فهم وحدة تحكم PID

تم التحقق عمليًا من أول تقييم ناجح لنظرية التحكم PID في مجال أنظمة التوجيه الآلي للسفن ، منذ حوالي عام 1920. بعد ذلك تم تطبيقه في العديد من ضوابط العمليات الأوتوماتيكية الصناعية التي تتطلب مواصفات إنتاج تصنيع محسنة ودقيقة. بالنسبة لوحدات التصنيع ، تم تطبيق PID بشكل شائع لتحقيق تحكم هوائي دقيق ، وفي النهاية تم تطبيق نظرية PID في وحدات التحكم الإلكترونية في العصر الحديث.

ما هي وحدة تحكم PID

مصطلح PID هو اختصار لوحدة تحكم مشتقة متكاملة ، وهي آلية حلقة تغذية مرتدة مصممة للتحكم الدقيق في مختلف آليات التحكم الصناعي والعديد من التطبيقات المماثلة الأخرى التي تتطلب ضوابط تعديل آلية وآلية.

من أجل تنفيذ ذلك ، تراقب وحدة التحكم PID باستمرار تشغيل النظام وتحسب عنصر الخطأ المستحث. ثم تقوم بتقييم قيمة الخطأ الفوري هذه في شكل اختلاف بين نقطة الضبط المطلوبة (SP) ومتغير العملية المقاسة (PV).

بالإشارة إلى ما سبق ، يتم تنفيذ تصحيح ردود الفعل اللحظي والتلقائي من حيث التعبيرات النسبية (P) والتكامل (I) والمشتق (D) ، ومن ثم اسم وحدة التحكم PID.

بكلمات بسيطة ، تراقب وحدة التحكم PID بشكل مستمر عمل نظام آلة معين ، وتحافظ على تصحيح استجابة الإخراج اعتمادًا على الاختلافات التي تسببها التأثيرات الخارجية ، من خلال خوارزمية محددة. وبالتالي ، فإنه يضمن أن الآلة تعمل دائمًا في ظل الظروف المثالية المنصوص عليها.

فهم مخطط كتلة PID

تعتبر وحدة التحكم PID نظام تحكم متعدد الاستخدامات نظرًا لقدرتها على اكتشاف وإدارة 3 معلمات تحكم: متناسبة ومتكاملة ومشتقة ، وتطبيق التحكم الأمثل المقصود على الإخراج بدقة قصوى ، مع الإشارة إلى هذه المعلمات الثلاثة.

توضح الصورة أدناه مخطط كتلة PID. يمكننا أن نفهم بسرعة المبدأ الأساسي لعمل PID من خلال الرجوع إلى مخطط الكتلة هذا.

الصورة مجاملة: en.wikipedia.org/wiki/File:PID_en.svg

نحن هنا قادرون على رؤية مجموعة من المتغيرات مثل e (t) المقابلة لقيمة الخطأ ، و r (t) المقابلة لنقطة التحديد المستهدفة ، و y (t) كمتغير للعملية المقاسة. تراقب وحدة التحكم PID طوال عملياتها قيمة الخطأ e (t) من خلال تقييم الفرق بين نقطة الضبط المقصودة r (t) أو SP وقيمة العملية المقاسة y (t) أو PV ، وبالتالي تنفذ تصحيح التغذية المرتدة أو التحسين باستخدام المعلمات وهي: النسبي والتكامل والمشتق.

تستمر وحدة التحكم في بذل جهد لتقليل تأثير الخطأ طوال الوقت ، عن طريق ضبط متغير التحكم u (t) على القيم الجديدة بناءً على المجموع المرجح لتحليل شروط التحكم (p ، I ، d).

على سبيل المثال ، في تشغيل التحكم في الصمام ، قد يتنوع فتحه وإغلاقه باستمرار بواسطة PID من خلال تقييمات معقدة ، كما هو موضح أعلاه.

في النظام الموضح ، يمكن فهم المصطلحات المختلفة كما هو موضح أدناه:

P- المراقب:

يتناسب المصطلح P مع قيم الخطأ الفوري e (t) المكتسبة من خلال تقييم نتيجة SP-PV. في الحالة التي تميل فيها قيمة الخطأ إلى التزايد ، يصبح ناتج التحكم أيضًا أكبر نسبيًا بالرجوع إلى عامل الكسب 'K'. ومع ذلك ، في عملية تتطلب تعويضًا مثل التحكم في درجة الحرارة ، قد يؤدي التحكم التناسبي بشكل منفرد إلى عدم الدقة عبر نقطة التحديد وقيمة العملية الفعلية ، نظرًا لأنه لا يمكن أن يعمل بشكل مرض بدون ردود فعل خطأ لتوليد استجابة متناسبة. يشير إلى أنه بدون ملاحظات خطأ ، قد لا تكون الاستجابة التصحيحية المناسبة ممكنة.

ط- المراقب:

يصبح المصطلح I مسؤولاً عن القيم التي تم تقييمها مسبقًا لأخطاء SP - PV ، ويدمجها خلال فترة التشغيل لإنشاء المصطلح I. على سبيل المثال أثناء تطبيق التحكم النسبي إذا كان SP-PV ينتج بعض الخطأ ، فإن المعلمة I نشطًا ويحاول إنهاء هذا الخطأ المتبقي. يحدث هذا في الواقع مع استجابة تحكم يتم تشغيلها بسبب القيمة التراكمية للخطأ المسجلة في وقت سابق. بمجرد حدوث ذلك ، يتوقف مصطلح I عن التعزيز أكثر. يؤدي هذا إلى تقليل التأثير النسبي بشكل متناسب مع وفاة عامل الخطأ ، على الرغم من أن هذا يتم تعويضه أيضًا مع تطور التأثير المتكامل.

د- المراقب:

المصطلح D هو أنسب تقريب يتم استنتاجه للاتجاهات المتطورة لخطأ SP-PV ، اعتمادًا على معدل التغيير الفوري لعامل الخطأ. إذا تحسن معدل التغيير هذا بسرعة ، فسيتم تنفيذ التحكم في التغذية الراجعة بشكل أكثر قوة ، والعكس صحيح.

ما هو ضبط PID

قد تتطلب المعلمات التي تمت مناقشتها أعلاه موازنة صحيحة لضمان وظيفة التحكم المثلى ، ويتم تحقيق ذلك من خلال عملية تسمى 'ضبط الحلقة'. يشار إلى ثوابت التوليف المتضمنة بالرمز 'K' كما هو موضح في الاستقطاعات التالية. يجب اشتقاق كل من هذه الثوابت بشكل فردي لتطبيق محدد ، نظرًا لأن الثوابت تعتمد بشكل صارم وتختلف وفقًا لخصائص وتأثيرات المعلمات الخارجية المحددة المشاركة في الحلقة. قد تشمل هذه استجابة المستشعرات المستخدمة لقياس معلمة معينة ، وعنصر الاختناق النهائي مثل صمام التحكم ، ومدة زمنية محتملة في إشارة الحلقة والعملية نفسها وما إلى ذلك.

قد يكون من المقبول استخدام قيم تقريبية للثوابت في بداية التنفيذ بناءً على نوع التطبيق ، ولكن هذا قد يتطلب في النهاية بعض الضبط الدقيق والتعديل من خلال التجارب العملية ، عن طريق فرض تغييرات في نقاط التحديد ثم مراقبة استجابة نظام مراقبة.

سواء أكان نموذجًا رياضيًا أو في حلقة عملية ، يمكن رؤية كلاهما باستخدام إجراء تحكم 'مباشر' للمصطلحات المحددة. بمعنى عندما يتم الكشف عن زيادة في الخطأ الإيجابي ، يتم بدء التحكم الإيجابي المقابل للتحكم في حالة المصطلحات المعنية التي تم تلخيصها.

ومع ذلك ، قد يكون هذا مطلوبًا لعكسه في التطبيقات حيث قد يكون لمعلمة الإخراج خاصية تكوينها بشكل معاكس تستلزم إجراء تصحيحي عكسي. دعنا نفكر في مثال حلقة التدفق حيث يتم تحديد عملية فتح الصمام للعمل باستخدام خرج بنسبة 100٪ و 0٪ ، ولكن يجب التحكم فيها بإخراج مقابل 0٪ و 100٪ ، وفي هذه الحالة يصبح التحكم التصحيحي العكسي ضروريًا. لكي تكون أكثر دقة ، ضع في اعتبارك نظام تبريد مائي به ميزة حماية حيث يلزم أن يكون الصمام مفتوحًا بنسبة 100٪ أثناء فقدان الإشارة. في هذه الحالة ، يجب أن يكون خرج جهاز التحكم قادرًا على التغيير إلى تحكم بنسبة 0٪ في حالة عدم وجود إشارة ، بحيث يكون الصمام قادرًا على الفتح بنسبة 100٪ كاملة ، وهذا ما يسمى بالتحكم 'العكسي'.

النموذج الرياضي لوظيفة التحكم

في هذا النموذج الرياضي ، تشير جميع الثوابت غير السالبة Kp و Ki و Kd إلى معاملات للمصطلحات النسبية والتكاملية والمشتقة على التوالي (في بعض الحالات يتم الإشارة إليها أيضًا P و I و D).

تخصيص شروط التحكم PID

من المناقشات المذكورة أعلاه ، فهمنا أن نظام التحكم PID يعمل بشكل أساسي مع ثلاثة معلمات تحكم ، ومع ذلك قد تفضل بعض التطبيقات الأصغر استخدام اثنين من هذه المصطلحات أو حتى مصطلح واحد من المصطلحات الثلاثة.

يتم التخصيص عن طريق تحويل المصطلح غير المستخدم إلى إعداد صفري ، ودمج المصطلحين PI أو PD أو المصطلحات الفردية مثل P أو I. ومن بين هذه المصطلحات ، يعد تكوين وحدة تحكم PI أكثر شيوعًا نظرًا لأن المصطلح D عادة ما يكون عرضة للضوضاء التأثيرات وبالتالي يتم التخلص منها في معظم الحالات ، ما لم يكن إلزاميًا بشكل صارم. عادة ما يتم تضمين المصطلح الأول لأنه يضمن للنظام تحقيق القيمة المستهدفة المثلى المقصودة عند المخرجات.