کنترلر PID چیست؟

کنترلر PID چیست؟

کنترلر PID ابزاری است که در کاربردهای کنترل صنعتی برای تنظیم دما، جریان، فشار، سرعت و سایر متغیرهای فرآیند استفاده می شود. کنترل کننده های PID (مشتق انتگرال متناسب) از مکانیزم بازخورد حلقه کنترل برای کنترل متغیرهای فرآیند استفاده می کنند و دقیق ترین و پایدارترین کنترل کننده هستند.

کنترل PID یک روش ثابت برای هدایت یک سیستم به سمت یک موقعیت یا سطح هدف است. به عنوان وسیله ای برای کنترل دما عملاً در همه جا حاضر است و در فرآیندهای شیمیایی و علمی بی شمار و همچنین اتوماسیون کاربرد دارد. کنترل PID از بازخورد کنترل حلقه بسته استفاده می کند تا خروجی واقعی را از یک فرآیند تا حد ممکن نزدیک به هدف یا خروجی نقطه تنظیم نگه دارد.

کنترل کننده دمای PID چیست؟

همانطور که از نامش پیداست، یک کنترل کننده دمای PID، ابزاری است که برای کنترل دما، عمدتاً بدون دخالت گسترده اپراتور استفاده می شود. یک کنترل کننده PID در یک سیستم کنترل دما یک سنسور دما مانند ترموکوپل یا RD را به عنوان ورودی می پذیرد و دمای واقعی را با دمای کنترل یا نقطه تنظیم مورد نظر مقایسه می کند. سپس یک خروجی به یک عنصر کنترلی ارائه می دهد.

اینورتر GA700 یاسکاوا

کنترلر دیجیتال PID چیست؟

یک کنترلر دیجیتال PID سیگنال سنسور را معمولاً از یک ترموکوپل یا RTD می خواند و اندازه گیری را به واحدهای مهندسی مانند درجه فارنهایت یا سانتیگراد متصل می کند که سپس در قالب دیجیتال نمایش داده می شوند.

تاریخچه کنترلر PID

اولین تکامل کنترلر PID در سال 1911 توسط المر اسپری توسعه یافت. با این حال، تا سال 1933 بود که شرکت ابزاری تیلور (TIC) اولین کنترلر پنوماتیکی را با یک کنترلر تناسبی کاملاً قابل تنظیم معرفی کرد. چند سال بعد، مهندسان کنترل خطای حالت پایدار موجود در کنترل‌کننده‌های تناسبی را با تنظیم مجدد نقطه به مقدار مصنوعی تا زمانی که خطا صفر نبود، حذف کردند. این بازنشانی خطا را "یکپارچه" کرد و به عنوان کنترل کننده متناسب-انتگرال شناخته شد. سپس، در سال 1940، TIC اولین کنترلر پنوماتیک PID را با عملکرد مشتق توسعه داد، که مشکلات بیش از حد را کاهش داد. با این حال، تا سال 1942، زمانی که قوانین تنظیم زیگلر و نیکولز معرفی شدند، مهندسان توانستند پارامترهای مناسب کنترلرهای PID را پیدا و تنظیم کنند. در اواسط دهه 1950، کنترل کننده های خودکار PID به طور گسترده ای برای استفاده صنعتی مورد استفاده قرار گرفتند.

یک کنترلر PID چگونه کار می کند؟

یک کنترل کننده مشتق انتگرال متناسب (PID) می تواند به عنوان وسیله ای برای کنترل دما، فشار، جریان و سایر متغیرهای فرآیند استفاده شود. همانطور که از نام آن پیداست، یک کنترلر PID کنترل تناسبی را با تنظیمات انتگرال و مشتق اضافی ترکیب می کند که به واحد کمک می کند تا به طور خودکار تغییرات در سیستم را جبران کند.

اینورتر L1000 یاسکاوا

اصول اولیه کنترل کننده PID

هدف یک کنترلر PID این است که بازخورد را وادار کند تا با یک نقطه تنظیم مطابقت داشته باشد، مانند ترموستاتی که واحد گرمایش و سرمایش را وادار می کند تا بر اساس دمای تنظیم شده روشن یا خاموش شود. کنترل‌کننده‌های PID در سیستم‌هایی که جرم نسبتاً کوچکی دارند و آن‌هایی که به سرعت به تغییرات انرژی اضافه شده به فرآیند واکنش نشان می‌دهند، بهترین استفاده را دارند. در سیستم هایی که بار اغلب تغییر می کند و انتظار می رود کنترل کننده به دلیل تغییرات مکرر در نقطه تنظیم، مقدار انرژی موجود یا جرمی که باید کنترل شود، به طور خودکار آن را جبران کند، توصیه می شود.

اصل کار کنترلر PID

اصل کار در پشت کنترل کننده PID این است که عبارت های متناسب، انتگرال و مشتق باید به صورت جداگانه تنظیم یا "تنظیم" شوند. بر اساس تفاوت بین این مقادیر یک ضریب تصحیح محاسبه شده و به ورودی اعمال می شود. برای مثال، اگر فر خنک‌تر از حد نیاز باشد، حرارت آن افزایش می‌یابد. در اینجا سه ​​مرحله وجود دارد:

تنظیم متناسب شامل اصلاح یک هدف متناسب با تفاوت است. بنابراین، مقدار هدف هرگز به دست نمی‌آید زیرا با نزدیک شدن به صفر اختلاف، تصحیح اعمال شده نیز انجام می‌شود.

تنظیم انتگرال تلاش می کند تا با جمع کردن مؤثر خطای حاصل از عمل "P" برای افزایش ضریب تصحیح، این مشکل را برطرف کند. به عنوان مثال، اگر اجاق گاز زیر درجه حرارت باقی بماند، "I" برای افزایش هد تحویل عمل می کند. با این حال، به جای توقف گرمایش در هنگام رسیدن به هدف، "I" تلاش می کند تا خطای تجمعی را به صفر برساند، و در نتیجه باعث افزایش بیش از حد می شود.

تنظیم مشتق تلاش می کند تا با کاهش ضریب تصحیح اعمال شده در هنگام نزدیک شدن به هدف، این بیش از حد را به حداقل برساند.

اصل کار کنترل کننده دما PID

یک کنترل کننده مشتق انتگرال متناسب (PID) می تواند به عنوان وسیله ای برای کنترل دما، فشار، جریان و سایر متغیرهای فرآیند استفاده شود. همانطور که از نام آن پیداست، یک کنترلر PID کنترل تناسبی را با تنظیمات انتگرال و مشتق اضافی ترکیب می کند که به واحد کمک می کند تا به طور خودکار تغییرات در سیستم را جبران کند.

اینورتر GA500 یاسکاوا

انواع کنترلر PID

سه نوع اصلی کنترل کننده وجود دارد: روشن-خاموش، تناسبی و PID. بسته به سیستمی که باید کنترل شود، اپراتور قادر خواهد بود از یک نوع یا دیگری برای کنترل فرآیند استفاده کند.

کنترل روشن/خاموش

یک کنترل کننده روشن خاموش ساده ترین نوع دستگاه کنترل دما است. خروجی دستگاه یا روشن یا خاموش است، بدون حالت متوسط. یک کنترل کننده روشن و خاموش تنها زمانی خروجی را تغییر می دهد که دما از نقطه تنظیم عبور کند. یک نوع خاص از کنترل روشن و خاموش، کنترل کننده حد است. این کنترلر از یک رله چفت کننده استفاده می کند که باید به صورت دستی تنظیم مجدد شود و برای خاموش کردن یک فرآیند در زمان رسیدن به دمای مشخصی استفاده می شود.

کنترل متناسب

کنترل های متناسب برای حذف دوچرخه سواری مرتبط با کنترل روشن و خاموش طراحی شده اند. با نزدیک شدن دما به نقطه تنظیم، یک کنترل کننده متناسب، متوسط توان تامین شده به بخاری را کاهش می دهد. این امر باعث کاهش سرعت بخاری می شود به طوری که از نقطه تنظیم فراتر نمی رود بلکه به نقطه تنظیم نزدیک می شود و دمای ثابتی را حفظ می کند. این عمل تناسب را می توان با روشن و خاموش کردن خروجی برای فواصل زمانی کوتاه انجام داد. این "تناسب زمانی" نسبت زمان "روشن" به زمان "خاموش" را برای کنترل دما تغییر می دهد.

کنترل کننده استاندارد PID

این کنترلر استاندارد PID کنترل تناسبی را با کنترل انتگرال و مشتق (PID) ترکیب می کند که به واحد کمک می کند تا تغییرات سیستم را به طور خودکار جبران کند. این تنظیمات، انتگرال و مشتق، در واحدهای مبتنی بر زمان بیان می شوند. آنها همچنین به ترتیب با RESET و RATE به آنها اشاره می کنند. عبارات متناسب، انتگرال و مشتق باید به صورت جداگانه با استفاده از آزمون و خطا با یک سیستم خاص تنظیم یا "تنظیم" شوند. کنترلرهای PID دقیق ترین و پایدارترین کنترل را در بین سه نوع کنترل کننده ارائه می دهند.

کنترل دما با استفاده از PID

یک مثال خوب از کنترل دما با استفاده از PID برنامه‌ای است که در آن کنترل‌کننده ورودی را از یک سنسور دما می‌گیرد و دارای خروجی است که به یک عنصر کنترلی مانند بخاری یا فن متصل است. کنترلر معمولاً تنها بخشی از یک سیستم کنترل دما است و کل سیستم باید در انتخاب کنترل کننده مناسب آنالیز و در نظر گرفته شود.

مثال مشکل کنترل کننده PID

تقریباً هر برنامه کنترل فرآیند از کنترل PID بهره می برد. در اینجا چندین مثال مشکل کنترل کننده PID آورده شده است:

عملیات حرارتی فلزات: توالی های "Ramp & Soak" به کنترل دقیق نیاز دارند تا از دستیابی به خواص متالورژیکی مطلوب اطمینان حاصل شود.

تبخیر حلال ها از سطوح رنگ شده: شرایط دمای بیش از حد می تواند به لایه ها آسیب برساند در حالی که دمای پایین می تواند منجر به آسیب محصول و ظاهر نامناسب شود.

لاستیک پخت: کنترل دقیق دما تضمین می کند که پخت کامل بدون تأثیر منفی بر خواص مواد حاصل می شود.

پخت: اجاق‌های تجاری باید از ترتیبات گرمایشی و سرمایشی دقیقی پیروی کنند تا از انجام واکنش‌های لازم اطمینان حاصل شود.