کنترل PID اینورتر چیست؟

کنترل PID اینورتر یکی از روش‌های کنترل حلقه بسته است که در آن سه روش تناسب، انتگرالی و مشتق‌گیری باهم ترکیب شده‌اند. به همین دلیل یکی از پرکاربردترین سیستم‌های close loop در صنایع مختلف به شمار می‌رود که می‌تواند خطاهای سیستم را تا حد زیادی کاهش داده و یا حتی آن‌ها را به صفر برساند. در این مقاله از پینیون می‌خواهیم به این سوال پاسخ دهیم که کنترلر PID چیست و چگونه می‌توان با استفاده از اینورتر آن را انجام داد.

کنترل PID اینورتر چیست؟

قبل از اینکه به این سوال پاسخ دهیم که کنترلر پی آی دی چیست، باید بدانیم که سیستم کنترل حلقه بسته اینورتر چیست و چگونه کار می‌کند. به طور خلاصه close loop یک سیستم کنترلی با فیدبک است که برای ثابت نگه داشتن دما یا فشار از آن استفاده می‌شود. برای آشنایی بیشتر با این نحوه کنترل دما و فشار پیشنهاد می‌کنیم مقاله سیستم حلقه بسته اینورتر چیست را مطالعه کنید. اما مشکل عمده سیستم حلقه بسته، نداشتن پایداری است. بد نیست بدانید که کنترل PID اینورتر یکی از روش‌هایی است که برای پایدار نگه داشتن سیستم حلقه بسته استفاده می‌شود. این نوع از سیستم‌های کنترلی وظیفه دارند که کمیت موردنظر را بر روی مقدار تنظیم‌شده حفظ کرده و در عین حال از هرگونه تغییر شدید در اثر اغتشاش در سیستم جلوگیری نمایند.

در این حالت می‌توان با تنظیم کردن سه مقدار که به نام بهره‌های تناسبی P، انتگرالی I و دیفرانسیلی D شناخته می‌شوند، هر سیستم کلوز لوپ را به پایداری رساند. بنابراین می‌توانید با خرید اینورتر صنعتی مجهز به PID مشکل پایداری در سیستم حلقه بسته را برای همیشه برطرف کنید. این پارامترها تاثیر زیادی بر روی بهبود سیگنال خطا دارند. شکل زیر اساس عملکرد PID کنترل اینورتر را نشان می‌دهد.

معنای پارامترها در کنترل PID اینورتر

یک کنترل‌کننده‌ی PID سه پارامتر P، I و D دارد که باید رفتار آن‌ها بر روی سیستم به درستی شناخته شوند و مقادیر مناسبی به هرکدام اختصاص یابد. معنای این پارامترها از قرار زیر است:

– پارامتر P

پارامتر P یا Proportional که در کنترل PID اینورتر ضریب تناسبی نام دارد قادر است تا حد زیادی خطای درون سیستم را جبران نماید؛ اما با افزایش این پارامتر هرگز خطا صفر نخواهد شد و همواره مقداری خطا در سیستم باقی خواهد ماند. به عبارت بهتر در کنترلر با عملکرد تناسبی، با توجه به میزان خطا می‌توان خروجی را کنترل کرد. در نتیجه برای اینکه بتوان سیستم را باثبات نگه داشت، همیشه نیاز به وجود مقداری خطا در سیستم وجود دارد.

– پارامتر I

برای جبران خطای ناشی از افزایش P، باید از پارامتر I یا انتگرالی یا Integrator استفاده نمود. این پارامتر که منجر به کند شدن سیستم نیز می‌شود، بر اساس مفهوم جمع خطای سیستم در طول زمان که بیانگر مفهوم انتگرال زمانی است تعریف می‌شود و قادر است که خطای سیستم را در طول زمان به صفر برساند. همان‌طور که گفتیم در عملکرد تناسبی همیشه مقداری خطا در سیستم وجود خواهد داشت، به همین دلیل باید عملکرد انتگرالی به آن اضافه شود که می‌تواند سیگنال خروجی از کنترل‌کننده را افزایش داده و به این ترتیب انحراف را کاهش دهد.

– پارامتر D

برای اینکه هم خطای سیستم صفر شود و هم اینکه سیستم سریع شود، از پارامتر D یا مشتق یا Derivative استفاده می­کنند. همان‌طور که ذکر شد این پارامتر باعث سریع‌تر شدن سیستم می‌شود ولی در کنار این مزیت، معایبی را نیز با خود به همواره می­آورد.

مهم‌ترین مشکلی که در صورت استفاده از این ضریب در کنترل PID اینورتر با آن روبرو می­شویم، به نوسان افتادن سیستم و نیز حساس شدن آن به تغییرات ناگهانی و نویز است. برای رفع این مشکل نیز در بعضی از سیستم­ها از جمله سیستم‌های امبدد، فیلتری پایین گذر تعبیه می­کنند تا این مشکل را مرتفع کنند. اما در اکثر سیستم‌­ها این قابلیت وجود ندارد و باید به این نکته توجه کرد که در صورت استفاده از ضریب D ممکن است سیستم ناپایدار شود. به همین دلیل در بیشتر سیستم­‌ها استفاده از ضرایب P و I برای کنترل سیستم کفایت می‌کند. این مورد در کنترلرهایی که لختی بیشتری دارند مانند کنترل فرایندهای حرارتی بیشتر مشهود است.

کاربرد سیستم PID کنترل با اینورتر

یکی از رایج‌ترین کاربردهای سیستم حلقه بسته در کنترل فشار مایع در پمپ‌های خانگی و صنعتی است که از رایج­ترین آن‌ها می‌توان به کنترل فشار آب مجتمع‌های مسکونی و اداری که با اصطلاح بوستر پمپ شناخته می­شوند نام برد. در این حالت نیاز است که نقطه مرجع فشار را با یک ورودی آنالوگ یا دیجیتال تنظیم کرد. همچنین یک مبدل فشار هم به ورودی آنالوگ دیگر وصل می‌شود که مقدار واقعی را اندازه می‌گیرد. در این حالت با استفاده از کنترل PID اینورتر می‌توان سیگنال خطا را پردازش کرده و به این ترتیب با تغییر سرعت پمپ، خروجی را بر روی یک مقدار ثابت نگه داشت. در اینورترهای استنسون یونیک دو عدد ورودی آنالوگ برای اتصال سنسور قرار دارد که ورودی شماره 1 و ورودی شماره 2 نام دارند. ورودی شماره 1 برای اتصال ورودی سیگنال آنالوگ ولتاژ است و ورودی آنالوگ شماره­ی 2 به منظور اتصال سیگنال آنالوگ جریان است بنابراین، بسته به خروجی سنسور فشار باید از یکی از این دو استفاده نمود.

روش های تنظیم پارامترهای PID

به طور معمول دو روش عمده برای تنظیم پارامترهای P و I و D در یک حلقه­‌ی کنترلی استفاده می‌شود که در ادامه توضیح داده شده‌اند. این روش‌ها تنها روش‌های موجود نبوده، بلکه مهم‌ترین و پرکاربردترین آن‌ها هستند.

– روش تجربی

روش اول روش تجربی است. در این روش ابتدا پارامتر P را افزایش می­دهند تا میزان خطای سیستم به حداقل خود نزول پیدا کند. سپس برای جبران کامل خطا پارامتر I را افزایش می­دهند و در صورت نیاز به سرعت بیشتر درون سیستم، از پارامتر D استفاده می­کنند. اما مقادیر I و D را به اندازه­ای تعیین می­کنند تا بالازدگی سیستم در حد مطلوب قرار گیرد.

– روش زیگلر – نیکولز

روش دوم استفاده از راه‌حلی موسوم به روش زیگلر-نیکولز است. در این روش از جدولی به همین نام برای تعیین پارامترهای سیستم استفاده می‌شود. به علاوه روش زیگلر – نیکولز یک فرمول ریاضی هم دارد که به صورت زیر است:

برای استفاده از این جدول شما باید ابتدا به ورودی سیستم یک ورودی پله اعمال کنید و سپس بر اساس پاسخ خروجی که از آن مشاهده می‌کنید، مقادیر مربوط به ضرایب را مطابق با جدول زیر تکمیل کنید:

شکل زیر پارامترهای لازم در جدول فوق را روی نمودار خروجی پله یک سیستم مشاهده می‌کنید.

ضرایب مهم در کنترلر پی آی دی

برای اینکه بتوانید از کنترلر پی آی دی در اینورتر استفاده کنید، نیاز به تعریف یک سری پارامترهای اولیه دارید که عبارت‌اند از:

– Set point

Set Point یا SP یک نقطه ثابت است که توسط شبکه، ورودی آنالوگ و یا دیجیتال به اینورتر وارد می‌شود. به زبان ساده‌تر، پارامتر مطلوب ما به عنوان ست پوینت مشخص می‌شود. برای مثال اگر بخواهید دما را بر روی مقدار 20 درجه سانتی‌گراد ثابت نگه دارید، باید SP را بر روی 20 تنظیم کنید.

– متغیر فرایند یا PV

یکی دیگر از پارامترهای مهم در کنترلر PID اینورتر، Process Value نام دارد. این پارامتر تعیین‌کننده مقدار کنونی متغیر اندازه‌گیری شده است. برای مثال دمای محیط در هر لحظه که توسط سنسور اندازه‌گیری می‌شود، به عنوان PV در نظر گرفته خواهد شد.

– خطا یا Error

اختلاف میان SP و PV به عنوان سیگنال خطا در کنترل PID اینورتر شناخته می‌شود که هدف نهایی در این سیستم کنترلی، صفر کردن آن است.

سخن پایانی

کنترل PID اینورتر یکی از روش‌های کنترل حلقه بسته است که مدهای مختلف تناسبی، انتگرالی و مشتق‌گیری را برای کاهش خطای سیستم باهم ترکیب می‌کند. به این ترتیب می‌توان یک خروجی صاف و بدون تغییرات شدید را به دست آورد که تا حد زیادی به مقدار مطلوب ما نزدیک است. ما در این مقاله از پینیون به بررسی نحوه عملکرد و تنظیمات کنترلر پی آی دی اینورتر پرداختیم و کاربردهای آن را هم مورد ارزیابی قرار دادیم. برای آشنایی بیشتر با مدهای کنترلی اینورتر می‌توانید بر روی لینک درج شده کلیک کنید.

سوالات متداول

• برای پایدار کردن سیستم حلقه بسته، کدام یک از پارامترهای P، I و D را باید تغییر دهیم؟

هر سه پارامترهای مذکور می­توانند  در ناپایدار شدن یک سیستم حلقه بسته اثرگذار باشند اما به دلیل ماهیت اکثر سیستم‌ها ممکن است شما در بعضی از سیستم‌ها نیازی به کنترلر Pid نداشته باشید و صرفا استفاده از یک کنترلر PI نیاز شما را رفع کند. اینکه این پارامترها بر روی چه عددی باید تنظیم شوند، بستگی به  ماهیت کند یا سریع بودن سیستم شما دارد. در کنترلرهای PI مقدار D برابر صفر تنظیم می­شود.

• منظور از فیدبک در PID چیست؟

در یک سیستم کنترلر PID، از خروجی فرایند تحت کنترل توسط یک سنسور نمونه‌برداری شده و سیگنالی متناسب با مقدار خروجی، به بلوک کنترلی داده می­شود که اصطلاحاً به این سیگنال ارسالی توسط سنسور خروجی فیدبک یا بازخورد گفته می­شود. حال این سیگنال می­تواند آنالوگ ولتاژی یا جریانی و یا دیجیتال باشد. همان طور که در بالاتر نیز توضیح داده شد این سیگنال با یک ست پوینت مقایسه شده و یک سیگنال خطا را تولید می­کند. که این سیگنال پس از عبور از یک بلوک PID درون اینورتر، به سیگنال مناسب برای اعمال به موتور که اینجا سیگنال PWM است تبدیل می­شود.

• کاربرد ضرایب مختلف در کنترل PID اینورتر چیست؟

ضریب P منجر به جبران خطای خروجی تا حد زیادی می­شود. اما به دلیل اینکه با این ضریب به تنهایی نمی­توان خطای خروجی را صفر کرد و هنوز مقداری خطا در سیستم باقی می­ماند، لذا باید ضریب I را نیز وارد سیستم نمود تا خطا پس از مدتی به صفر نزول کند. اما چون ماهیت انتگرال منجر به کند شدن سیستم می­شود، از ضریب D برای سریع کردن سیستم استفاده می­شود. اما باید توجه نمود که استفاده از ضریب D اولا همه جا لازم نیست و ثانیا ملاحظاتی را باید در هنگام استفاده از این ضریب مد نظر قرار داد.