منطق کنترلرهای PID

 کنترلرهای PID

یکی از وسایلی اصلی در ساخت سیستم کنترل و فرمان کوره، ترموستات یا کنترلر است. ترموستات وسیله ای است که می­تواند دمای یک سیستم را به نحوی تنظیم نماید تا همیشه نزدیک به دمای مورد نیاز ما باقی بماند. ترموستات عمل تنظیم دما را با روشن یا خاموش نمودن سیستم گرمایش یا سرمایش انجام می­دهد. ترموستات ها با روش های مختلف و با استفاده از حسگرهای متنوعی ساخته می شوند.

کنترلر‏ها از نظر کارآئی و قابلیت برنامه­ریزی، آنالوگ یا دیجیتال بودن، تعداد ورودی و خروجی، مکانیزم کنترل مکانیکی یا الکتریکی (PID یا PLC])، بودن انواع مختلفی دارند. سیستمهای PLC بسیار دقیقتر از کنترلهای PID عمل می­کنند ولی قیمت نهایی آنها 5-6 برابر کنترلر PID است. کنترلر PID با در نظر گرفتن پارامترهائي نظير نسبت تغييرات نقطه تنظيم با مقدار فعلي پروسه با فاکتورهائي نظير شدت تغييرات ناگهاني و ميزان تغييرات نسبت به زمان مي­تواند، کنترلي پيشرفته خصوصا در پروسه­هاي دمائي که استفاده از کنترلرهاي ساده باعث ايجاد نوسان دائمي دما مي­شود را ايجاد کند. الگوريتم PID در ميان همه ي الگوريتم هاي مطرح شده در علم كنترل، بيشتر جنبه صنعتي به خود گرفته است. به خصوص در زمينه كنترل دما از همه مناسب­تر به نظر مي­رسد. در اينجا براي بررسي بهتر، بحث را به چند قسمت تقسيم می­کنیم.

بر خلاف الگوريتم هاي ساده، الگوريتم PID اين قابليت را دارد كه با توجه به رفتار سيستم در گذشته و موقيت فعلي و همچنين با توجه به احتماخ رخداد خطا در آينده يك روش كنترلي را پياده كند. روش كار بدين صورت است كه بوسيله يك سنسور (ترموکوپل) موقيت فعلي دما بدست مي­آيد و بوسيله تفريق اين موقيت از موقيت مطلوب، خطاي سيستم محاسبه مي­گردد.

اين خطا جهت محاسبه سه مقدار استفاده مي­شود. مقدار اول كه در واقع سازنده ي قسمت Proportional سيستم است و بيانگر ميزان اثر پذيري خروجي سيستم از موقيت و خطاي فعلي است. مقدار دوم (Integration) سيستم، بيانگر ميزان اثر پذيري سيستم از جمع خطاهايي است كه سيستم در گذشته داشته است و به همین ترتیب مقدار سوم كه سازنده قسمتDerivative  سيستم است و بيانگر ميزان اثر پذيري سيستم از احتمال خطايي است كه سيستم در آينده خواهد داشت. جهت درك بهتر اثر هركدام از اين سه قسمت در خروجي الگوريم، هر كدام را به طور جداگانه و با بدون در نظر گرفتن ساير قسمت ها بررسي مي­كنیم.

1- قسمت Proportional:

قسمتP ، خروجي سيستم را به صورت نسبتي از خطاي سيستم تنظيم مي­كند. يعني در واقع جهت اصلاح خطا آن را با نسبتي خاص در ورودي و در جهت اصلاح آن اعمال مي­كند. انتخاب P هاي بزرگ سبب پاسخ سريع و بزرگ به سيستم مي­گردد كه در اكثر موارد منجر به ناپايداري سيستم مي­شود. انتخاب P ها كوچك زمان رسيدن به نقطه ي مطلوب را افزايش مي­دهد.

2- قسمت Integral:

بخش انتگرال­گير سيستم، حاصل جمع تعدادي از خطاهاي گذشته سيستم است. در واقع از زماني كه سيستم شروع به داشتن خطا مي­كند. خطاهاي سيستم در اين بخش جمع مي­شود و وقتي سيستم به موقيت مطلوب برد، دوباره اين بخش صفر مي­گردد. غالبا استفاده از I تنها منجر به پاسخ هاي بسيار كند و گهگاه نوساني مي­شود. به همين خاطر معمولا بخش P را با بخش I ترکيب كرده و كنترل كننده PI را بوجود مي­آورند. تركيب اين دو پارامتر، به جواب تقريبا قابل قبولي منجر مي­شود كه مي ­وان بخش هاي مختلف را با آن كنترل كرد.

3- قسمت Derivative:

بخشD  ناشي از سرعت تغييرات خطا مي­باشد. در حقيقت اين بخش بيانگر احتمال رخداد خطا در آينده است. اگر سرعت خطا زياد باشد اين بخش نيز بزرگ مي­گردد. اين بخش بيشتر جهت پاسخ دهي به خطاهاي ناگهاني استفاده می­شود و معمولا با  PIيا P مورد استفاده قرار مي­گيرد. عددهاي بزرگ D غالبا به ناپايداري سيستم منجر مي­شود.