أولا: المقدمة
في الأتمتة الصناعية وتصميم نظام التحكم، تعد وحدة التحكم PID (وحدة التحكم التفاضلية -التكاملية-) ووحدة التحكم PWM (وحدة التحكم في تعديل عرض النبض) من إستراتيجيات التحكم الشائعة الاستخدام. على الرغم من أنهما يستطيعان تحقيق التحكم الدقيق في النظام، إلا أن هناك اختلافات كبيرة في المبدأ والتطبيق وخصائص التحكم. في هذا البحث، سيتم مقارنة وتحليل وحدة التحكم PID ووحدة التحكم PWM بالتفصيل للكشف عن الاختلافات بينهما.
ثانيا. نظرة عامة على وحدة تحكم PID
وحدة التحكم PID عبارة عن خوارزمية تحكم تعتمد على التعليقات-، وتتكون من ثلاثة شروط تحكم متناسبة (P) وتكاملية (I) وتفاضلية (D). إنه يقيس الفرق بين قيمة إخراج الكائن المتحكم فيه والقيمة المطلوبة (أي الخطأ)، ثم يعالج الخطأ وفقًا لشروط التحكم الثلاثة P وI وD للحصول على مخرجات وحدة التحكم. يعتمد مبدأ وحدة التحكم PID على تنظيم ردود الفعل للخطأ، ولديه القدرة على التكيف، بحيث يمكنه ضبط معلمات التحكم ديناميكيًا وفقًا للوضع الفعلي.
مبدأ
يعتمد مبدأ وحدة التحكم PID على تنظيم ردود الفعل للخطأ. يقوم أولاً بقياس قيمة الإخراج للكائن المتحكم فيه ثم مقارنتها بالقيمة المطلوبة للحصول على الخطأ. ومن ثم تتم معالجة الخطأ وفق شروط التحكم التناسبي والتكاملي والتفاضلي للحصول على مخرجات جهاز التحكم. ومن بينها أن مصطلح التحكم التناسبي يتناسب مع الخطأ ويستخدم لتقليل الخطأ بسرعة؛ يستخدم مصطلح التحكم المتكامل بشكل أساسي لإزالة الخطأ التراكمي وجعل النظام أكثر استقرارًا؛ يقوم مصطلح التحكم التفاضلي بضبط خرج وحدة التحكم وفقًا لمعدل تغير الخطأ، مما يجعل استجابة النظام أسرع ويقلل التجاوز.
التطبيقات
تُستخدم وحدات التحكم PID على نطاق واسع في أنظمة التحكم في الأتمتة الصناعية والتحكم في المعدات الإلكترونية والروبوتات وغيرها من المجالات. في أنظمة التحكم في درجة الحرارة، تقوم وحدات التحكم PID بضبط مخرجات معدات التدفئة أو التبريد لتثبيت درجة الحرارة المتحكم فيها بالقرب من القيمة المطلوبة عن طريق قياس الفرق بين درجة الحرارة المتحكم فيها ودرجة الحرارة المطلوبة بدقة. في علم الروبوتات، تُستخدم وحدات التحكم PID بشكل شائع للتحكم في الموضع، حيث يتم قياس الفرق بين الموضع الفعلي والموضع المرغوب للروبوت ويتم ضبط خرج مشغل الروبوت لتحقيق تحكم دقيق في الموضع. بالإضافة إلى ذلك، يتم استخدام وحدات التحكم PID على نطاق واسع في التحكم في المحركات والتحكم في التدفق والمجالات الأخرى.
خصائص التحكم
تتمتع وحدة التحكم PID بالقدرة على التكيف الذاتي، ويمكنها ضبط معلمات التحكم ديناميكيًا وفقًا للموقف الفعلي. يمكنه الاستجابة بسرعة في الحالة المستقرة ويمكنه مقاومة الاضطرابات الخارجية وتغييرات النظام. بالإضافة إلى ذلك، فإن جهاز التحكم PID يتميز أيضًا بخصائص التحكم الدقيق والثبات العالي، والذي يمكنه تحقيق التحكم الدقيق في النظام.
ثالثا. نظرة عامة على وحدة تحكم PWM
وحدة التحكم PWM هي إستراتيجية تحكم تتحكم في المستوى المتوسط لإشارة الخرج عن طريق ضبط دورة تشغيل النبضات. إنه يتحكم في الإخراج المطلوب عن طريق تشغيل وإيقاف مصدر الطاقة بشكل دوري، والتحكم في نسبة وقت التبديل إلى وقت إيقاف التشغيل. تُستخدم وحدات تحكم PWM على نطاق واسع في سيناريوهات التطبيق حيث تحتاج إلى محاكاة الإشارات المستمرة، مثل التحكم في سرعة محرك التيار المستمر، وتعديل سطوع LED، ومكبرات الصوت، وما إلى ذلك.
مبدأ
مبدأ وحدة التحكم PWM هو التحكم في الجهد والتيار في الدائرة عن طريق تغيير عرض النبضات. في إشارة PWM، يستمر المستوى العالي لفترة أطول ويستمر المستوى المنخفض لفترة أقصر، وبالتالي يتغير خرج الطاقة في الدائرة. على وجه التحديد، عندما تكون إشارة PWM عالية، يفتح المفتاح الموجود في الدائرة ويتدفق التيار عبر الحمل؛ عندما تكون إشارة PWM منخفضة، يغلق المفتاح ويتوقف التيار عن التدفق. لذلك، من خلال تغيير نسبة وقت المستوى العالي والمنخفض لإشارة PWM، يمكن تحقيق التحكم في الجهد والتيار في الدائرة.
التطبيقات
تُستخدم وحدات التحكم PWM بشكل شائع في سيناريوهات التطبيقات التي تحتاج إلى محاكاة الإشارات المستمرة، مثل التحكم في سرعة محرك التيار المستمر، وتعديل سطوع LED، ومكبرات الصوت. في هذه التطبيقات، يمكن لوحدات تحكم PWM التحكم بدقة في متوسط مستوى إشارة الخرج عن طريق ضبط دورة تشغيل النبضات، وبالتالي تحقيق التحكم الدقيق في الجهاز.
خصائص التحكم
تعتبر وحدة التحكم PWM حساسة للغاية لتردد تبديل الإشارة ودورة العمل ويمكنها التحكم بدقة في متوسط مستوى الإخراج. يمكنه الاستجابة بسرعة وضبط المخرجات، لكن ليس لديه القدرة على التكيف الذاتي-. مزايا وحدة التحكم PWM بسيطة وبديهية، وسهلة التنفيذ ومنخفضة التكلفة، ومناسبة لبعض سيناريوهات التطبيق التي لا تتطلب دقة تحكم عالية.
رابعا. مقارنة بين وحدة التحكم PID ووحدة التحكم PWM
مقارنة المبدأ
تعتمد وحدة التحكم PID على مبدأ تنظيم ردود الفعل للخطأ، عن طريق قياس الفرق بين قيمة إخراج الكائن المتحكم فيه والقيمة المطلوبة (أي الخطأ)، ثم وفقًا لشروط التحكم التناسبية والتكاملية والتفاضلية في معالجة الأخطاء، يتم إخراج وحدة التحكم. من ناحية أخرى، تتحكم وحدة التحكم PWM في الجهد والتيار في الدائرة عن طريق تغيير عرض النبضات لتحقيق التحكم في المستوى المتوسط لإشارة الخرج.
مقارنة التطبيقات
تعتبر وحدات التحكم PID مناسبة لسيناريوهات التطبيق التي تتطلب تحكمًا واستقرارًا دقيقين، مثل التحكم في درجة الحرارة والتحكم في الموضع والتحكم في السرعة وما إلى ذلك. تُستخدم وحدات التحكم PWM بشكل شائع في التطبيقات التي تتطلب إشارات تناظرية مستمرة، مثل التحكم في سرعة محرك التيار المستمر، وتعديل سطوع LED، ومكبرات الصوت، وما إلى ذلك. نظرًا لأن وحدات التحكم PWM لا تتمتع بقدرة تكيفية، فقد لا تكون مناسبة في بعض التطبيقات التي تتطلب دقة تحكم عالية.
مقارنة خصائص التحكم
تتمتع وحدة التحكم PID بالقدرة على التكيف الذاتي، ويمكنها ضبط معلمات التحكم ديناميكيًا وفقًا للموقف الفعلي. يمكنه الاستجابة بسرعة في حالة مستقرة ومقاوم للاضطرابات الخارجية وتغييرات النظام. بالإضافة إلى ذلك، جهاز التحكم PID يتميز بالتحكم الدقيق والإستقرار العالي. من ناحية أخرى، تعتبر وحدة التحكم PWM حساسة للغاية لتردد تبديل الإشارة ودورة التشغيل، ويمكنها التحكم بدقة في متوسط مستوى الإخراج. ومع ذلك، فهو لا يتمتع بالقدرة على التكيف الذاتي ولا يمكنه ضبط معلمات التحكم ديناميكيًا وفقًا للوضع الفعلي للنظام. ولذلك، قد يكون هناك بعض القيود في بعض التطبيقات التي تتطلب دقة تحكم عالية.
خامسا الاستنتاج.
لتلخيص ذلك، هناك اختلافات كبيرة بين وحدة التحكم PID ووحدة التحكم PWM من حيث المبدأ والتطبيق وخصائص التحكم وما إلى ذلك. تعتمد وحدة التحكم PID على مبدأ تنظيم ردود الفعل للخطأ، والذي يتميز بقدرة التكيف الذاتي - والتحكم الدقيق والاستقرار العالي، وهو مناسب لسيناريوهات التطبيق التي تتطلب تحكمًا واستقرارًا دقيقين. ومن ناحية أخرى، تتحكم وحدة التحكم PWM في متوسط مستوى إشارة الخرج عن طريق تغيير عرض النبضة، والتي تتميز بكونها بسيطة وبديهية وسهلة التنفيذ ومنخفضة التكلفة، ومناسبة لبعض سيناريوهات التطبيقات التي لا تتطلب دقة تحكم عالية. عند اختيار وحدة التحكم المراد استخدامها، من الضروري إجراء دراسة شاملة وفقًا لمتطلبات التطبيق المحددة وأهداف التحكم.