کنترل کننده PID

برای دستیابی به کنترل دقیق تر، پارامتر تحت کنترل باید اندازه گیری شده و با ورودی مرجع مقایسه شود و سیگنال تحریکی متناسب با تفاضل ورودی و خروجی به سیستم اعمال شده در نتیجه، خطا تصحیح شود. سیستمی با یک یا چند مسیر فیدبک مانند شکل ذیل، یک سیستم حلقه بسته نامیده می شود.

آشنایی با سیستم حلقه بسته و حلقه باز

کنترل کننده PID

یکی از روشهای کنترل دقیق در سیستمهای دارای بازخورد یا حلقه بسته، کنترل PID می باشد.
P مخفف Proportional یا کنترل تناسبی
I مخفف Integrator یا انتگرال گیر
D مخفف Derivative یا مشتق گیر

کنترلPID یک روش کنترل حلقه بسته است که ضرایب کنترلی تناسبی(P)، انتگرالی(I) و مشتق گیر(D) را با یکدیگر ترکیب می کند. کنترل تناسبی باعث ایجاد یک کنترل صاف و بدون تغییرات شدید می گردد. کنترل انتگرالی به طور خودکار خطای سیستم را اصلاح می کند. کنترل مشتق به سرعت به اختلالات پاسخ می دهد. کنترلرPID مورد استفاده ترین نوع کنترل در پروسه های مختلف به حساب می آید. زمانی که از این نوع کنترلر در سیستم استفاده می شود ترکیب کنترل های تناسبی، انتگرالی و مشتق باعث تکمیل شدن یکدیگر شده و در نهایت منجر به کاهش خطاهای سیستم و رسیدن آنها به صفر در زمان کوتاهی در مقایسه با سایر تکنیک های کنترلی می شود.

اغلب کنترلرها در صنعت به شکل پیوسته عمل می کنند، در این کنترلرها خروجی پیوسته در تغییر است تا بهتر بتواند میزان خطا را به صفر برساند و پارامتر مورد نظر را کنترل نماید. در این وضعیت حالتهای نوسانی عملکردON-OFF از بین می رود. کنترل کننده های با خروجی پیوسته از ادغام حالتهای تناسبی، انتگرالی و مشتق گیر به وجود می آیند. در ادامه به توضیح انواع کنترلر ها می پردازیم:

کنترلر تناسبی(P)
در کنترلر تناسبی، خروجی کنترل کننده در تناسب با مقدار خطاست. بدین معنی که با تغییر مقدار خطا، سیگنال خروجی از کنترلر در تناسب با آن زیاد یا کم می شود. همانطوری که در نمودار زیر نشان داده شده است. با افزایش ضریب تناسبی سرعت سیستم افزایش پیدا می کند و خطای حالت دائم را تا حدودی کاهش می دهد اما صفر نمی کند.

کنترل تناسبی–انتگرالی (PI)

به منظور حل مشکل کنترل تناسبی و حذف خطا، از عملکرد انتگرال استفاده می شود. انتگرال یک منحنی بین دو نقطه عبارت است از سطح زیر آن منحنی بین آن دو نقطه. در عملکرد انتگرال، سطح زیر منحنی خطا، انتگرال منحنی خطاست. از این رو هر چند در عملکرد تناسبی، منحنی خطا دارای انحراف است، ولی چنانچه عملکرد انتگرال را به آن بیافزاییم به مرور سطح زیر منحنی خطا زیاد می شود و این امر باعث افزایش سیگنال خروجی از کنترل کننده و کاهش مقدار خطا و انحراف می گردد. اما مقدار زیادی نوسانات ناخواسته به پاسخ گذرا اضافه می شود.

کنترل تناسبی-مشتق گیر (PD)

برای حذف نوسانات می توان از جمله مشتق گیر استفاده کرد اما در این حالت ممکن است خطا صفر نشود. از این کنترلر به ندرت استفاده می شود.

کنترل تناسبی–انتگرالی-مشتق گیر(PID)

چنانچه گفته شد عملکرد انتگرال به گذشته نظر دارد. برای افزودن آینده نگری به سیستم کنترل، عملکرد مشتق به دو عملکرد یاد شده اضافه می شود. مشتق یک منحنی در یک نقطه (در اینجا منحنی خطا) ضریب زاویه یا میل به آینده منحنی را در آن نقطه نشان می دهد. در این حالت ضریب مشتق گیر نوسانات ناخواسته را تضعیف می کند و پاسخ پله به حالت ایده آل نزدیک تر می شود.

کنترل کنندهPID

کنترل کننده های تناسبی به جهت از بین بردن نوسانات سیستم های کنترل ON-OFF طراحی شده اند. این کنترلرها از قابلیتی برخوردار هستند که به عملگرها )شیرها، موتورها، جک ها، رله ها و هیترها (اجازه می دهند تا یک موقعیت نسبی بین حالت روشن یا خاموش به خود بگیرند. کنترلر تناسبی به عملگر اجازه میدهد تا به صورت آنالوگ و پیوسته تغییرکند.
کنترل کننده های تناسبی می توانند کنترل دقیق تری از متغیرهای پروسه را به ما ارائه دهند چراکه خروجی این نوع کنترلرها می توانند هر مقداری مابین روشن بودن کامل یا خاموش بودن کامل مطابق با اندازه سیگنال خطا باشد.

تنظیم ضرایب PID:

کنترلر PID در پروسه های مختلف، کاربرد زیادی دارد. برای مثال در ایستگاه های پمپاژ آّب شهری برای ثابت نگه داشتن فشارآب از کنترلر PID استفاده می شود که این کار توسط سنسور فشار و درایو موتور AC مخصوص پمپ که دارای پارامترهای مخصوص PID می باشد، انجام می شود. برای تنظیم ضرایب PIDمعمولاً با سعی و خطا به مقدار درست برای آن سیستم و پروژه می رسند. همانطور که می دانید تنظیم ضرایبKp ، Ki و Kd موجب تغییر عملکرد سیستم حلقه بسته می گردد. در واقع این که در هر فرمان کنترلی باید چه نسبتی از تاثیرات ضرایب فوق با یکدیگر جمع شوند را تنظیم ضرایب می گویند.

تاثیر ضرایب روی سیستم: