کنترلر PID و انواع آن

در این مقاله قصد داریم در مورد کنترلر PID ، تاریخچه ، انواع  ، کاربرد آن و غیره صحبت کنیم.

فهرست مطالب

1-مقدمه

2- کنترل‌کننده PID چیست؟

3- تاریخچه کنترل‌کننده PID

4- بلوک دیاگرام کنترل‌کننده PID

5- عملکرد کنترل‌کننده PID

6- انواع کنترل‌کننده PID

7- کنترلرهای Real-Time  در PID

8- روش‌های تنظیم کننده PID

9- کاربردهای کنترل‌کننده PID

10- مزایا و معایب کنترل‌کننده PID

1-مقدمه

همانطور که از عنوان مقاله مشخص‌است، این مطلب قصد دارد یک ایده دقیق در مورد ساختار و عملکرد کنترلر PID ارائه دهد. کنترل‌کننده‌های PID در طیف وسیعی از کاربردها، برای کنترل فرآیندهای صنعتی یافت می‌شوند. تقریباً 95 درصد از عملیات حلقه بسته در بخش اتوماسیون صنعتی از کنترلرهای PID استفاده‌می‌کنند.

PID مخفف Proportional-Integral-Derivative است. این سه کنترلر به گونه ای ترکیب شده اند که می‌توانند یک سیگنال کنترلی تولید کنند.

در ادامه به بررسی تعریف کنترل‌کننده PID، ساختار و انواع آن پرداخته شده‌است.

2- کنترل‌کننده PID چیست؟

اصطلاح PID که مخفف Proportional-Integral-Derivative‌است به معنی مشتق انتگرال متناسب می‌باشد و نوعی دستگاه‌است که برای کنترل متغیرهای فرآیندهای مختلف مانند فشار، جریان، دما و سرعت در کاربردهای صنعتی‌استفاده‌می‌شود. در این کنترلر از یک قطعه کنترل حلقه فیدبک برای تنظیم تمامی متغیرهای فرآیند استفاده‌می‌شود. این‌نوع کنترل برای هدایت سیستم در جهت مورد نظر مانند کنترل دما، فرآیندهای علمی، اتوماسیون و غیره‌استفاده‌می‌شود.

در این مقاله به بررسی کنترلر PID با حالت های کنترلی استفاده‌شده در آن ها مانند P، I و D پرداخته شده‌است.

3- تاریخچه کنترل‌کننده PID

اولین کنترلر PID در سال 1911 PID توسط Elmer Sperry ساخته شد. پس از آن، TIC (شرکت ابزاری تیلور) یک کنترلر پنوماتیک با قابلیت تنظیم کامل در سال 1933 ارائه کرد. با گذشت چند سال، مهندسان کنترل توانستند خطای حالت ماندگار را که در کنترل‌کننده‌های تناسبی یافت می‌شد، حذف کنند. پس از آن، در سال 1940، اولین کنترل‌کننده PID پنوماتیک از طریق یک عمل مشتق برای کاهش مشکلات overshooting توسعه یافت. در سال 1942، Ziegler & Nichols قوانین تنظیم را برای یافتن و تنظیم پارامترهای مناسب کنترلرهای PID معرفی کردند. سرانجام، کنترل‌کننده‌های خودکار PID در اواسط سال 1950 به طور گسترده در صنایع مورداستفاده‌قرار گرفتند.

4- بلوک دیاگرام و ساختار کنترل‌کننده PID

همانطور که بررسی گردید، کنترل‌کننده PID از سه عبارت کنترل تناسب، انتگرال و مشتق تشکیل شده‌است. عملکرد ترکیبی این سه کنترل‌کننده یک استراتژی کنترلی برای کنترل فرآیند ارائه می‌دهد. کنترل‌کننده PID متغیرهای فرآیند مانند فشار، سرعت، دما، جریان و غیره را تغییر می‌دهد. در برخی از کاربرد ها از کنترل‌کننده‌های PID در شبکه های آبشاری استفاده‌می‌کنند که در آن از دو یا چند PID برای دستیابی به کنترل‌استفاده‌می‌شود.

کنترلر pid

شکل بالا ساختار کنترل‌کننده PID را نشان می‌دهد.

این ساختار از یک بلوک PID تشکیل شده‌است که‌خروجی خود را به بلوک فرآیند می‌دهد. فرآیند شامل دستگاه‌های کنترل نهایی مانند محرک ها، شیرها و غیره است.

یک سیگنال فیدبک ازخروجی (y(t با set-point یا سیگنال مرجع u(t) مقایسه میشود و سیگنال خطای مربوطه e(t) به عنوان ورودی به الگوریتم PID اعمال می‌شود (خطای صفر به این معنااست که‌خروجی موردنظر به‌دست‌آمده‌است و در این شرایط‌خروجی با سیگنال مبنا برابراست.) . با توجه به محاسبات کنترل تناسبی، انتگرال و مشتق در الگوریتم، کنترل‌کننده یک پاسخ ترکیبی یاخروجی کنترل شده تولید میکند که به دستگاه‌های کنترل اعمال میشود. همه برنامه‌های کنترلی به هر سه عنصر کنترلی نیاز ندارند. ترکیباتی مانند کنترل‌های PI و PD اغلب در کاربردهای عملی استفاده‌می‌شوند. این کنترلر نتایج خوبی را در مقایسه با کنترل‌کننده نوع‌ON/OFF ارائه می‌دهد.

در کنترل‌کننده نوع‌ON/OFF، به سادگی می‌توان با دو شرط به مدیریت سیستم دست یافت. به نحوی که، هنگامی که مقدارفرآیند از نقطه‌ثابت کمتر باشد، کنترلر روشن می‌شود و به طور مشابه، زمانی که مقدارفرآیند بالاتر از مقدارثابت باشد، خاموش میشود. خروجی‌در این‌نوع کنترل‌کننده پایدار نیست و به طور مکرر در ناحیه نقطه‌ثابت نوسان می‌کند. درحالیکه، کنترلر PID در مقایسه با کنترل‌کننده نوع‌ON/OFF، ثابت‌و دقیق تراست.

5- عملکرد کنترل‌کننده PID

بااستفاده از یک کنترل‌کننده ساده ON-OFF کم هزینه، تنها دو حالت کنترل، مانند کاملاً روشن یا کاملاً خاموش امکان پذیراست. این کنترلر برای یک برنامه کنترل محدود که در آن این دو حالت کنترلی برای هدف کنترل کافی هستند، استفاده‌می‌شود. با این حال ماهیت نوسانی این‌نوع کنترل، استفاده از آن را محدود میکند و از این رو با کنترل‌کننده‌های PID جایگزین میشود. کنترل‌کننده PID خروجی‌را به گونه ای حفظ می‌کند که مقدارخطا بین متغیر فرآیند و set-point/خروجی‌مورد نظر توسط عملیات حلقه بسته صفر باشد.

PID از سه رفتار کنترلی اساسی برای کنترل سیستم استفاده می‌کند که در ادامه توضیح داده شده‌است.

1- کنترلر- P

کنترلر-P، خروجی‌متناسب با خطای فعلی e (t) را می‌دهد. این کنترلر  set-point یا نقطه مورد نظر را با مقدارواقعی یا فیدبک مقایسه میکند. خطای حاصل به یک ثابت متناسب ضرب میشود تاخروجی بدست آید. اگر مقدارخطا صفر باشد، خروجی‌این کنترلر نیز صفر خواهد بود.

کنترلر-P در صورتی که به تنهایی استفاده شود، به دلیل این که هرگز به حالت پایدار نمی‌رسد، نیاز به بایاسینگ یا تنظیمات دستی دارد. اگرچه عملکرد پایدار را فراهم میکند اما همیشه خطای حالت پایدار را حفظ می‌کند. در کنترلر-P سرعت پاسخ ، زمانی افزایش می‌یابد که‌ثابت Kc نیز افزایش یابد.

2- کنترلر- I

با توجه به محدودیت کنترلر-P که همیشه بین متغیر فرآیند و set-point یک افست وجود دارد، به کنترلر-I  نیازاست که اقدامات لازم را برای حذف خطای حالت پایدار فراهم کند. کنترلر-I، خطا را در یک دوره زمانی همگن میکند تا هنگامی که مقدارخطا به صفر برسد. سپس این مقدار را برای دستگاه کنترل نهایی نگه می‌دارد که در آن مقدارخطا صفر میشود.

هنگامی که یک خطای منفی رخ می‌دهد، کنترلر-I خروجی‌خود را کاهش می‌دهد. سرعت پاسخگویی را محدود می‌کند و بر پایداری سیستم تأثیر می‌گذارد. سرعت پاسخ نیز با کاهش بهره انتگرال ( Ki) افزایش می‌یابد. با کاهش بهره کنترلر-I، خطای حالت پایدار نیز کاهش می‌یابد. از این رو در بیشتر موارد، از کنترل‌کننده PI استفاده‌می‌شود، به ویژه در مواردی که به پاسخ با سرعت بالا نیاز نیست. در حین استفاده از کنترلر PI، خروجی‌کنترلر-I تا حدودی برای غلبه بر شرایط پیچیده انتگرال که در آن‌خروجی انتگرال حتی در حالت خطای صفر به دلیل غیرخطی بودن در دستگاه افزایش می‌یابد، محدوداست.

3- کنترلر- D

کنترلر-I توانایی پیش بینی رفتار خطا در آینده را ندارد. بنابراین زمانی که set-point تغییر می‌کند به طور معمول واکنش نشان می‌دهد. کنترل‌کننده D با پیش بینی رفتار آینده خطا بر این مشکل غلبه میکند. خروجی‌این کنترلر به نرخ تغییر خطا نسبت به زمان، ضرب در ثابت مشتق بستگی دارد.

در شکل فوق، کنترلر بیش تر با کنترلر PI قیاس شده که در نتیجه تثبیت زمان خروجی افزایش یافته‌است. کنترلر- D با جبران تاخیر فاز ناشی از کنترلر-I ، پایداری سیستم را بهبود می بخشد. ازطرفی افزایش بهره مشتق باعث افزایش سرعت پاسخ میشود. در نهایت ترکیب این سه کنترلر می‌تواند پاسخ مورد نظر را برای سیستم به دست آورد.

6- انواع کنترل‌کننده PID

کنترلرهای PID به سه نوع کنترل‌کننده روشن/خاموش(ON/OFF)، تناسبی و استاندارد دسته بندی می‌شوند. این کنترلرها بر اساس سیستم کنترل انتخاب و استفاده‌می‌شوند، و کاربر می‌تواند از کنترلر برای تنظیم روش‌کنترل استفاده کند.

1- روش‌کنترل ON/OFF

روش‌کنترل ON/OFF  ساده ترین نوع‌دستگاهی است که برای کنترل دما استفاده‌می‌شود. خروجی دستگاه ممکن‌است بدون حالت مرکزی روشن/خاموش شود. این کنترلر زمانی که دما از نقطه‌ثابت عبور می‌کند، به سادگی خروجی را روشن می‌کند. به عنوان مثال، کنترلر محدود کننده، نوع‌خاص از کنترل‌کننده ON/OFF‌است که از یک رله نگهدارنده استفاده میکند. این رله به صورت دستی تنظیم می‌شود و برای خاموش کردن روش‌کنترلی پس از رسیدن به دمای معین استفاده‌میشود.

2- روش‌کنترل تناسبی

این‌نوع کنترل برای حذف چرخه ای طراحی شده‌است که از طریق کنترل ON/OFF ایجاد می‌شود. هنگامی که دما به نقطه‌ثابت می رسد، کنترل‌کننده PID، توان ورودی را که برای تامین دستگاه (به عنوان مثال، هیتر) است، کاهش می‌دهد. این کنترلر یک ویژگی برای کنترل دستگاه دارد تا از نقطه‌ثابت تجاوز نکند، اما برای حفظ دمای ثابت باید به نقطه‌ثابت برسد. این عمل تناسب را می‌توان از طریق روشن و خاموش کردن خروجی برای دوره‌های زمانی کوتاه به دست آورد. این تناسب زمانی، نسبت را از زمان روشن به زمان خاموش برای کنترل دما تغییر می‌دهد.

3- روش‌کنترلر PID نوع استاندارد

این‌نوع از کنترل‌کننده PID، کنترلر تناسب را بواسطه کنترلر انتگرال و مشتق ادغام می‌کند که به طور خودکار به واحد کمک کند تا تغییرات درون سیستم را جبران کند (تغییرات انتگرال و مشتق در واحدهای مبتنی بر زمان بیان می‌شوند). ارجاع کنترل‌کننده‌ها به ترتیب از طریق Reciprocal، RATE و RESET انجام میشود. همچنین پارامترهای  PID باید به طور جداگانه تنظیم شوند، در غیر این صورت با یک سیستم خاص به صورت آزمون و خطا تنظیم می­شوند. این کنترلرها دقیق ترین وثابت ترین کنترل را در بین سه نوع کنترل‌کننده ارائه می دهند.

7- کنترل‌کننده های Real-Time  در PID

در حال حاضر انواع مختلفی از کنترلرهای PID در بازار موجوداست. این کنترل‌کننده‌ها برای الزامات و نیازهای کنترل صنعتی مانند فشار، دما، سطح و جریان استفاده‌می‌شوند. هنگامی که این پارامترها از طریق PID کنترل می‌شوند، انتخاب ها شامل استفاده از یک کنترل‌کننده PID جداگانه یا یکی از PLC ها می‌شود. کنترل‌کننده‌های مجزا، در هر جایی که نیاز به بررسی یک حلقه و یا دو حلقه باشد، و همچنین در شرایطی که کنترل حق ورود از طریق سیستم‌های بزرگتر پیچیده باشد، استفاده‌می‌شوند. این دستگاه‌های کنترلی گزینه های مختلفی را برای کنترل یک و دو حلقه ارائه می دهند.

کنترل‌کننده PID

کنترلرهای PID نوع مستقل، چندین نوع پیکربندی نقطه‌ثابت را برای تولید چندین آلارم مستقل ارائه می‌کنند. کنترل‌کننده‌های مستقل عمدتاً شامل کنترل‌کننده‌های PID از Honeywell، کنترل‌کننده‌های دما از Yokogawa، کنترل‌کننده‌های autotune از  OMEGA، Siemens و ABB هستند. PLC ها مانند کنترل‌کننده‌های PID در اکثر برنامه‌های کاربردی کنترل صنعتی استفاده‌می‌شوند. چیدمان بلوک‌های PID می‌تواند در داخل PAC یا PLC انجام شود تا بدین ترتیب انتخاب‌های برتری برای کنترل دقیق PLC ارائه گردد. این کنترلرها در مقایسه با کنترلرهای جداگانه هوشمندتر و همچنین قدرتمندتر هستند. هر PLC شامل بلوک PID در برنامه نویسی نرم افزاراست.

8- روش‌های تنظیم کننده PID

برای استفاده از کنترلر PID، ابتدا باید پارامترهای هر کنترلر مطابق با پویایی فرآیندی که نیاز به کنترل دارد، تنظیم گردند. گاهی اوقات، طراحان مقادیر پیش‌فرض را به عبارت‌های P، I و D می‌دهند و این مقادیر نمی‌توانند عملکرد مطلوب را ارائه دهند که در نهایت منجر به بی‌ثباتی و کندی عملکرد کنترل می‌شوند. انواع مختلفی از روش‌های تنظیم کننده برای تنظیم کنترل‌کننده‌های PID، ایجاد و توسعه داده شده‌است که نیاز به توجه بسیار از سوی اپراتورها برای انتخاب مناسب ترین مقدار بهره‌ برای کنترلرهای تناسب، انتگرال و مشتق دارند. کنترل‌کننده‌های PID در اکثر برنامه‌های صنعتی استفاده‌می‌شوند، اما باید تنظیمات این کنترل‌کننده را دانست تا آن را به درستی تنظیم و خروجی مطلوب را تولید کرد.

بنابراین در کنترل‌کننده‌های PID تنظیمات چیزی جز روش دریافت یک پاسخ ایده‌آل از کنترل‌کننده از طریق تنظیم بهره متناسب، عوامل انتگرال و مشتق نیست. تکنیک‌های مختلفی برای دریافت خروجی مورد نیاز از کنترلر مانند آزمون و خطا ، منحنی واکنش فرآیند و زایگلر-نیکولز  وجود دارند که از جمله متداول ترین تکنیک‌ها هستند. در ادامه به بررسی هریک از آن ها پرداخته شده‌است.

1- روش آزمون و خطا:

این تکنیک، یک روش ساده برای تنظیم کنترلر PIDاست. در این‌نوع از تنظیم می‌توان کنترلر را در حالی که سیستم یا کنترلر در حال کاراست، تنظیم کرد. در این روش ابتدا باید مقادیر Ki و Kd را برابر صفر قرار داد و ترم تناسب (Kp) را تا زمانی که سیستم به رفتار نوسانی برسد افزایش داد. هنگامی که نوسان ایجاد شد، Ki (ترم انتگرال) را باید طوری مشخص کرد که نوسانات متوقف شود و در نهایت ترم Kd را برای رسیدن به پاسخ سریع تنظیم کرد.

2- تکنیک منحنی واکنش فرآیند:

این روش تنظیم، یک تکنیک تنظیم حلقه بازاست و هنگامی که یک ورودی پله ای به سیستم اعمال میشود، پاسخ تولید میکند. در این روش،  ابتدا باید مقداری خروجی کنترل به صورت دستی به سیستم اعمال شود و منحنی پاسخ ثبت گردد. پس از آن، باید شیب، زمان تلف شده، طول زمان افزایش منحنی را محاسبه و در نهایت مقادیر بدست آمده را در معادلات P، I و D جایگزین کرد تا مقادیر بهره ترم‌های PID بدست آید.

3- روش Zeigler-Nichols

در این روش، از تکنیک‌های حلقه بسته برای تنظیم کنترل‌کننده PID استفاده‌می‌شود. این تکنیک ها شامل روش چرخه پیوسته و روش نوسان میرا هستند که در واقع عملکرد و رویه‌ هر دو روش یکسان است، اما رفتار نوسانی متفاوتی دارند. به این صورت که، در ابتدا، بایدثابت کنترل‌کننده P (یعنی Kp) را در حالی که مقادیر Ki و Kd صفر هستند، روی یک مقدار خاص تنظیم کرد. بهره تناسب تا زمانی که سیستم با دامنه ثابت‌نوسان کند، افزایش می‌یابد. (به بهره ای که در سیستم نوسانات ثابت‌ایجاد می‌کند، بهره نهایی (Ku) و دوره نوسانات را دوره نهایی (Pc) می گویند.)

هنگامی که بهره به مقدار مطلوب رسید، می‌توان مقادیر P، I و D را در کنترلر PID توسط جدول Zeigler-Nichols وارد کرد، که البته بستگی به کنترل‌کننده مورد استفاده مانند P، PI یا PID دارد. جدول مذکور در ادامه نشان داده شده‌است.

9- کاربردهای کنترل‌کننده PID

یک دستگاه کنترل‌کننده PID معمولاً در صنایع برای کنترل یا تنظیم پارامترهای فیزیکی پیچیده محیط مانند دما و فشار استفاده‌می‌شود. همچنین می‌توان از آن برای حفظ این پارامترها در یک مقدارثابت استفاده‌کرد.

برخی از رایج ترین کاربردهای کنترل‌کننده PID در ادامه بررسی شده‌است:

1- یک کنترل‌کننده PID بخشی جدایی ناپذیر از سیستم کنترل دمای یک صنعت‌است.

در این حالت، ورودی کنترل‌کننده PID از طریق یک سنسور دما اعمال میشود و خروجی آن  به یک فن یا یک هیتر داده می‌شود که عملا به عنوان یک عنصر کنترل عمل می‌کنند. سرعت فن یا دمای هیتر با توجه به سیگنال فیدبک تنظیم می‌شود.

2- بیشتر صنایع تولیدی از کوره های عظیم برای ذوب و گرم کردن عناصر مختلف استفاده‌می‌کنند.

دمای چنین کوره هایی باید به طور دوره ای کنترل شود. همچنین، فرد باید بتواند دما را کنترل و تغییر دهد تا دمای کوره در مقدارثابت مورد نظر حفظ شود. برای این منظور به طور کلی از یک کنترل‌کننده PID استفاده‌میشود.

کنترلر pid

3- یک کنترلر PID بیشتر به عنوان کنترل‌کننده شارژ ردیاب حداکثر توان یا کنترل‌کننده شارژ MPPT استفاده‌میشود.

ویژگی های V-I یک سلول فتوولتائیک به طور کلی به دو پارامتر، تابش و دما بستگی دارد. به همین دلیل است که مقادیر جریان و ولتاژ اغلب مطابق با شرایط آب و هوایی تغییرمیکند. از آنجاییکه ردیابی بالاترین نقطه قدرت یک سلول فتوولتائیک یک کار پیچیده‌است، یک کنترل‌کننده PID معمولاً برای حفظ مقدار پایدار جریان و ولتاژ با ارزیابی MPPT و دادن مقدارثابت جریان و ولتاژ برای هر تغییر آب و هوا استفاده‌میشود.

4- کنترل‌کننده PID بیشتر در مبدل های قدرت استفاده‌میشود.

5- سازمان های مختلف تحقیق، توسعه و آزمایش مانند صنایع شیمیایی، دارویی و تولیدی از کنترل‌کننده‌های PID برای حفظ رطوبت و دمای یک منطقه خاص در یک سطح ثابت استفاده‌می‌کنند.

6- کنترل‌کننده‌های PID در دستگاه‌های کنترل pH، جریان و سرعت نیز استفاده‌می‌شوند.

10- مزایا و معایب کنترلر PID

یک کنترل‌کننده PID از طرق مختلفی سودمند است مانند:

• اکثر دستگاه‌های مدرن مجهز به کنترلرهای PID ارزان هستند.
• تنظیم و عملکرد کنترلرهای PID به تجربه زیادی نیاز ندارد. از این رو، یک فرد غیر ماهر نیز می‌تواند از چنین دستگاه‌هایی استفاده‌کند.
• کنترلرهای PID، کنترل دقیق set-point را فراهم می‌کنند، در نتیجه به کاربر اجازه می دهند دما یا فشار را به یک مقدارثابت خاص تثبیت‌کند.
• کنترل‌کننده‌های PID نیازی به تعمیر و نگهداری مکرر ندارند.
• دستگاه ها و سیستم های مجهز به کنترل‌کننده‌های PID به طور قابل توجهی پاسخگویی را بهبود بخشیده‌اند.

برخی از محدودیت ها یا معایب یک کنترلر PID عبارتند از:

• کنترل‌کننده‌های PID در صورتی که به درستی تنظیم نشده باشند می‌توانند ناپایدار باشند.
• این‌نوع کنترل‌کننده ها مستعد تقویت نویز مشتق هستند.
• کنترل‌کننده ممکن‌است نوسانات اطراف نقطه کار را حفظ کند و مشکلاتی ایجادکند.
• تغییرات مداوم در بار تمایل دارد بر عملکرد دینامیکی سیستم تأثیر بگذارد.
• تنظیم مکرر کنترلر ممکن است طول عمر را کاهش دهد و باعث ساییدگی و پارگی شود.