The Proportional-Integral-Derivative (PID) Controler: A Comprehensive Overview

مقدمة: الحاجة إلى التحكم في الأنظمة الديناميكية

تلعب أنظمة التحكم الآلي والأتمتة دورًا حيويًا في تشغيل وإدارة العديد من الأجهزة الصناعية الحديثة. وهي تمكن عمليات النظام الديناميكي الدقيق والفعال. القدرة على التحكم في نظام لتحقيق حالة معينة، سواء كان#إن الإلكترونيات الدقيقة الدقيقة للهاتف الذكي أو أنظمة التكييف الضخمة الموجودة في المصانع والطائرات ضرورية. يمكن أن يكون من الصعب تحقيق هذا التنظيم بسبب الاضطرابات الخارجية أو اللاخطية الكامنة في العديد من العمليات. المشتق التناسبي المتكامل، والمعروف باسم PID، المتحكم يظهر كحل أساسي ومتعدد الاستخدامات بشكل ملحوظ لهذه المشكلة الأساسية في هندسة التحكم. وحدة التحكم في تعريف المنتج هي آلية تقارن النقطة المحددة المرغوبة بالقيمة المقاسة لمتغير العملية. ثم يقوم بحساب وتقليل هذا الخطأ. إن بساطة وحدة التحكم في تعريف الهوية الشخصي تجعلها أداة متعددة الاستخدامات يمكن استخدامها في مجموعة واسعة من الحالات.

ص. المفهوم الأساسي: التناسب التكاملي الاشتقاقي

يعتمد جهاز التحكم في تعريف المنتج على مبدأ سهل الفهم ولكنه قوي. يعمل جهاز التحكم في تعريف المعلمات عن طريق القياس المستمر للجهد الكهروضوئي (متغير العملية) باستخدام جهاز استشعار. تتم مقارنة القيمة المقاسة بنقطة محددة (SP) تمثل القيمة أو الحالة المطلوبة للعملية. ويسمى هذا الفرق الخطأ (E = PV -SP). هذا المنطق الأساسي يحسب المخرجات لتصحيح الخطأ. الحوسبة هي مجموعة من ثلاثة مصطلحات رياضية متميزة ولكنها متصلة، مع كل مصطلح يساهم في عمل التحكم بطريقة فريدة من نوعها: المصطلح النسبي (P)، المصطلح المتكامل (I) والمصطلح المشتق (D). في معظم الحالات، يمكن التعبير عن مخرجات وحدة تعريف المعلمات باستخدام الصيغة التالية: مخرجات = E + Ki * E/dt + Kd*d/dt. تمثل Kp و Ki و Kd المكاسب المرتبطة بكل مكون. ومن المهم فهم كيفية عمل هذه المصطلحات من أجل فهم وحدة التحكم في تعريف المعلمات بشكل كامل.

" ؛

" ؛       الثالث. الأوضاع الثلاثة التي تم شرحها (تحليل مفصل)

تعتمد فعالية أجهزة التحكم في تعريف المعلمات على قدرتها على العمل وضبط أوضاعها. تتناول كل من الأشكال الثلاثة لجهاز التحكم في معرّف المنتج جوانب مختلفة مع مرور الوقت، وعند دمجها معًا، فإنها توفر تحكمًا قويًا.

وهو الوضع النسبي الذي يشكل أساس وحدة تحكم تعريف المنتج. خرج وحدة التحكم يعتمد بشكل مباشر على قيمة الخطأ الحالي. يتم تحديد المكسب النسبي (Kp) بضرب الخطأ الحالي (E). فالخطأ الأكبر ينتج عنه إشارة خرج أكبر نسبيًا وخطأ أصغر. يستخدم P في المقام الأول للاستجابة الفورية للخطأ. ويحاول النظام تصحيح أي انحرافات في أقرب وقت ممكن. قيمة Kp تحدد حجم الاستجابة. قيم Kp الأعلى من 0 تشير إلى وقت رد فعل سريع لخطأ. زيادة Kp يمكن أيضا أن تزيد من حساسية النظام، وهذا قد يظهر نفسه على شكل تذبذبات أو تجاوز (النظام يتجاوز النقطة المحددة). ينتج عن انخفاض سرعة الخلايا استجابة أبطأ وخطأ أكبر. إن وجود خطأ الحالة الثابتة هو عيب كبير مرتبط بالتحكم النسبي فقط. حتى مع وجود أخطاء غير صفرية، فإن النظام لن يصل دائما إلى النقطة المحددة. قد تستقر قليلا بعيدا عن الهدف. يقدم مصطلح P إجراء تصحيحيا أوليا، ولكنه غالبا ما يعتمد على مساعدة الوسائط الأخرى من أجل إزالة هذا الخطأ المستمر.

بي بي.

يمكن استخدام النمط التكاملي لمعالجة الخطأ في حالة الاستقرار المتأصلة مع التحكم النسبي. أنا مصطلح يركز على مجموع جميع الأخطاء مع مرور الوقت، ودمج التاريخ الماضي. احسب الحد التكاملي بضرب التكامل المكسب (Ki)، في الخطأ التراكمي (غالبا ما يتم التعبير عنه بـ E dt). المصطلح المتكامل ينمو تدريجيا عندما يستمر الخطأ لفترة طويلة من الوقت، مهما كان صغيرا. ينمو المصطلح المتكامل لزيادة إخراج وحدة التحكم، مما يجبر النظام على الضبط وفي النهاية القضاء على خطأ الحالة الثابتة. هذا I-term يدفع المتغير نحو نقطة set، ويضمن التقارب. إضافة مصطلح متكامل لها بعض السلبيات المحتملة. قد يبطئ المصطلح المتكامل وقت الاستجابة للنظام بأكمله. إذا كان الخطأ يغير اتجاهه في كثير من الأحيان (مثل التذبذبات)، فإنه يمكن أن تتراكم في اتجاه واحد، ثم تنخفض بسرعة عندما يعود الخطأ. قد يتسبب تراكم الحد المتكامل ذهابا وإيابا وعكسه في حدوث تذبذبات وتجاوز في النظام، والذي يسمى أحيانا ' دعم هوائي متكامل#39 ؛. لتعظيم قدرة المصطلح المتكامل على القضاء على الأخطاء، من المهم أن يتم ضبط مكاسب كي بعناية.

جيم -نمط الاشتقاق (D)

ويضيف نمط الاشتقاق مكونًا من التحكم التطلعي إلى الفعل. ويتوقع مصطلح د الأخطاء في المستقبل بناءً على مدى سرعة تغير الخطأ. الحد D يحسب مساهمته الخاصة عن طريق ضرب كسب المشتقة (Kd)، بمعدل تغيير الخطأ (dE/dt). إذا زاد الخطأ بسرعة، فإن المشتقة سوف تنتج إشارة تعارض هذا التغيير في محاولة لتجنب تجاوز كبير. في الحالة المعاكسة، إذا انخفض خطأ بسرعة، فإن المشتقة ستوفر إشارة للمساعدة في تسوية النظام. وتشمل الفوائد في الأجل دال زيادة الاستقرار، وانخفاض تجاوز الحد، وتحسين كبح التذبذبات. يعمل المصطلح D باعتباره أكثر سلاسة، ويقلل من التقلبات السريعة. كما أنه يمنع النظام من المبالغة في الاستجابة للضوضاء أو الاضطرابات قصيرة الأجل. يساعد المصطلح D على تحقيق استجابة مستقرة وخاضعة للسيطرة من خلال توقع ميل النظام إلى التذبذب أو تجاوز الحد. ومع ذلك، فإن مصطلح المشتقة حساس للغاية للضوضاء في قياسات الاستشعار. ويمكن أن يؤدي اكتساب المشتق إلى تضخيم التغيرات السريعة أو الضوضاء في الترددات العالية في قياس الإشارة، مما قد يؤدي إلى تحكم غير مستقر أو غير منتظم. يكون الحد D أكثر فائدة عند دمجها مع حدود P و I. مكتسباته (Kd)، التي يجب تعديلها بعناية، يمكن في كثير من الأحيان أن تكون أصغر من Kp أو Ki.

وريدياً. كيفوحدات التحكم في تعريف المعلماتالعمل: حلقة التحكم

ومن الأسهل فهم تشغيل ضوابط تعريف الهوية الشخصية في سياق حلقة التغذية الراجعة. الحلقة المغلقة هي نظام يقوم فيه المتحكم بمراقبة وتعديل العملية باستمرار استنادًا إلى الملاحظات. وهذه الخطوات متسلسلة ودائرية في آن واحد:

يقيس القياس باستمرار حالة العملية باستخدام جهاز استشعار يتم اختياره وفقا لمتغير القياس (درجة الحرارة أو الضغط أو معدل التدفق أو الموضع) ولتطبيق معين. العملية المتغيرة هي هذه القيمة المقاسة.

مقارنة مقارنة عملية متغير مع نقطة Setpoint. نقطة التحول هي قيمة المتغير أو الحالة التي يريد المتحكم تحقيقها.

حساب الخطأ: الفرق بين Setpoint و Process variable. قيمة الخطأ (E = PV -SP) تحدد الانحراف الحالي للعملية عن حالتها المطلوبة.

حساب التحكم: في وحدة تحكم تعريف الهوية الشخصي، تقوم الخوارزمية بحساب الإجراء التصحيحي من خلال تحليل الخطأ الحالي، وعند النشاط، الأخطاء التاريخية (للحد I)، ومعدل تغيير الخطأ (للحد D). يتم تحديد إشارة الخرج من خلال الحدود I و P مضروبة في المكاسب الخاصة بكل من Kp و Ki و Kd.

الإجراء: يتم إرسال ناتج محسوب من المراقب المالي إلى المشغل. تم تصميم المشغل للتأثير على متغيرات العملية من خلال التلاعب بالمدخلات. على سبيل المثال يمكنك ضبط موضع الصمام أو تغيير الطاقة إلى السخان أو المحرك أو تغيير تدفق السائل

تغيير العملية المتغير: عن طريق تغيير العملية المتغيرة، يقوم المشغل بتعديل العملية.

تكرار: يتم تكرار الخطوات من 1 إلى 6 بشكل متكرر (في كثير من الأحيان بمعدل العديد من التكرارات في الثانية). يقوم جهاز التحكم بمراقبة ومقارنة وحساب الخطأ بشكل مستمر ومن ثم يعمل على تقليل الخطأ.

المتحكم بي آي دي#يتم الحفاظ على أداء واستقرار 39 في البيئات الديناميكية من خلال هذه التغذية الراجعة المستمرة.

خامسا -المكونات الرئيسية في نظام تعريف الهوية الشخصي

إن مكونات نظام تعريف الهوية الشخصية التي تعمل معاً لتشكيل نظام تحكم وظيفي متميزة، ولكنها مترابطة أيضاً.

محول الطاقة/جهاز الاستشعار: المكون المسؤول عن تحديد متغير العملية المراد التحكم فيه. من المهم اختيار المجس المناسب لتطبيقك. على سبيل المثال، يتم استخدام المزدوجات الحرارية وكاشفات المقاومة الحرارية لقياس درجة الحرارة. مرسلات الضغط تقيس الضغط مقاييس التدفق تقيس التدفق. يجب أن تكون المجسات موثوقة ودقيقة. كما أنها تحتاج إلى أن تناسب البيئة التي تستخدم فيها.

المراقب المالي: المراقب المالي مسؤول عن تنفيذ خوارزميات تعريف الهوية الشخصية. ويمكن أن يأتي في أشكال عديدة. يمكن أن تكون وحدة التحكم وحدة أجهزة، وعادة ما تكون جزءًا من وحدة تحكم منطقية قابلة للبرمجة أو أنظمة التحكم الموزع (DCS)، والتي تحتوي على وحدات الدوائر والوحدات البرمجية الخاصة بالتحكم في تعريف الهوية الشخصي. يتم تطبيق تعريف الهوية الشخصي بشكل متزايد بواسطة البرامج على المتحكمات الدقيقة أو أجهزة الكمبيوتر للأغراض العامة. وحدة التحكم، بغض النظر عن شكلها، يستقبل إشارة المستشعر ويحسب ذلك#خطأ 39. ثم يقوم بمعالجة الإشارة وفقًا لمعادلة PID.

المشغل هو جهاز يستقبل إشارة الخرج المرسلة من قبل وحدة التحكم. ثم يقوم بترجمة المعلومات إلى أفعال فيزيائية للتلاعب بالعملية. جهاز الاستشعار#دور 39;s هو عكس نظيره -يتحكم في المدخلات إلى العملية. اختيار المشغل يعتمد على نوع العملية التي سيتم التحكم فيها. ومن الأمثلة على ذلك الملفات اللولبية للتشغيل/إيقاف التشغيل، والمحركات الكهربائية للتحكم في الموضع والسرعة، والصمامات التي تنظم التدفق أو درجة الحرارة (اعتمادًا على العملية)، والسخانات أو أنظمة التبريد (للحفاظ على درجة الحرارة المطلوبة)، بالإضافة إلى المتغيرات