آکادمی ماهر

در صنایع مختلف، ثابت نگه‌داشتن یک متغیر در مقدار مشخص، مثل دما یا سطح مایع، امری رایج است. کنترلر PID یکی از روش‌های کارآمد و مقرون‌به‌صرفه برای دستیابی به این هدف می‌باشد. این کنترلر با تنظیم دقیق یک متغیر کنترلی، مثل توان المنت گرمایی یا جریان سیال، متغیر مورد نظر را در مقدار مطلوب خود  حفظ می‌کند. در ادامه با اصول عملکرد و کاربردهای عملی این کنترلر آشنا می‌شویم.

کنترل PID چیست؟

کنترل فرآیندها، قلب تپنده هر سیستم صنعتی و خودکاری است. در این میان، کنترل PID به عنوان یک روش کارآمد و پرکاربرد، فرمانروایی می‌کند و تقریباً در تمامی صنایع ردپایی از خود به جا گذاشته است.

اما PID چیست؟ این روش کنترلی که در اوایل قرن بیستم توسط "المر اسپری" معرفی و  بعدها توسط "زیگلر" و "نیکولز"  بهینه‌سازی شد، با تنظیم دقیق سه پارامتر اساسی (Proportional, Integral, Derivative)  به کنترل دقیق متغیرهای حیاتی مانند دما، فشار و سرعت می‌پردازد.

کنترل PID از سیستم‌های پنوماتیک اولیه تا تجهیزات الکترونیکی پیشرفته امروزی، همواره جایگاه خود را حفظ کرده و به لطف ریزپردازنده‌ها،در قالب نرم‌افزار و سخت‌افزار در درایوها و PLC ها نیز گنجانده شده است.

صنایع غذایی، پلاستیک،نساجی و ... همگی از مزایای کنترل PID بهره می‌برند. به عنوان مثال، تنظیم دقیق دمای اکسترودر در تولید پلیمر یا  کنترل دمای  پخت مواد غذایی در صنایع غذایی، تنها گوشه‌ای از کاربردهای این روش کنترلی کارآمد  هستند.

تئوری عملکرد کنترلر PID

کنترلر PID وظیفه تثبیت یک پارامتر (مثل دما، فشار و ...) را در یک مقدار مشخص، به نام "ست‌پوینت"، بر عهده دارد. این کنترلر با آنالیز "سیگنال خطا"، که حاصل اختلاف بین مقدار فعلی پارامتر و ست‌پوینت است،  فرمان کنترلی را تولید می‌کند.اما جادوی  کنترلر PID در  سه  ترم  آن نهفته است:

1. ترم تناسبی: این ترم به خطای فعلی سیستم حساس بوده و واکنشی متناسب با آن نشان می‌دهد. هرچه خطا بیشتر، واکنش این ترم قوی‌تر خواهد بود.

2. ترم انتگرال‌گیر: این ترم حافظه کنترلر است!خطاهای گذشتهرا در نظر گرفته و از تکرار آن‌ها جلوگیری می‌کند. این ویژگی باعث حذف خطای حالت ماندگار می‌شود.

3. ترم مشتق‌گیر: این ترم آینده‌نگر است و با پیش‌بینی روند تغییرات خطا، از بروز نوسانات شدید در سیستم جلوگیری می‌کند.

کنترلر PID  با ترکیب هوشمندانه این سه ترم،  فرمان کنترلی را  به  تجهیزات  مورد نظر (مانند موتور، شیر و ...)  ارسال کرده  و  با  دریافت  بازخورد  از  سنسور،  پارامتر  مورد نظر  را  به  طور  پایدار  در  نقطه  ست‌پوینت  حفظ  می‌کند.

محدودیت‌های کنترلر PID

با وجود کارایی مطلوب کنترلر PID در بسیاری از سیستم‌های کنترلی، این روش در برخی موارد با محدودیت‌هایی مواجه است.

یکی از مشکلات اصلی کنترلر PID اتکای آن به فیدبک ثابت و عدم آگاهی از شرایط متغیر پروسه است. این مسئله باعث وابستگی شدید عملکرد سیستم به تغییرات آن متغیر خاص شده و سایر تغییرات احتمالی در پروسه را نادیده می‌گیرد. در نتیجه، با تغییر قابل توجه پارامترهای پروسه، ضرایب PID  از تنظیم خارج شده و نیازمند تنظیم مجدد خواهند بود. به عبارت دیگر،کنترلر PID انعطاف پذیری کافی برای تطبیق با تغییرات  پارامترهای پروسه را ندارد.

همچنین، کنترلر PID در مواجهه با سیستم‌های غیرخطی و نامتقارن (برخلاف سیستم‌های خطی و متقارن) کارایی مطلوبی ارائه نمی‌دهد. به عنوان مثال در کنترل فلو توسط کنترل‌ولو، که رفتاری غیرخطی دارد،کنترلر PID به شدت به تغییرات متغیرهای پروسه حساس بوده و مستعد ناپایداری است.

نمونه‌ای از سیستم نامتقارن، کنترل دمای یک سیستم HVAC  است که گرمایش آن از طریق هیتر (فعال) و خنک‌سازی آن غیرفعال است. در این سیستم، نوسان و بالازدگی سیگنال کنترلی محتمل بوده و پاسخ PID به تغییرات دما  با کندی صورت می‌گیرد.

از دیگر محدودیت‌های کنترلر PID می‌توان به حساسیت بالای ترم مشتق‌گیر به نویز فرکانس‌بالا اشاره کرد که در محیط‌های صنعتی  منجر به نوسان خروجی و ناپایداری کنترلر می‌شود.

جمع بندی

با وجود پیشرفت‌های فراوان در حوزه کنترل، کنترلر PID همچنان یک انتخاب محبوب در صنعت باقی مانده است.  سادگی پیاده‌سازی، قیمت مناسب و امکان پیاده‌سازی نرم‌افزاری آسان در ریزپردازنده‌ها از مزایای کلیدی آن به شمار می‌رود. اگرچه این کنترلر محدودیت‌هایی دارد، اما روش‌های کنترلی و نرم‌افزاری مدرن تا حد زیادی بر این کاستی‌ها غلبه کرده‌اند. تجهیزات جدید کنترلی PID با افزودن قابلیت‌های نرم‌افزاری، کارایی و سادگی استفاده از آن را نسبت به نسخه‌های قدیمی به طور چشمگیری بهبود بخشیده‌اند.