قبل شرح وحدة تحكم PID ، دعنا نراجع نظام التحكم. هناك نوعان من الأنظمة ؛ نظام الحلقة المفتوحة ونظام الحلقة المغلقة. نظام فتح حلقة والمعروف أيضا باسم النظام غير المنضبط و نظام حلقة وثيق يعرف باسم نظام التحكم. في نظام الحلقة المفتوحة ، لا يتم التحكم في الإخراج لأن هذا النظام لا يحتوي على تعليقات وفي نظام الحلقة المغلقة ، يتم التحكم في الإخراج بمساعدة وحدة التحكم ويتطلب هذا النظام مسارًا واحدًا أو أكثر من مسارات التغذية المرتدة. نظام الحلقة المفتوحة بسيط للغاية ولكنه غير مفيد في تطبيقات التحكم الصناعي لأن هذا النظام غير متحكم فيه. يعد نظام الحلقة المغلقة معقدًا ولكنه أكثر فائدة للتطبيق الصناعي ، لأنه في هذا النظام يمكن أن يكون خرج النظام مستقرًا بالقيمة المرغوبة ، PID هو مثال على نظام الحلقة المغلقة. الرسم التخطيطي لهذه الأنظمة كما هو مبين أدناه الشكل 1.
يُعرف نظام الحلقة المغلقة أيضًا بنظام التحكم في التغذية الراجعة ، ويستخدم هذا النوع من النظام لتصميم نظام مستقر تلقائيًا عند الإخراج أو المرجع المطلوب. لهذا السبب ، فإنه يولد إشارة خطأ. إشارة الخطأ e (t) هي فرق بين الإخراج y (t) والإشارة المرجعية u (t) . عندما يكون هذا الخطأ صفراً ، فهذا يعني أنه تم تحقيق المخرجات المرغوبة وفي هذه الحالة يكون الإخراج هو نفسه إشارة مرجعية.
على سبيل المثال ، يتم تشغيل المجفف لعدة مرات ، وهي قيمة محددة مسبقًا. عندما يتم تشغيل المجفف ، يبدأ المؤقت وسوف يعمل حتى ينتهي المؤقت ويعطي الإخراج (قطعة قماش جافة). هذا نظام حلقة مفتوحة بسيطة ، حيث لا يلزم التحكم في الإخراج ولا يتطلب أي مسار ملاحظات. إذا استخدمنا في هذا النظام مستشعر رطوبة يوفر مسارًا للتغذية الراجعة ويقارن ذلك بنقطة التحديد ويولد خطأ. يعمل المجفف حتى يصبح هذا الخطأ صفراً. هذا يعني أنه عندما تكون رطوبة القماش مماثلة لنقطة التحديد ، سيتوقف المجفف عن العمل. في نظام الحلقة المفتوحة ، سيعمل المجفف لوقت محدد بغض النظر عن الملابس الجافة أو الرطبة. ولكن في نظام الحلقة المغلقة ، لن يتم تشغيل المجفف لفترة محددة ، وسوف يعمل حتى تجف الملابس. هذه هي ميزة نظام الحلقة القريبة واستخدام وحدة التحكم.
تحكم PID وعمله:
إذن ما هو تحكم PID؟ تعتبر وحدة التحكم PID مقبولة عالميًا والأكثر استخدامًا في التطبيقات الصناعية لأن وحدة التحكم PID بسيطة وتوفر استقرارًا جيدًا واستجابة سريعة. PID تعني نسبي ، متكامل ، مشتق. في كل تطبيق ، يتنوع معامل هذه الإجراءات الثلاثة للحصول على الاستجابة المثلى والتحكم. إدخال وحدة التحكم هو إشارة خطأ ويتم إعطاء الإخراج للمصنع / العملية. يتم إنشاء إشارة خرج وحدة التحكم ، بطريقة تحاول إخراج المصنع لتحقيق القيمة المطلوبة.
وحدة تحكم PID هي نظام الحلقة المغلقة الذي يحتوي على نظام تحكم في التغذية الراجعة ويقارن متغير العملية (متغير التغذية المرتدة) مع نقطة الضبط ويولد إشارة خطأ ووفقًا لذلك يقوم بتعديل إخراج النظام. تستمر هذه العملية حتى يصل هذا الخطأ إلى الصفر أو تصبح قيمة متغير العملية مساوية لنقطة التحديد.
يعطي جهاز التحكم PID نتائج أفضل من جهاز التحكم ON / OFF. في وحدة التحكم ON / OFF ، تتوفر حالتان فقط للتحكم في النظام. يمكن أن يكون إما ON أو OFF. سيتم تشغيله عندما تكون قيمة العملية أقل من نقطة التحديد وسيتم إيقاف تشغيله عندما تكون قيمة العملية أكبر من نقطة التحديد. في وحدة التحكم هذه ، لن يكون الإخراج ثابتًا أبدًا ، وسيتأرجح دائمًا حول نقطة الضبط. لكن وحدة تحكم PID أكثر استقرارًا ودقة مقارنة بوحدة التحكم ON / OFF.
وحدة تحكم PID عبارة عن مزيج من ثلاثة شروط ؛ متناسب ومتكامل ومشتق. دعونا نفهم هذه المصطلحات الثلاثة بشكل فردي.
طرق التحكم PID:
الاستجابة النسبية (P):
يتناسب المصطلح "P" مع القيمة الفعلية للخطأ. إذا كان الخطأ كبيرًا ، يكون ناتج التحكم كبيرًا أيضًا وإذا كان الخطأ صغيرًا ، يكون الناتج صغيرًا أيضًا ، ولكن عامل الكسب (K p)
مع الأخذ في الاعتبار. تتناسب سرعة الاستجابة أيضًا بشكل مباشر مع عامل الكسب النسبي (K · p). لذلك ، يتم زيادة سرعة الاستجابة عن طريق زيادة قيمة K p ولكن إذا تم زيادة K p إلى ما بعد المعدل الطبيعي ، يبدأ متغير العملية بالتأرجح بمعدل مرتفع ويجعل النظام غير مستقر.
y (t) ∝ e (t) y (t) = k i * e (t)
هنا ، يتم ضرب الخطأ الناتج بعامل كسب التناسب (ثابت متناسب) كما هو موضح في المعادلة أعلاه. إذا تم استخدام وحدة التحكم P فقط ، في ذلك الوقت ، فإنها تتطلب إعادة تعيين يدويًا لأنها تحافظ على خطأ الحالة المستقرة (الإزاحة).
استجابة متكاملة (I):
تستخدم وحدة التحكم المتكاملة بشكل عام لتقليل خطأ الحالة المستقرة. المصطلح "أنا" يتكامل (فيما يتعلق بالوقت) مع القيمة الفعلية للخطأ . بسبب التكامل ، قيمة الخطأ الصغيرة جدًا ، ينتج عنها استجابة متكاملة عالية جدًا. يستمر إجراء وحدة التحكم المتكاملة في التغيير حتى يصبح الخطأ صفراً.
y (t) ∝ ∫ e (t) y (t) = k i ∫ e (t)
الكسب المتكامل يتناسب عكسيًا مع سرعة الاستجابة ، ويزيد k i ، ويقلل من سرعة الاستجابة. يتم استخدام وحدات التحكم النسبية والتكاملية (وحدة تحكم PI) من أجل سرعة استجابة جيدة واستجابة ثابتة للحالة.
استجابة مشتقة (د):
تستخدم وحدة التحكم المشتقة مع مزيج من PD أو PID. لم يتم استخدامه بمفرده ، لأنه إذا كان الخطأ ثابتًا (غير صفري) ، فسيكون خرج وحدة التحكم صفرًا. في هذه الحالة ، لا تتصرف وحدة التحكم في خطأ الحياة صفر ، ولكن في الواقع هناك بعض الخطأ (ثابت). ناتج وحدة التحكم المشتقة يتناسب طرديًا مع معدل تغيير الخطأ فيما يتعلق بالوقت كما هو موضح في المعادلة. عن طريق إزالة علامة التناسب ، نحصل على مشتق كسب ثابت (ك د). بشكل عام ، يتم استخدام وحدة التحكم المشتقة عندما تبدأ متغيرات المعالج في التذبذب أو تتغير بمعدل سرعة مرتفع جدًا. يستخدم D-controller أيضًا لتوقع السلوك المستقبلي للخطأ من خلال منحنى الخطأ. المعادلة الرياضية كما هو موضح أدناه ؛
y (t) ∝ de (t) / dt y (t) = K d * de (t) / dt
تحكم نسبي ومتكامل:
هذا هو مزيج من P و I تحكم. ناتج وحدة التحكم هو جمع كل من الاستجابات (النسبية والتكاملية). المعادلة الرياضية كما هو موضح أدناه ؛
y (t) ∝ (e (t) + ∫ e (t) dt) y (t) = k p * e (t) + k i ∫ e (t) dt
جهاز التحكم النسبي والمشتق: هذا هو مزيج من وحدة تحكم P و D. ناتج وحدة التحكم هو تجميع الاستجابات النسبية والمشتقة. المعادلة الرياضية لوحدة تحكم PD كما هو موضح أدناه ؛
y (t) ∝ (e (t) + de (t) / dt) y (t) = k p * e (t) + k d * de (t) / dt
وحدة تحكم متناسبة ومتكاملة ومشتقة: هذا هو مزيج من وحدة تحكم P و I و D. ناتج وحدة التحكم هو تجميع الاستجابات المتناسبة والتكاملية والمشتقة. المعادلة الرياضية لوحدة تحكم PD كما هو موضح أدناه ؛
y (t) ∝ (e (t) + ∫ e (t) dt + de (t) / dt) y (t) = k p * e (t) + k i e (t) dt + k d * دي (ر) / د
وبالتالي ، من خلال الجمع بين استجابة التحكم النسبي والمتكامل والمشتق ، تشكل وحدة تحكم PID.
طرق الضبط لوحدة تحكم PID:
للحصول على الإخراج المطلوب ، يجب ضبط وحدة التحكم هذه بشكل صحيح. تسمى عملية الحصول على استجابة مثالية من وحدة تحكم PID بواسطة إعداد PID ضبط وحدة التحكم. يعني إعداد PID تعيين القيمة المثلى لكسب الاستجابة التناسبية (k p) والمشتق (k d) والاستجابة المتكاملة (k i). يتم ضبط وحدة التحكم PID من أجل رفض الإزعاج يعني البقاء عند نقطة ضبط معينة وتتبع الأوامر ، مما يعني أنه إذا تم تغيير نقطة الضبط ، فسيتبع إخراج وحدة التحكم نقطة ضبط جديدة. إذا تم ضبط وحدة التحكم بشكل صحيح ، فسيتبع خرج وحدة التحكم نقطة الضبط المتغيرة ، مع تذبذب أقل وتخمد أقل
هناك عدة طرق لضبط وحدة تحكم PID والحصول على الاستجابة المطلوبة. طرق ضبط جهاز التحكم على النحو التالي ؛
- طريقة التجربة والخطأ
- تقنية منحنى تفاعل العملية
- طريقة زيجلر نيكولز
- طريقة الترحيل
- استخدام البرمجيات
1. طريقة التجربة والخطأ:
تُعرف طريقة التجربة والخطأ أيضًا باسم طريقة الضبط اليدوي وهذه الطريقة هي أبسط طريقة. في هذه الطريقة ، قم أولاً بزيادة قيمة kp حتى يصل النظام إلى استجابة متذبذبة ولكن يجب ألا يجعل النظام غير مستقر ويحافظ على قيمة kd و ki صفر. بعد ذلك ، حدد قيمة ki بحيث يتوقف تذبذب النظام. بعد ذلك حدد قيمة kd للاستجابة السريعة.
2. تقنية منحنى تفاعل العملية:
تُعرف هذه الطريقة أيضًا باسم طريقة ضبط Cohen-Coon. في هذه الطريقة ، قم أولاً بإنشاء منحنى تفاعل العملية استجابةً للاضطراب. من خلال هذا المنحنى يمكننا حساب قيمة كسب وحدة التحكم ووقت التكامل والوقت المشتق. يتم تحديد هذا المنحنى من خلال إجراء يدويًا في اختبار خطوة الحلقة المفتوحة للعملية. يمكن أن تجد معلمة النموذج من خلال النسبة المئوية للخطوة الأولية. من هذا المنحنى ، علينا إيجاد الانحدار والوقت الميت ووقت الصعود للمنحنى الذي لا يمثل سوى قيمة kp و ki و kd.
3. طريقة زيجلر نيكولز:
في هذه الطريقة أيضًا ، حدد أولاً قيمة ki و kd صفر. يزداد الكسب النسبي (kp) حتى يصل إلى الكسب النهائي (ku). الكسب النهائي ليس شيئًا ولكنه مكسب يبدأ عنده خرج الحلقة في التذبذب. يتم استخدام كو وفترة التذبذب Tu لاشتقاق مكاسب وحدة تحكم PID من الجدول أدناه.
|
نوع وحدة التحكم |
kp |
ك ط |
دينار كويتي |
|
ص |
0.5 ك ش |
|
|
|
PI |
0.45 ك ش |
0.54 ك ش / ش |
|
|
PID |
0.60 ك ش |
1.2 ك ش / ش |
3 ك ش تي ش / 40 |
4. طريقة الترحيل:
تُعرف هذه الطريقة أيضًا باسم طريقة Astrom-Hugglund. هنا يتم تبديل الإخراج بين قيمتين لمتغير التحكم ولكن يتم اختيار هذه القيم بحيث يجب أن تعبر العملية نقطة الضبط. عندما يكون متغير العملية أقل من نقطة الضبط ، يتم ضبط إخراج التحكم على القيمة الأعلى. عندما تكون قيمة العملية أكبر من نقطة الضبط ، يتم ضبط خرج التحكم على القيمة الأقل ويتم تشكيل شكل الموجة الناتج. يتم قياس فترة وسعة شكل الموجة المتذبذبة هذا وتستخدم لتحديد الكسب النهائي ku والفترة Tu المستخدمة في الطريقة أعلاه.
5. استخدام البرنامج:
لضبط PID وتحسين الحلقة ، تتوفر حزم البرامج. تجمع حزم البرامج هذه البيانات وتصنع نموذجًا رياضيًا للنظام. من خلال هذا النموذج ، يجد البرنامج معلمة ضبط مثالية من التغييرات المرجعية.
هيكل تحكم PID:
تم تصميم وحدات التحكم PID بناءً على تقنية المعالجات الدقيقة. تستخدم المصنوعات المختلفة بنية ومعادلة PID مختلفة. معادلات PID الأكثر شيوعًا هي ؛ معادلة PID المتوازية والمثالية والمتسلسلة.
في معادلة PID المتوازية ، تعمل الإجراءات النسبية والتكاملية والمشتقة بشكل منفصل مع بعضها البعض وتجمع تأثير هذه الإجراءات الثلاثة في النظام. رسم تخطيطي لهذا النوع من PID كما هو موضح أدناه ؛
في معادلة PID المثالية ، يتم توزيع الكسب الثابت k p على جميع المصطلحات. لذا ، فإن التغييرات في k p تؤثر على جميع المصطلحات الأخرى في المعادلة.
في معادلة PID التسلسلية ، يتم توزيع الكسب الثابت k p على جميع المصطلحات مثل معادلة PID المثالية ، ولكن في هذه المعادلة ، يكون للثابت المتكامل والمشتق تأثير على الإجراء النسبي.
تطبيقات جهاز التحكم PID:
التحكم في درجة الحرارة:
دعونا نأخذ مثالاً على مكيف الهواء لأي مصنع / عملية. نقطة الضبط هي درجة الحرارة (20 درجة مئوية) ودرجة الحرارة المقاسة للتيار بواسطة المستشعر 28 درجة مئوية. هدفنا هو تشغيل التيار المتردد عند درجة الحرارة المطلوبة (20 درجة مئوية). الآن ، المتحكم في التيار المتردد ، يقوم بتوليد إشارة وفقًا للخطأ (8 درجة مئوية) ويتم إعطاء هذه الإشارة إلى التيار المتردد. وفقًا لهذه الإشارة ، يتم تغيير خرج التيار المتردد وتنخفض درجة الحرارة إلى 25 درجة مئوية ، وستكرر نفس العملية مرة أخرى حتى يقيس مستشعر درجة الحرارة درجة الحرارة المطلوبة. عندما يكون الخطأ صفراً ، ستعطي وحدة التحكم أمر الإيقاف للتيار المتردد ومرة أخرى سترتفع درجة الحرارة إلى قيمة معينة ومرة أخرى سيولد الخطأ وتكرر نفس العملية باستمرار.
تصميم وحدة تحكم الشحن MPPT (الحد الأقصى لتتبع نقطة الطاقة) للطاقة الشمسية الكهروضوئية:
تعتمد الخاصية IV للخلية الكهروضوئية على درجة الحرارة ومستوى الإشعاع. لذلك ، فإن جهد التشغيل والتيار سوف يتغيران باستمرار فيما يتعلق بالتغير في الظروف الجوية. لذلك ، من المهم جدًا تتبع أقصى نقطة طاقة لنظام PV فعال. للعثور على MPPT ، يتم استخدام جهاز التحكم PID ومن أجل ذلك يتم إعطاء نقطة ضبط التيار والجهد إلى وحدة التحكم. إذا تغيرت الظروف الجوية ، فإن جهاز التعقب هذا يحافظ على ثبات الجهد والتيار.
محول إلكترونيات الطاقة:
تعد وحدة التحكم PID مفيدة للغاية في تطبيقات إلكترونيات الطاقة مثل المحولات. إذا كان المحول متصلاً بالنظام ، وفقًا للتغيير في الحمل ، يجب أن يتغير ناتج المحول. على سبيل المثال ، يتم توصيل العاكس بالحمل ، إذا زاد الحمل ، سيتدفق المزيد من التيار من العاكس. لذلك ، لم يتم إصلاح الجهد والمعلمة الحالية ، وسوف تتغير وفقًا للمتطلبات. في هذه الحالة ، يتم استخدام جهاز التحكم PID لتوليد نبضات PWM لتبديل IGBTs من العاكس. وفقًا للتغيير في الحمل ، يتم إعطاء إشارة التغذية المرتدة إلى وحدة التحكم وسوف تولد خطأ. يتم إنشاء نبضات PWM وفقًا لإشارة الخطأ. لذلك ، في هذه الحالة ، يمكننا الحصول على مدخلات متغيرة ومخرجات متغيرة بنفس العاكس.