Comprehensive Guide to Programming a PID Controller for Optimal Performance (باللغة الإنجليزية)

1. المقدمة

التحكم النسبي (P) يعتمد التحكم النسبي على الخطأ الحالي. خرج المتحكم يتناسب طرديا مع إشارة الخطأ. الكسب النسبي (Kp) يحدد سرعة الاستجابة والنظام#39; الاستقرار العام. يمكن أن يؤدي ارتفاع Kp إلى استجابة أسرع ولكن قد يسبب تجاوز وعدم استقرار.

التحكم المتكامل (I) يعالج التحكم المتكامل تراكم الأخطاء السابقة. من خلال دمج الخطأ مع مرور الوقت، يمكن لوحدة التحكم القضاء على أخطاء الحالة الثابتة. ويؤثر المكسب المتكامل (Ki) على السرعة التي يتم بها تصحيح الخطأ. ومع ذلك، قد يؤدي الإفراط في Ki إلى بطء الاستجابة والتذبذبات.

التحكم الاشتقاقي (D) التحكم الاشتقاقي يتنبأ الأخطاء المستقبلية من خلال النظر في معدل تغيير الخطأ. يساعد هذا المكون على تثبيط تذبذبات النظام وتعزيز الاستقرار. ويؤثر كسب المشتق (Kd) على تأثير التخميد. يمكن أن يقلل Kd المرتفع من تجاوز الحد ولكنه قد يسبب حساسية للضوضاء.

2. تهيئة بيئة التنمية

قبل برمجةوحدة التحكم في تعريف المعلمات)، فمن الضروري تهيئة البيئة التنموية.

اختيار لغة البرمجة اختر لغة برمجة تناسب احتياجاتك وخبرتك. وتشمل الخيارات الشائعة C و Python و Arduino. لكل لغة مزاياها وهي مناسبة لتطبيقات مختلفة.

تحديد النظام الأساسي للأجهزة اختر نظام أساسي للأجهزة لجهاز التحكم في وتشمل الخيارات الشائعة Arduino، Raspberry Pi، و PLCs (أجهزة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة). توفر كل منصة ميزات وقدرات مختلفة، لذلك اختر واحدة تتوافق مع متطلبات مشروعك.

تثبيت البرامج والمكتبات الضرورية قم بتثبيت البرامج والمكتبات المطلوبة للغة البرمجة التي تختارها ومنصة الأجهزة. على سبيل المثال، إذا كنت تستخدم Arduino، ستقوم بتركيب IDE Arduino والمكتبات ذات الصلة.

3. تطبيق خوارزمية PID

تطبيق خوارزمية تعريف الهوية الشخصية يتضمن عدة خطوات، من تهيئة المتغيرات إلى كتابة حلقة التحكم.

تحديد وتمهيد المتغيرات الضرورية، بما في ذلك النقطة المحددة، مكاسب تعريف المنتج (Kp, Ki, Kd)، ومتغيرات العملية (على سبيل المثال، خطأ، خطأ سابق، مدة متكاملة).

كتابة حلقة التحكم في معرفة المعلمات تقوم حلقة التحكم في معرفة المعلمات بحساب خرج التحكم استنادًا إلى الخطأ بين النقطة المحددة ومتغير العملية الفعلي. وتشمل الخطوات ما يلي:

حساب شروط الخطأ: حساب الخطأ على أنه الفرق بين النقطة المحددة ومتغير العملية.

حساب المدى النسبي: ضرب الخطأ في المكسب النسبي (Kp).

حساب المدى المتكامل: إضافة الخطأ إلى المدى المتكامل، ثم ضرب في كسب التكامل (Ki).

حساب المدى المشتق: حساب الفرق بين الخطأ الحالي والخطأ السابق، ثم ضرب في كسب المشتقة (Kd).

جمع شروط تعريف المنتج: إضافة الحدود النسبية والمتكاملة والمشتقة للحصول على مخرجات التحكم.

تطبيق مخرجات التحكم: استخدم مخرجات التحكم لضبط متغير العملية.

4. ضبط جهاز التحكم في الهوية الشخصية

ضبط وحدة التحكم في تعريف المعلمات أمر بالغ الأهمية لتحقيق الأداء الأمثل. ويمكن استخدام عدة طرق لهذا الغرض.

الضبط اليدوي ضبط مكاسب معرِّف المعلمات (Kp, Ki, Kd) بشكل متكرر أثناء ملاحظة استجابة النظام. هذا النهج القائم على التجربة والخطأ يمكن أن يكون فعالا ولكنه قد يستغرق وقتا طويلا.

طريقة زيغلر -نيكولز هي طريقة ضبط تجريبية تتضمن ضبط Ki و Kd إلى الصفر، وزيادة Kp حتى يتذبذب النظام، واستخدام صيغ محددة لحساب Ki و Kd. توفر هذه الطريقة نقطة بداية جيدة للضبط.

الضبط القائم على البرنامج استخدم أدوات برمجية مثل MATLAB و Simulink لمزيد من الضبط الدقيق. وتوفر هذه الأدوات خوارزميات الضبط الآلي وقدرات المحاكاة، مما يسمح بإجراء تعديلات أكثر دقة.

5. المحاكاة والاختبار

المحاكاة والاختبار هما مرحلتان أساسيتان في برمجة وحدة تحكم PID. تضمن هذه الخطوات أداء وحدة التحكم كما هو متوقع في ظل ظروف مختلفة.

محاكاة وحدة التحكم في تحديد الهوية الشخصية استخدام أدوات المحاكاة لنمذجة وحدة التحكم في النبات ووحدة التحكم في تحديد الهوية الشخصية. تحليل استجابة النظام لمدخلات مختلفة، مثل استجابات الخطوة والتكرار.

تحليل استجابة النظام تقييم النظام#39; أداء الحالة المؤقتة والثابتة. وتشمل المقاييس الرئيسية زمن الارتفاع، ووقت التسوية، وتجاوز الهدف، وخطأ الحالة الثابتة. تعديل معلمات تعريف المنتج بناءً على نتائج المحاكاة لتحقيق الأداء المطلوب.

6. التنفيذ

بمجرد التحقق من صحة تصميم وحدة تحكم تعريف المنتج من خلال المحاكاة، فإنه يمكن تنفيذها على الأجهزة. تتضمن هذه الخطوة الاختبار والضبط في العالم الحقيقي.

تحميل خوارزمية التحكم على منصة الأجهزة، مثل المتحكم الدقيق أو PLC (المتحكم المنطقي القابل للبرمجة). التأكد من الربط الصحيح مع أجهزة الاستشعار والمشغلات.

اختبار العالم الحقيقي وإجراء اختبارات التحقق للتحقق من وحدة التحكم#39; أداء تحت ظروف تشغيل حقيقية. مراقبة استجابة النظام ومقارنتها مع نتائج المحاكاة.

معايير الضبط الدقيق استنادًا إلى الأداء في العالم الحقيقي، إجراء التعديلات اللازمة على معلمات تعريف المعلمات. قد تؤدي ظروف العالم الحقيقي إلى عدم اليقين الذي لا يؤخذ في الاعتبار أثناء المحاكاة، مما يتطلب المزيد من التحسين.

7. استكشاف الأخطاء وإصلاحها والتحسين

وحتى بعد التنفيذ الناجح، فإن الرصد المستمر والتحسين ضروريان للحفاظ على الأداء الأمثل.

تحديد القضايا ومعالجتها تشمل القضايا الشائعة تجاوز الهدف والتذبذبات وأخطاء الحالة الثابتة. استخدام أدوات وتقنيات التشخيص لتحديد السبب الجذري لهذه المشاكل.