کنترلر PID یک کنترلر به طور گسترده در زمینه کنترل صنعتی است ، نام کامل آن کنترل کننده مشتق متناسب-انتگرال (کنترل کننده مشتق متناسب-انتگرال) است. این یک کنترلر خطی است ، از طریق متناسب (P) ، انتگرال (I) و دیفرانسیل (D) سه پارامتر تنظیم ، برای دستیابی به کنترل دقیق خروجی سیستم.
اول ، اصل اساسی کنترل کننده PID
کنترل متناسب (کنترل P)
کنترل متناسب اساسی ترین روش کنترل در کنترلر PID است. ایده اصلی آن مقایسه انحراف بین مقدار خروجی سیستم و مقدار مورد نظر است و سپس مقدار کنترل را با توجه به اندازه انحراف تنظیم می کند. فرمول کنترل متناسب:
u (t)=kp * e (t)
در جایی که U (T) مقدار کنترل را نشان می دهد ، KP ضریب تناسب را نشان می دهد و E (T) انحراف را نشان می دهد.
مزیت کنترل متناسب پاسخ سریع است ، اما ضرر وجود خطای حالت پایدار است ، یعنی وقتی سیستم به حالت پایدار می رسد ، هنوز هم بین مقدار خروجی و مقدار مورد نظر انحراف وجود دارد.
کنترل انتگرال (من کنترل می کنم)
کنترل انتگرال برای از بین بردن خطای حالت پایدار در کنترل متناسب معرفی شد. ایده اصلی آن ادغام مقدار انباشته انحراف در طول زمان و سپس تنظیم مقدار کنترل با توجه به مقدار انتگرال است. فرمول کنترل انتگرال:
u (t)=u (t -1) + ki * ∫e (t) dt
جایی که KI ضریب انتگرال را نشان می دهد و dt (T) DT نشان دهنده ارزش یکپارچه انحراف است.
مزیت کنترل جدایی ناپذیر این است که خطای حالت پایدار را از بین می برد ، اما ضرر این است که ممکن است باعث افزایش بیش از حد و نوسانات در سیستم شود.
کنترل دیفرانسیل (کنترل D)
کنترل دیفرانسیل برای بهبود ثبات و سرعت پاسخ سیستم معرفی شد. ایده اصلی آن پیش بینی روند انحراف و سپس تنظیم مقدار کنترل با توجه به روند است. فرمول کنترل دیفرانسیل:
u (t)=u (t -1) + kd * de (t)/dt
جایی که KD ضریب دیفرانسیل را نشان می دهد و DE (T)/DT نشانگر میزان تغییر انحراف است.
مزیت کنترل دیفرانسیل این است که می تواند ثبات و سرعت پاسخ سیستم را بهبود بخشد ، اما ضرر این است که به نویز حساس است و ممکن است منجر به نوسانات در مقدار کنترل شود.
دوم ، روش طراحی کنترلر PID
هدف کنترل را تعیین کنید
قبل از طراحی یک کنترلر PID ، ابتدا باید هدف کنترل را تعریف کنید ، یعنی چه نوع وضعیتی را می خواهید که خروجی سیستم به آن برسد. هدف کنترل می تواند خطای حالت پایدار ، بیش از حد ، زمان افزایش و غیره باشد.
مدل ریاضی را ایجاد کنید
با توجه به اصل کار سیستم واقعی ، یک مدل ریاضی ایجاد کنید. مدل ریاضی می تواند خطی یا غیرخطی باشد. برای سیستم های خطی ، توابع انتقال ، فضاهای حالت و سایر روشها می توانند برای مدل سازی استفاده شوند. برای سیستم های غیرخطی ، شبکه های عصبی ، کنترل فازی و روش های دیگر می توانند برای مدل سازی استفاده شوند.
پارامترهای PID را تعیین کنید
با توجه به هدف کنترل و مدل ریاضی ، ضریب متناسب KP ، ضریب انتگرال KI و ضریب دیفرانسیل KD از کنترل کننده PID را تعیین کنید. روشهای تنظیم پارامتر که معمولاً مورد استفاده قرار می گیرند عبارتند از:
(1) روش تجربی: با توجه به تجربه ، ضریب متناسب متناسب ، ضریب انتگرال و ضریب دیفرانسیل را انتخاب کنید.
(2) روش آزمایش و خطا: با تنظیم مداوم پارامترهای PID و مشاهده پاسخ سیستم ، تا زمانی که یک اثر کنترل رضایت بخش حاصل شود.
(3) روش بهینه سازی: از الگوریتم های بهینه سازی (مانند الگوریتم ژنتیکی ، الگوریتم swarm ذرات و غیره) برای بهینه سازی پارامترهای PID برای به دست آوردن بهترین اثر کنترل استفاده کنید.
تأیید شبیه سازی
پس از تعیین پارامترهای PID ، لازم است تأیید شبیه سازی انجام شود. تأیید شبیه سازی را می توان با استفاده از نرم افزاری مانند MATLAB ، SIMULINK و غیره از طریق تأیید شبیه سازی ، عملکرد کنترلر PID را بررسی کرد تا ببینید که آیا این اهداف کنترل را برآورده می کند یا خیر.
کاربرد عملی
پس از تصویب تأیید شبیه سازی ، کنترلر PID به سیستم واقعی اعمال می شود. در فرآیند کاربرد عملی ، پارامترهای PID ممکن است برای سازگاری با تغییرات در شرایط واقعی کار ، به خوبی تنظیم شوند.
سوم ، استفاده از کنترل کننده PID
کنترلر PID به دلیل ساده ، عملی ، آسان برای پیاده سازی و سایر خصوصیات ، در زمینه کنترل صنعتی مورد استفاده قرار گرفته است. مناطق برنامه مشترک شامل موارد زیر است:
کنترل دما: مانند دیگهای بخار ، تهویه هوا ، راکتورهای شیمیایی.
کنترل جریان: مانند پمپ های آب ، کمپرسورها ، حمل و نقل خط لوله.
کنترل فشار: مانند سیستم های هیدرولیک ، سیستم های پنوماتیک و غیره
کنترل سرعت: مانند موتورها ، کمربندهای نقاله و غیره
کنترل موقعیت: مانند روبات ها ، جرثقیل ها و غیره
کنترل فرآیند واکنش شیمیایی: مانند راکتورهای شیمیایی ، مخازن تخمیر.
چهارم ، مزایا و مضرات کنترل کننده PID
مزایا
(1) ساختار ساده: کنترل کننده PID شامل سه بخش متناسب ، جدایی ناپذیر ، دیفرانسیل ، ساختار ساده ، درک و تحقق آسان است.
(2) تنظیم پارامترها آسان: پارامترهای کنترل کننده PID (KP ، KI ، KD) با توجه به هدف کنترل قابل تنظیم هستند ، انعطاف پذیری خوبی دارند.
(3) طیف گسترده ای از برنامه ها: کنترل کننده های PID برای انواع سیستم های خطی و غیرخطی ، با جهانی بودن خوب کاربرد دارند.
(4) هزینه تحقق کم: کنترل کننده PID هزینه تحقق کم دارد و می تواند در سیستم های مختلف کنترل صنعتی اعمال شود.
معایب
(1) حساس به نویز: کنترل دیفرانسیل به نویز حساس است ، که ممکن است منجر به نوسانات در حجم کنترل شود.
(2) مشکل در تنظیم پارامتر: برای سیستم های پیچیده ، تنظیم پارامترهای PID ممکن است دشوار باشد و نیاز به آزمایش ها و تنظیمات بسیاری دارد.
(3) عدم توانایی در مقابله با سیستم های غیرخطی: برای سیستم های غیرخطی ، عملکرد کنترل کننده های PID نمی تواند با سیستم های غیرخطی مقابله کند.