کنترل‌کننده پی‌آی‌دی (PID) یا ترموستات pid چیست؟ کنترل کننده PID ابزاری است که در برنامه های کنترل صنعتی برای تنظیم دما، جریان، فشار، سرعت و سایر متغیرهای فرآیند استفاده می شود. کنترل کننده های PID (کنترل کننده تناسبی-انتگرالی-مشتقی) (به انگلیسی: proportional integral derivative controllers) از مکانیزم بازخورد حلقه کنترل برای کنترل متغیرهای فرآیند استفاده می کنند و دقیق ترین و پایدارترین کنترل کننده هستند.
کنترل PID روشی بسیار معتبر برای هدایت یک سیستم به سمت یک موقعیت یا سطح هدف است. این نوع کنترل کننده ها به عنوان ابزاری برای کنترل دما عملاً در همه جا وجود دارند و در بسیاری از فرآیندهای شیمیایی و علمی و همچنین اتوماسیون کاربرد دارند. کنترل PID از بازخورد کنترل حلقه بسته استفاده می کند تا بتواند تا آنجا که امکان دارد خروجی واقعی یک فرآیند را به هدف یا خروجی نقطه تنظیم نزدیک کند.
کنترل کننده دمای PID چیست؟
همانطور که از نام آن نیز به وضوح قابل درک است، یک کنترل کننده دمای PID، ابزاری است که برای کنترل دما، عمدتاً بدون درگیری گسترده اپراتور مورد استفاده قرار می گیرد. یک کنترل کننده PID در سیستم کنترل دما، سنسور دما مانند ترموکوپل یا RD را به عنوان ورودی می گیرد و دمای واقعی را با دمای کنترل یا نقطه تنظیم مورد نظر مقایسه می کند. سپس یک خروجی را برای یک عنصر کنترل فراهم می کند.
کنترل کننده PID دیجیتال چیست؟
یک کنترل کننده PID دیجیتال معمولاً سیگنال سنسور را از یک ترموکوپل یا RTD می‌خواند و اندازه‌گیری را به واحدهای مهندسی مانند درجه، فارنهایت یا سانتیگراد مرتبط می کند، که بعداً به صورت دیجیتال نمایش داده می شوند.
تاریخچه کنترل کننده PID
اولین تحول در زمینه کنترل کننده PID در سال ۱۹۱۱ توسط المر اسپری به وقوع پیوست. با این حال، در سال ۱۹۳۳ بود که شرکت سازه ای تیلور (به انگلیسی: Taylor Instrumental Company) (TIC) اولین کنترل کننده پنوماتیک را با یک کنترل کننده تناسبی کاملاً قابل تنظیم معرفی کرد. چند سال بعد، مهندسان کنترل با تنظیم مجدد مقدار نقطه تنظیم به یک مقدار مجازی، تا زمانی که خطا صفر نبود، در تلاش برای از بین بردن خطای حالت پایدار موجود در کنترل کننده های تناسبی برآمدند. این تنظیم مجدد، خطا را “یکپارچه” می کند و به کنترل کننده تناسبی- انتگرالی معروف شد. سپس، در سال ۱۹۴۰، TIC اولین كنترل كننده پنوماتیك PID را با یك عملکرد مشتقی توسعه داد، كه باعث كاهش نتایج مسئله فرارفت شد. با این حال، در سال ۱۹۴۲ بود که زیگلر و نیکولز قوانین تنظیم را ارائه دادند که در نتیجه آن، مهندسان توانستند پارامترهای مناسب کنترل کننده های PID را پیدا و تنظیم کنند. در اواسط دهه ۱۹۵۰، کنترل کننده های PID اتوماتیک به طور گسترده ای برای کاربردهای صنعتی مورد استفاده قرار گرفتند.
کنترل کننده PID چگونه کار می کند؟
یک کنترل کننده تناسبی- انتگرالی – مشتقی (PID) می تواند به عنوان ابزاری برای کنترل دما، فشار، جریان و سایر متغیرهای فرآیند استفاده شود. همانطور که از نام آن پیداست، یک کنترل کننده PID، کنترل تناسبی را با تنظیمات انتگرالی و مشتقی اضافی ترکیب می کند که به واحد کمک می کند تا به طور خودکار تغییرات سیستم را جبران کند.
مبانی کنترل کننده PID
هدف یک کنترل کننده PID این است که بازخورد را مجبور کند تا با یک نقطه تنظیم مطابقت داشته باشد، مانند یک ترموستات که واحد گرمایشی و سرمایشی را وادار به روشن یا خاموش شدن بر اساس دمای تنظیم شده می کند. کنترل کننده های PID در سیستم هایی که جرم نسبتاً کمی دارند و سیستم هایی که در برابر تغییرات انرژی افزدوه شده به فرآیند به سرعت واکنش نشان می دهند، بهتر عمل می کنند. استفاده از این کنترل کننده ها در سیستم هایی که در آنها بار اغلب تغییر می کند و انتظار می رود به دلیل تغییرات مکرر در نقطه تنظیم، کنترل کننده میزان انرژی موجود یا جرم قابل کنترل را به طور خودکار جبران کند، توصیه می شود.
اصل کار کنترل کننده PID
اصل کار یک کنترل کننده PID این است که بخش های تناسبی، انتگرالی و مشتقی باید به صورت جداگانه تنظیم یا “tuned” شوند. بر اساس تفاوت بین این مقادیر، یک ضریب تصحیح محاسبه و به ورودی اعمال می شود. به عنوان مثال، اگر یک کوره خنک تر از حد مورد نیاز باشد، گرما افزایش می یابد. در اینجا سه مرحله وجود دارد:
تنظیم تناسبی شامل اصلاح هدف متناسب با اختلاف است. بنابراین، مقدار هدف هرگز حاصل نمی شود زیرا هرچه اختلاف به صفر نزدیک می شود، اصلاح اعمال شده نیز انجام می گردد.
تنظیم انتگرالی تلاش می کند تا با جمع آوری مؤثر نتیجه خطا از عمل “P” برای افزایش ضریب تصحیح، این مشکل را برطرف کند. به عنوان مثال، اگر کوره زیر دمای مورد نظر باشد، “I” برای افزایش دما به دمای داده شده عمل می کند. با این وجود، “I” سعی می کند خطای تجمعی را به صفر برساند، و در نتیجه منجر به یک فراجهش می شود.
تنظیم مشتقی تلاش می کند تا با کاهش سرعت ضریب تصحیح اعمال شده در هنگام رسیدن به هدف، این فراجهش را به حداقل برساند.
یک کنترل کننده تناسبی- انتگرالی – مشتقی (PID) می تواند به عنوان ابزاری برای کنترل دما، فشار، جریان و سایر متغیرهای فرآیند استفاده شود. همانطور که از نام آن پیداست، یک کنترل کننده PID، کنترل تناسبی را با تنظیمات انتگرالی و مشتقی اضافی ترکیب می کند که به واحد کمک می کند تا به طور خودکار تغییرات سیستم را جبران کند.
انواع کنترل کننده PID
سه نوع کنترل کننده اساسی وجود دارد: روشن-خاموش، تناسبی و PID. اپراتور قادر خواهد بود بسته به سیستمی که باید کنترل شود، از یک نوع از این کنترل کننده ها برای کنترل روند استفاده کند.
کنترل روشن / خاموش
کنترل کننده روشن-خاموش PID، ساده ترین شکل دستگاه کنترل دما است. خروجی دستگاه روشن یا خاموش است و حالت میانی ندارد. یک کنترل کننده روشن-خاموش، فقط هنگامی که دما از نقطه تنظیم عبور می کند، خروجی را تغییر می دهد. یک نوع خاص از کنترل کننده های روشن-خاموش، یک لیمیت کنترلر است. این کنترل کننده از یک رله قفلی استفاده می کند که باید به صورت دستی تنظیم شود و برای خاموش کردن یک فرآیند هنگام رسیدن به یک دمای خاص مورد استفاده قرار می گیرد.
کنترل تناسبی
کنترل های تناسبی برای از بین بردن چرخه زنی (نوسانا) مرتبط با کنترل روشن-خاموش طراحی شده اند. یک کنترل کننده تناسبی با نزدیک شدن دما به نقطه تنظیم، متوسط توان وارده به کوره را کاهش می دهد. تأثیر این کار، کاهش سرعت گرمایش کوره می شود تا جایی که از نقطه تنظیم خارج نشود (دچار فراجهش نشود) بلکه به نقطه تنظیم نزدیک شده و دمای پایدار را حفظ کند. این عمل متناسب سازی را می توان با خاموش و روشن کردن خروجی برای فواصل زمانی کوتاه انجام داد. این “متناسب سازی زمان” نسبت زمان “روشن” به “خاموش” برای کنترل دما را تغییر می دهد.
کنترل کننده PID استاندارد
کنترل کننده PID استاندارد، کنترل تناسبی را با کنترل انتگرالی و مشتقی (PID) ترکیب می کند، و با این کار به واحد کمک می کند تا به طور خودکار تغییرات سیستم را جبران کند. این تنظیمات، انتگرالی و مشتقی، بر حسب واحدهای مبتنی بر زمان بیان می شوند؛ همچنین به ترتیب آنها را همراه با کلمات متقابلشان یعنی RESET و RATE بیان می کنند. زمان های تناسب، انتگرال و مشتق باید به طور جداگانه و با استفاده از آزمون و خطا در یک سیستم خاص تنظیم یا “tuned” شوند. در میان سه نوع کنترل کننده، کنترل کننده های PID، دقیق ترین و پایدارترین کنترل را ارائه می دهند.
کنترل دما با استفاده از PID
یک مثال خوب برای کنترل دما با استفاده از PID می تواند برنامه ای باشد که در آن کنترل کننده ورودی را از سنسور دما می گیرد و دارای یک خروجی است که به یک عنصر کنترل مانند بخاری یا فن متصل است. کنترل کننده معمولاً فقط یک قسمت از سیستم کنترل دما است و در انتخاب کنترل کننده مناسب باید کل سیستم را تجزیه و تحلیل کرد و در نظر گرفت.
کنترل PID روشی بسیار معتبر برای هدایت یک سیستم به سمت یک موقعیت یا سطح هدف است. این نوع کنترل کننده ها به عنوان ابزاری برای کنترل دما عملاً در همه جا وجود دارند و در بسیاری از فرآیندهای شیمیایی و علمی و همچنین اتوماسیون کاربرد دارند. کنترل PID از بازخورد کنترل حلقه بسته استفاده می کند تا بتواند تا آنجا که امکان دارد خروجی واقعی یک فرآیند را به هدف یا خروجی نقطه تنظیم نزدیک کند.
کنترل کننده دمای PID چیست؟
همانطور که از نام آن نیز به وضوح قابل درک است، یک کنترل کننده دمای PID، ابزاری است که برای کنترل دما، عمدتاً بدون درگیری گسترده اپراتور مورد استفاده قرار می گیرد. یک کنترل کننده PID در سیستم کنترل دما، سنسور دما مانند ترموکوپل یا RD را به عنوان ورودی می گیرد و دمای واقعی را با دمای کنترل یا نقطه تنظیم مورد نظر مقایسه می کند. سپس یک خروجی را برای یک عنصر کنترل فراهم می کند.
کنترل کننده PID دیجیتال چیست؟
یک کنترل کننده PID دیجیتال معمولاً سیگنال سنسور را از یک ترموکوپل یا RTD می‌خواند و اندازه‌گیری را به واحدهای مهندسی مانند درجه، فارنهایت یا سانتیگراد مرتبط می کند، که بعداً به صورت دیجیتال نمایش داده می شوند.
تاریخچه کنترل کننده PID
اولین تحول در زمینه کنترل کننده PID در سال ۱۹۱۱ توسط المر اسپری به وقوع پیوست. با این حال، در سال ۱۹۳۳ بود که شرکت سازه ای تیلور (به انگلیسی: Taylor Instrumental Company) (TIC) اولین کنترل کننده پنوماتیک را با یک کنترل کننده تناسبی کاملاً قابل تنظیم معرفی کرد. چند سال بعد، مهندسان کنترل با تنظیم مجدد مقدار نقطه تنظیم به یک مقدار مجازی، تا زمانی که خطا صفر نبود، در تلاش برای از بین بردن خطای حالت پایدار موجود در کنترل کننده های تناسبی برآمدند. این تنظیم مجدد، خطا را “یکپارچه” می کند و به کنترل کننده تناسبی- انتگرالی معروف شد. سپس، در سال ۱۹۴۰، TIC اولین كنترل كننده پنوماتیك PID را با یك عملکرد مشتقی توسعه داد، كه باعث كاهش نتایج مسئله فرارفت شد. با این حال، در سال ۱۹۴۲ بود که زیگلر و نیکولز قوانین تنظیم را ارائه دادند که در نتیجه آن، مهندسان توانستند پارامترهای مناسب کنترل کننده های PID را پیدا و تنظیم کنند. در اواسط دهه ۱۹۵۰، کنترل کننده های PID اتوماتیک به طور گسترده ای برای کاربردهای صنعتی مورد استفاده قرار گرفتند.
کنترل کننده PID چگونه کار می کند؟
یک کنترل کننده تناسبی- انتگرالی – مشتقی (PID) می تواند به عنوان ابزاری برای کنترل دما، فشار، جریان و سایر متغیرهای فرآیند استفاده شود. همانطور که از نام آن پیداست، یک کنترل کننده PID، کنترل تناسبی را با تنظیمات انتگرالی و مشتقی اضافی ترکیب می کند که به واحد کمک می کند تا به طور خودکار تغییرات سیستم را جبران کند.
مبانی کنترل کننده PID
هدف یک کنترل کننده PID این است که بازخورد را مجبور کند تا با یک نقطه تنظیم مطابقت داشته باشد، مانند یک ترموستات که واحد گرمایشی و سرمایشی را وادار به روشن یا خاموش شدن بر اساس دمای تنظیم شده می کند. کنترل کننده های PID در سیستم هایی که جرم نسبتاً کمی دارند و سیستم هایی که در برابر تغییرات انرژی افزدوه شده به فرآیند به سرعت واکنش نشان می دهند، بهتر عمل می کنند. استفاده از این کنترل کننده ها در سیستم هایی که در آنها بار اغلب تغییر می کند و انتظار می رود به دلیل تغییرات مکرر در نقطه تنظیم، کنترل کننده میزان انرژی موجود یا جرم قابل کنترل را به طور خودکار جبران کند، توصیه می شود.
اصل کار کنترل کننده PID
اصل کار یک کنترل کننده PID این است که بخش های تناسبی، انتگرالی و مشتقی باید به صورت جداگانه تنظیم یا “tuned” شوند. بر اساس تفاوت بین این مقادیر، یک ضریب تصحیح محاسبه و به ورودی اعمال می شود. به عنوان مثال، اگر یک کوره خنک تر از حد مورد نیاز باشد، گرما افزایش می یابد. در اینجا سه مرحله وجود دارد:
تنظیم تناسبی شامل اصلاح هدف متناسب با اختلاف است. بنابراین، مقدار هدف هرگز حاصل نمی شود زیرا هرچه اختلاف به صفر نزدیک می شود، اصلاح اعمال شده نیز انجام می گردد.
تنظیم انتگرالی تلاش می کند تا با جمع آوری مؤثر نتیجه خطا از عمل “P” برای افزایش ضریب تصحیح، این مشکل را برطرف کند. به عنوان مثال، اگر کوره زیر دمای مورد نظر باشد، “I” برای افزایش دما به دمای داده شده عمل می کند. با این وجود، “I” سعی می کند خطای تجمعی را به صفر برساند، و در نتیجه منجر به یک فراجهش می شود.
تنظیم مشتقی تلاش می کند تا با کاهش سرعت ضریب تصحیح اعمال شده در هنگام رسیدن به هدف، این فراجهش را به حداقل برساند.
یک کنترل کننده تناسبی- انتگرالی – مشتقی (PID) می تواند به عنوان ابزاری برای کنترل دما، فشار، جریان و سایر متغیرهای فرآیند استفاده شود. همانطور که از نام آن پیداست، یک کنترل کننده PID، کنترل تناسبی را با تنظیمات انتگرالی و مشتقی اضافی ترکیب می کند که به واحد کمک می کند تا به طور خودکار تغییرات سیستم را جبران کند.
انواع کنترل کننده PID
سه نوع کنترل کننده اساسی وجود دارد: روشن-خاموش، تناسبی و PID. اپراتور قادر خواهد بود بسته به سیستمی که باید کنترل شود، از یک نوع از این کنترل کننده ها برای کنترل روند استفاده کند.
کنترل روشن / خاموش
کنترل کننده روشن-خاموش PID، ساده ترین شکل دستگاه کنترل دما است. خروجی دستگاه روشن یا خاموش است و حالت میانی ندارد. یک کنترل کننده روشن-خاموش، فقط هنگامی که دما از نقطه تنظیم عبور می کند، خروجی را تغییر می دهد. یک نوع خاص از کنترل کننده های روشن-خاموش، یک لیمیت کنترلر است. این کنترل کننده از یک رله قفلی استفاده می کند که باید به صورت دستی تنظیم شود و برای خاموش کردن یک فرآیند هنگام رسیدن به یک دمای خاص مورد استفاده قرار می گیرد.
کنترل تناسبی
کنترل های تناسبی برای از بین بردن چرخه زنی (نوسانا) مرتبط با کنترل روشن-خاموش طراحی شده اند. یک کنترل کننده تناسبی با نزدیک شدن دما به نقطه تنظیم، متوسط توان وارده به کوره را کاهش می دهد. تأثیر این کار، کاهش سرعت گرمایش کوره می شود تا جایی که از نقطه تنظیم خارج نشود (دچار فراجهش نشود) بلکه به نقطه تنظیم نزدیک شده و دمای پایدار را حفظ کند. این عمل متناسب سازی را می توان با خاموش و روشن کردن خروجی برای فواصل زمانی کوتاه انجام داد. این “متناسب سازی زمان” نسبت زمان “روشن” به “خاموش” برای کنترل دما را تغییر می دهد.
کنترل کننده PID استاندارد
کنترل کننده PID استاندارد، کنترل تناسبی را با کنترل انتگرالی و مشتقی (PID) ترکیب می کند، و با این کار به واحد کمک می کند تا به طور خودکار تغییرات سیستم را جبران کند. این تنظیمات، انتگرالی و مشتقی، بر حسب واحدهای مبتنی بر زمان بیان می شوند؛ همچنین به ترتیب آنها را همراه با کلمات متقابلشان یعنی RESET و RATE بیان می کنند. زمان های تناسب، انتگرال و مشتق باید به طور جداگانه و با استفاده از آزمون و خطا در یک سیستم خاص تنظیم یا “tuned” شوند. در میان سه نوع کنترل کننده، کنترل کننده های PID، دقیق ترین و پایدارترین کنترل را ارائه می دهند.
کنترل دما با استفاده از PID
یک مثال خوب برای کنترل دما با استفاده از PID می تواند برنامه ای باشد که در آن کنترل کننده ورودی را از سنسور دما می گیرد و دارای یک خروجی است که به یک عنصر کنترل مانند بخاری یا فن متصل است. کنترل کننده معمولاً فقط یک قسمت از سیستم کنترل دما است و در انتخاب کنترل کننده مناسب باید کل سیستم را تجزیه و تحلیل کرد و در نظر گرفت.
