PID کنترلر چیست؟

PID کنترلر ابزاری است که جهت کاربردهای کنترلی در صنعت و به‌منظور تنظیم دما، جریان، فشار، سرعت و سایر متغیرهای فرآیندی بکار می‌رود. کنترل‌کننده‌های PID (تناسبی- انتگرالی- مشتقی) از یک مکانیزم حلقه بازخورد برای کنترل متغیرهای فرآیندی بهره می‌برند و جز دقیق‌ترین و پایدارترین کنترل‌کننده‌ها به‌حساب می‌آیند.

کنترل به کمک PID راه شناخته‌شده‌ای به‌منظور هدایت سامانه به طرف یک سطح یا یک موقعیت هدف است. این یک راهکار کاربردی همواره در دسترس برای کنترل دما است که علاوه بر خودکارسازی در فرآیندهای علمی و شیمیایی نیز کارایی بی‌شماری دارد. یک کنترل‌کننده PID با به‌کارگیری یک بازخورد کنترلی حلقه-بسته مقدار خروجی را تا حد امکان به خروجی از پیش تنظیم شده یا هدف نزدیک نگه می‌دارد.

کنترل‌کننده PID دما چیست؟

یک PID کنترلر دما همان‌طور که از نام آن برمی‌آید ابزاری است که به‌طور عمده برای کنترل دما بدون دخالت گسترده از طرف اپراتور به‌کارگیری می‌شود. یک کنترل‌کننده PID در یک سامانه کنترل دما از یک حسگر دما مثل یک ترموکوپل یا RD به‌عنوان ورودی استفاده می‌کند و دمای واقعی را با دمای کنترلی مدنظر مقایسه می‌کند؛ سپس متناسب با آن یک خروجی به یک المان کنترل‌کننده می‌فرستد.

کنترل‌کننده PID دیجیتال چیست؟

یک کنترل‌کننده PID دیجیتال سیگنال را از حسگری که عموماً یک ترموکوپل یا RTD است دریافت می‌کند و پس از تبدیل مقیاس اندازه‌گیری به واحدهای مهندسی از قبیل فارنهایت یا سلسیوس آن را به‌صورت دیجیتال نمایش می‌دهد.

تاریخچه کنترل‌کننده PID

اولین گام در جهت تکامل PID کنترلر در سال ۱۹۱۱ توسط المر اسپری برداشته شد. بااین‌حال اولین کنترل‌کننده پنوماتیک دارای یک کنترل‌کننده تناسبی قابل تنظیم در سال ۱۹۳۳ توسط شرکت ابزارآلات تیلور (TIC) معرفی شد. چندین سال بعد مهندسان کنترل در پی حذف خطای حالت پایا که در کنترل‌کننده‌های تناسبی رخ می‌داد برآمدند. آن‌ها برای این کار تا جایی که خطا صفر نباشد اقدام به تنظیم مجدد این نقطه به یک مقدار غیرواقعی کردند. این تنظیم مجدد منجر به «انتگرال گرفته شدن» از خطا گردید و ازاین‌رو عنوان کنترل‌کننده تناسبی-انتگرالی پدید آمد.

این شرکت سپس در سال ۱۹۴۰ اقدام به توسعه اولین کنترل‌کننده PID پنوماتیک دارای یک عملکرد مشتقی نمود که قادر به کاهش مشکلات ناشی از فراجهش گردید. البته این در سال ۱۹۴۲ بود که قواعد تنظیمی زیگلر و نیکولز معرفی شدند و مهندسان را قادر به یافتن و تنظیم پارامترهای مناسب برای کنترل‌کننده‌های PID نمودند. در اواسط دهه ۱۹۵۰ میلادی استفاده از کنترل‌کننده‌های خودکار PID به‌طور گسترده‌ای برای مصارف صنعتی رواج یافت.

یک کنترل‌کننده PID چگونه عمل می‌کند؟

یک کنترل‌کننده تناسبی- انتگرالی- مشتقی (PID) قابلیت به‌کارگیری جهت کنترل دما، فشار، جریان و سایر متغیرهای فرآیندی دارد. یک کنترل‌کننده PID، همان‌طور که از نام آن پیداست، کنترل تناسبی را با اصلاحات انتگرالی و مشتقی ترکیب می‌کند و بدین‌وسیله جبران خودکار هرگونه تغییرات در سامانه را ممکن می‌سازد.

مبانی یک کنترل‌کننده PID

هدف یک کنترل‌کننده PID تحمیل یک مقدار از پیش تنظیم شده به بازخورد برای تطابق با نقطه تنظیم است؛ مشابه یک ترموستات که واحد گرمایش یا سرمایش را بر مبنای یک دمای مشخص خاموش یا روشن می‌کند. بهترین محل استفاده از کنترل‌کننده‌های PID سامانه‌هایی هستند که جرم نسبتاً اندکی دارند و نسبت به تغییر انرژی اضافه‌شده به فرآیند واکنش سریعی نشان می‌دهند. این نوع کنترل‌کننده‌ها در سامانه‌هایی استفاده می‌شوند که بار مرتباً دچار تغییر می‌شود و از کنترل‌کننده انتظار جبران خودکار تغییرات مکرر در مقادیر از پیش تعیین شده، مقدار انرژی موجود یا جرم مورد کنترل می‌رود.

اصول عملکردی کنترل‌کننده PID

قاعده اساسی پشت عملکرد یک کنترل‌کننده PID این است که عبارت‌های تناسبی، انتگرالی و مشتقی باید به‌طور جداگانه تنظیم یا «کوک» شوند. یک ضریب تصحیح بر مبنای اختلاف بین این مقادیر محاسبه و به ورودی اعمال می‌گردد. به‌عنوان‌مثال اگر دمای یک فر سردتر از مقدار موردنیاز باشد حرارت افزایش پیدا می‌کند. این سه گام در اینجا توضیح داده‌شده‌اند:

1. تنظیم تناسبی

   شامل تصحیح یک هدف به‌طور متناسب با میزان اختلاف است؛ بنابراین دستیابی به مقدار هدف هیچ‌گاه صورت نمی‌گیرد زیرا هر چه میزان اختلاف به صفر نزدیک‌تر می‌شود به تناسب تصحیح اعمالی نیز به صفر می‌گراید.

2. تنظیم انتگرالی

   با انباشت خطای حاصله از عملگر «P» با هدف افزایش ضریب تصحیح در جهت بهبود این وضعیت تلاش می‌کند. به‌عنوان‌مثال اگر دمای فر پایین‌تر از حد موردنظر باقی ماند عملگر «I» در جهت افزایش حرارت تحویلی اقدام می‌کند. بااین‌حال عملگر «I» پس از رسیدن به هدف مدنظر تلاش می‌کند تا خطای انباشته را به صفر برساند که همین امر منجر به یک فراجهش خواهد شد.

3. تنظیم مشتقی

   با تقلیل ضریب تصحیح در جهت به حداقل رساندن این فراجهش تلاش می‌کند.

اساس کار PID کنترلر

از یک کنترل‌کننده تناسبی- انتگرالی- مشتقی (PID) می‌توان به‌عنوان ابزاری برای کنترل دما، فشار، جریان و سایر متغیرهای فرآیندی بهره گرفت. یک کنترل‌کننده PID، همان‌طور که از نام آن پیداست، کنترل تناسبی را با اصلاحات انتگرالی و مشتقی ترکیب می‌کند و بدین‌وسیله جبران خودکار هرگونه تغییرات در سامانه را ممکن می‌سازد.

انواع PID کنترلر

در کل سه نوع کلی از کنترل‌کننده‌های PID وجود دارد: روشن-خاموش، تناسبی و PID. کاربر بسته به نوع سامانه نیازمند کنترل می‌تواند یکی از این فرآیندهای کنترلی را برگزیند.

کنترل‌کننده روشن-خاموش

یک کنترل‌کننده PID روشن-خاموش  ساده‌ترین نوع از دستگاه‌های کنترل دما محسوب می‌شود. خروجی این دستگاه یا حالت خاموش و یا حالت روشن است و هیچ‌گونه حد وسطی وجود ندارد. یک کنترل‌کننده روشن-خاموش تنها در زمانی که دما از مقدار از پیش تنظیم شده عبور می‌کند اقدام به تغییر وضعیت خروجی می‌نماید. یک نوع خاص از کنترل‌کننده روشن-خاموش، یک کنترل‌کننده حدی است. این نوع کنترل‌کننده‌ها از یک رله نگه‌دارنده استفاده می‌کنند. این رله‌ها برای غیرفعال کردن فرآیند در زمان رسیدن به یک دمای معین استفاده می‌شوند و تنظیم مجدد آن‌ها باید حتماً به‌صورت دستی انجام شود.

کنترل‌کننده تناسبی

کنترل‌کننده‌های تناسبی برای حذف چرخه‌های مربوط به کنترل‌کننده‌های روشن-خاموش طراحی‌شده‌اند. یک کنترل‌کننده تناسبی در حین نزدیک شدن دما به نقطه تنظیم توان متوسط تغذیه شده به گرم‌کن را تقلیل می‌دهد. این عمل حرارت ناشی از گرم‌کن را کاهش می‌دهد تا از فراجهش از نقطه تنظیم جلوگیری به عمل آید و دما در نقطه‌ی پایداری در حوالی نقطه تنظیم باقی بماند. دستیابی به این عملکرد تناسبی با خاموش و روشن کردن خروجی در فواصل زمانى اندک صورت می‌گیرد. این «تناسب زمانی» بسته به نسبت زمان «روشنی» به زمان «خاموشی» متغیر خواهد بود.

PID کنترلر استاندارد

کنترل‌کننده PID استاندارد کنترل تناسبی را با کنترل انتگرالی و مشتقی ترکیب می‌کند و بدین‌وسیله جبران خودکار هرگونه تغییرات در سامانه را ممکن می‌سازد. این اصلاحات انتگرالی و مشتقی با واحدهای مبتنی بر زمان بیان می‌شوند؛ همچنین با استفاده از معادل‌های آن‌ها یعنی به ترتیب ریست و نرخ[۱] از آن‌ها یاد می‌شود. عبارت‌های تناسبی، انتگرالی و مشتقی باید با آزمون‌وخطا به‌طور مجزا برای یک سامانه مشخص تنظیم یا «کوک» شوند. از بین سه نوع کنترل‌کننده یاد شده، کنترل‌کننده‌های PID دقیق‌ترین و پایدارترین کنترل را ارائه می‌کنند.

کنترل دما با استفاده از PID

یک مثال خوب از کنترل دما با بهره‌گیری از PID مربوط به زمانی است که ورودی کنترل‌کننده از طریق یک حسگر دما تأمین می‌شود و خروجی به یک عنصر کنترل‌کننده از قبیل یک گرم‌کن یا فن متصل است. کنترل‌کننده عموماً تنها یک بخش سامانه کنترل دما است و برای انتخاب کنترل‌کننده مناسب کل سامانه باید مورد تجزیه‌وتحلیل قرار بگیرد.

نمونه مسائل کنترل‌کننده‌های PID

تقریباً تمامی کاربردهای کنترل فرآیند از به‌کارگیری کنترل‌کننده‌های PID سود می‌برند. در اینجا به چندین مسئله نمونه از کنترل‌کننده‌های PID اشاره می‌کنیم:

• عملیات حرارتی فلزات: عملیات کنترل دما به‌صورت «شیب‌دار و غوطه‌ور[۱]» نیازمند کنترل دقیق به‌منظور اطمینان از حصول خواص متالوژی مطلوب است.

• خشک‌کردن / تبخیر حلال‌ها از سطوح رنگ شده: شرایط فرا-دمایی می‌تواند منجر به آسیب دیدن به زیر لایه‌ها گردد درحالی‌که دماهای پایین به صدمه دیدن محصول و ظاهر نازیبا منتهی می‌گردد.

• عمل‌آوری لاستیک: کنترل دقیق دما انجام کامل عمل‌آوری را بدون هیچ‌گونه تأثیر منفی بر خواص ماده تضمین می‌کند.

• پخت: فرهای تجاری ملزم به پیروی دقیق از آرایه‌های از پیش تعیین شده‌ای از گرمایش و سرمایش هستند تا رخ دادن واکنش‌های لازم تضمین گردد.

[۱] Ramp & Soak

[۱] RESET and RATE

 

منبع