PID Controller هي وحدة تحكم واسعة في مجال التحكم الصناعي ، اسمها الكامل هو وحدة تحكم متكررة متناسقة للتكاثر (وحدة تحكم متكررة للتكاثر النسبي). إنها وحدة تحكم خطي ، من خلال النسور (P) ، والتكامل (I) والتفاضلية (D) ثلاث معلمات التعديل ، لتحقيق التحكم الدقيق في إخراج النظام.
أولاً ، المبدأ الأساسي لوحدة التحكم في PID
السيطرة النسبية (P التحكم)
التحكم النسبي هو طريقة التحكم الأساسية في وحدة التحكم PID. فكرتها الأساسية هي مقارنة الانحراف بين قيمة إخراج النظام والقيمة المطلوبة ، ثم ضبط مبلغ التحكم وفقًا لحجم الانحراف. صيغة التحكم النسبي هي:
u (t)=kp * e (t)
حيث تشير U (T) إلى كمية التحكم ، يدل KP على معامل التناسب ويشير E (T) إلى الانحراف.
ميزة التحكم النسبي هي الاستجابة السريعة ، ولكن العيب هو وجود خطأ في الحالة المستقرة ، أي عندما يصل النظام إلى حالة مستقرة ، لا يزال هناك بعض الانحراف بين قيمة الإخراج والقيمة المطلوبة.
التحكم المتكامل (I Control)
تم تقديم التحكم المتكامل للتخلص من خطأ الحالة المستقرة في التحكم النسبي. فكرتها الأساسية هي دمج القيمة المتراكمة للانحراف بمرور الوقت ثم ضبط كمية التحكم وفقًا للقيمة المتكاملة. صيغة التحكم المتكامل هي:
u (t)=u (t -1) + ki * ∫e (t) dt
حيث يشير KI إلى معامل التكامل و ∫e (t) DT يدل على القيمة المتكاملة للانحراف.
تتمثل ميزة التحكم المتكامل في أنه يلغي خطأ الحالة المستقرة ، ولكن العيب هو أنه قد يتسبب في تجاوزات وتذبذبات في النظام.
التحكم التفاضلي (D التحكم)
تم إدخال التحكم التفاضلي لتحسين الاستقرار وسرعة الاستجابة للنظام. فكرتها الأساسية هي التنبؤ باتجاه الانحراف ثم ضبط كمية التحكم وفقًا للاتجاه. صيغة التحكم التفاضلي هي:
u (t)=u (t -1) + kd * de (t)/dt
حيث يشير KD إلى المعامل التفاضلي و DE (T)/DT يدل على معدل تغيير الانحراف.
تتمثل ميزة التحكم التفاضلي في أنه يمكن أن يحسن من الاستقرار وسرعة الاستجابة للنظام ، ولكن العيب هو أنه حساس للضوضاء وقد يؤدي إلى تقلبات في كمية التحكم.
ثانياً ، طريقة تصميم وحدة تحكم PID
تحديد هدف التحكم
قبل تصميم وحدة تحكم PID ، تحتاج أولاً إلى تحديد هدف التحكم ، أي نوع الحالة التي تريد أن يحققها إخراج النظام. يمكن أن يكون هدف التحكم هو خطأ الحالة المستقرة ، والتجاوز ، ووقت الارتفاع ، إلخ.
إنشاء نموذج رياضي
وفقًا لمبدأ العمل للنظام الفعلي ، قم بإنشاء نموذج رياضي. يمكن أن يكون النموذج الرياضي خطيًا أو غير خطي. بالنسبة للأنظمة الخطية ، يمكن استخدام وظائف النقل ، ومساحات الحالة وطرق أخرى للنمذجة ؛ بالنسبة للأنظمة غير الخطية ، يمكن استخدام الشبكات العصبية والتحكم الغامض وطرق أخرى للنمذجة.
تحديد معلمات PID
وفقًا للنموذج الهدف والرياضي ، حدد المعامل النسبي KP ومعامل معامل متكامل ومعامل التفاضلي KD من وحدة التحكم PID. طرق ضبط المعلمات الشائعة الاستخدام هي:
(1) الطريقة التجريبية: وفقًا للتجربة ، حدد المعامل النسبي المناسب والمعامل المتكامل والمعامل التفاضلي.
(2) طريقة التجربة والخطأ: عن طريق ضبط معلمات PID باستمرار ومراقبة استجابة النظام ، حتى يتم تحقيق تأثير تحكم مرضي.
(3) طريقة التحسين: استخدم خوارزميات التحسين (مثل الخوارزمية الجينية ، خوارزمية سرب الجسيمات ، إلخ) لتحسين معلمات PID للحصول على أفضل تأثير تحكم.
التحقق من المحاكاة
بعد تحديد معلمات PID ، من الضروري إجراء التحقق من المحاكاة. يمكن إجراء التحقق من المحاكاة باستخدام برامج مثل MATLAB ، Simulink ، إلخ. من خلال التحقق من المحاكاة ، يمكن التحقق من أداء وحدة تحكم PID لمعرفة ما إذا كان يفي بأهداف التحكم.
التطبيق العملي
بعد تمرير التحقق من المحاكاة ، يتم تطبيق وحدة تحكم PID على النظام الفعلي. في عملية التطبيق العملي ، قد تحتاج معلمات PID إلى ضبطها للتكيف مع التغييرات في ظروف العمل الفعلية.
ثالثًا ، تطبيق وحدة تحكم PID
تم استخدام وحدة التحكم PID على نطاق واسع في مجال التحكم الصناعي بسبب الخصائص البسيطة والعملية والسهلة للتنفيذ والخصائص الأخرى. تشمل مجالات التطبيق الشائعة:
التحكم في درجة الحرارة: مثل الغلايات ، مكيفات الهواء ، المفاعلات الكيميائية.
التحكم في التدفق: مثل مضخات المياه ، الضواغط ، نقل خطوط الأنابيب.
التحكم في الضغط: مثل الأنظمة الهيدروليكية ، والأنظمة الهوائية ، إلخ.
التحكم في السرعة: مثل المحركات ، أحزمة النقل ، إلخ.
التحكم في الموقف: مثل الروبوتات ، الرافعات ، إلخ.
التحكم في عملية التفاعل الكيميائي: مثل المفاعلات الكيميائية ، خزانات التخمير.
رابعًا ، مزايا وعيوب وحدة تحكم PID
المزايا
(1) بنية بسيطة: يتكون وحدة التحكم PID من أجزاء ثلاثة أجزاء متناسبة ، متكاملة ، تفاضلية ، بنية بسيطة ، سهلة الفهم وتحقيقها.
(2) من السهل ضبط المعلمات: يمكن ضبط معلمات تحكم PID (KP ، KI ، KD) وفقًا لهدف التحكم ، مرونة جيدة.
(3) مجموعة واسعة من التطبيقات: تنطبق وحدات تحكم PID على مجموعة متنوعة من الأنظمة الخطية وغير الخطية ، مع عالمية جيدة.
(4) تكلفة الإدراك المنخفضة: تحكم PID لديه تكلفة إدراك منخفضة ويمكن تطبيقها على أنظمة التحكم الصناعية المختلفة.
عيوب
(1) حساس للضوضاء: التحكم التفاضلي حساس للضوضاء ، مما قد يؤدي إلى تقلبات في حجم التحكم.
(2) صعوبة في ضبط المعلمة: بالنسبة للأنظمة المعقدة ، قد يكون تعديل معلمات PID أمرًا صعبًا ، مما يتطلب العديد من الاختبارات والتعديلات.
(3) عدم القدرة على التعامل مع الأنظمة غير الخطية: بالنسبة للأنظمة غير الخطية ، لا يمكن لأداء وحدات تحكم PID التعامل مع الأنظمة غير الخطية.