیم ضریب  I:

ضریب  I، زمان انتگرال است. اگر لرزش با سیکل بلندتری نسبت به زمان انتگرال اتفاق بیفتد، عملیات انتگرال بسیار قدرتمند خواهد بود. طولانی شدن زمان انتگرال، میزان لرزش را فرو می‌نشاند.

چگونگ

نظرات() 

نویسندگان

لینکستان

نظرسنجی

    نظر شما درباره مطالب وبلاگ چیست؟





معرفی صفحه به دوستان

* نام شما

ایمیل شما *

ایمیل دوست شما *

ایمیل دوست دیگر شما


Up Page



ماشین حساب آنلاین مدارات LED
ولتاژ منبع

ولتاژ دیود

جریان دیود (میلی آمپر)

تعداد LED

فرم عضویت
نام شما :
نام کاربری :
ایمیل :
کلمه عبور :
تکرار کلمه عبور :
Powered By :hamedmax73
نام کاربری :
کلمه عبور :
Powered By :hamedmax73
  • آخرین پستها

آمار وبلاگ

  • کل بازدید :
  • بازدید امروز :
  • بازدید دیروز :
  • بازدید این ماه :
  • بازدید ماه قبل :
  • تعداد نویسندگان :
  • تعداد کل پست ها :
  • آخرین بازدید :
  • آخرین بروز رسانی :

شبکه اجتماعی فارسی کلوب | Buy Website Traffic | Buy Targeted Website Traffic