جهاز التحكم PID هو جهاز للتحكم العملية التكنولوجيةوالتي تستخدم في طريقة التحكم PID والتي تعتمد على ثلاثة قوانين تحكم: التناسبي والتكاملي والتفاضلي.

مبدأ تشغيل وحدة التحكم PID

منفاخ متكامل وتقييد متغير يسمح بالتحكم المتكامل. منفاخان تفاضليان وحد متغير آخر يمكّنان المنظم من توفير التحكم التفاضلي.

إذا زاد الإخراج، يتسع منفاخ الإدخال ومنفاخ التفاضلية السفلية. يتوسع المنفاخ التفاضلي العلوي لاحقًا بسبب القيود المتغيرة. يدور الموازن ويزداد الإخراج على الفور.

عندما تتدفق إشارة الدخل بالكامل إلى المنفاخ التفاضلي العلوي، ستطبق المنفاخ قوة من شأنها إلغاء القوة التي يطبقها المنفاخ التفاضلي السفلي. عند هذه النقطة يتوقف التحكم التفاضلي. في نفس الوقت يحدث هذا، منفاخ تعليقيتوسع نتيجة للتغيرات في الإخراج. يتم تطبيق التغيير في الإخراج على المنفاخ المتكامل، مما يؤدي إلى قوة تجعل الصمام أقرب إلى الفوهة. هذا الإجراء يبقي الخروج قيد التشغيل مستوى عالخلال الوقت الذي المتغير عمليةلا يساوي الإعداد. سيستمر الإخراج في الزيادة حتى يعود متغير العملية إلى قيمة نقطة الضبط.

أين يتم استخدام وحدة التحكم PID؟

سوف تقوم وحدة التحكم PID اختيار جيدبالنسبة لفرن التسخين المسبق للزيت الذي يعمل بالغاز، لأن العملية اللاحقة، حيث يتم توفير الزيت الساخن، لا تسمح إلا بانحرافات صغيرة جدًا في درجة حرارة الزيت عن القيمة المحددة، كما أن التأخير الكبير في عملية التسخين يجعل من الصعب جدًا تحديدها والقضاء عليها الانحرافات.

أحد أسباب التأخر هو القدرة. الفرن لديه القدرة على الحفظ عدد كبير منالحرارة داخل جدرانه. يتم نقل الحرارة المتراكمة إلى الزيت، لكن النقل لا يحدث على الفور. إذا كانت الجدران الداخلية ساخنة للغاية، فسوف يستغرق الأمر بعض الوقت حتى تنخفض درجة حرارتها، وخلال هذه الفترة قد يسخن الزيت بشكل زائد. إذا لم يتم تسخين الجدران الداخلية بدرجة كافية، فقد لا يتلقى الزيت حرارة كافية.

يساعد المكون التفاضلي لوحدة التحكم PID في التغلب على التأخيرات من خلال إنشاء إجراءات تغذية للأمام فعالة. يقوم المكون المتكامل بضبط إشارة الخرج بشكل مستمر في حالة وجود إزاحة حتى تعود درجة الحرارة المتحكم فيها إلى نقطة التحديد.

منظم - جهاز يراقب عمل كائن التحكم ويولد إشارات تحكم (تنظيمية) له.

يمكن تنفيذ الأجهزة التنظيمية كجهاز منفصل أو كحزمة تطبيق في البرنامج الرئيسي لجهاز التحكم.

يمكن تقسيم منظمات الأجهزة إلى:

1.فيما يتعلق باستخدام الطاقة الخارجية في العمل:

لا تستخدم الهيئات التنظيمية ذات التمثيل المباشر الطاقة الخارجية. إنها تعمل باستخدام الطاقة التي طورها المستشعر، وهي بسيطة التصميم، وغير مكلفة، ولكنها ذات دقة منخفضة. يستخدم في أبسط أنظمة التحكم.

لا تعمل الهيئات التنظيمية بشكل مباشر، فهي تستخدم الطاقة الخارجية لتشغيلها - وهذا هو النوع الرئيسي من الهيئات التنظيمية.

2.حسب نوع الطاقة الخارجية المستخدمة:

• الكهرباء؛
• هوائي؛
• هيدروليكي؛
• مجموع.

3. حسب نوع المعلمة التي يتم التحكم فيها: درجة الحرارة، الضغط، المستوى، وحدات التحكم في التدفق، إلخ.

4.وفقًا لقانون التنظيم، أي. من خلال التغيير في التأثير التنظيمي بمرور الوقت عندما تتغير المعلمة الخاضعة للرقابة (حسب نوع الاستجابة العابرة للجهة المنظمة). يمكن أن تكون هذه الهيئات التنظيمية من نوع الأجهزة (التناظرية) أو الرقمية، في شكل حزمة برامج.

تتميز الأنواع التالية من التنظيم:

• ص(ع) - يعني " متناسب»
• أنا(أنا) - "لا يتجزأ"
• د(د) - " التفاضلي»
• باي.(باي) - " متناسب ومتكامل»
• بي.دي.(بي دي) – " النسبي والتفاضلي»
• معرف المنتج(معرف المنتج) – " التناسبي والتكاملي والتفاضلي»

خصائص وأنواع المنظمين

1. منظم P، تحكم متناسب.

وظيفة النقل للمنظم P: Gp(s) = Kp. تقوم وحدة التحكم بإنشاء إجراء تحكم على الكائن بما يتناسب مع حجم الخطأ (كلما زاد الخطأ e، زاد إجراء التحكم Y=Kp*e).

2. أنا منظم، دمج المنظم.

وظيفة نقل منظم I: Gi(s) = 1/Ti*s. يتناسب إجراء التحكم مع تكامل الخطأ e:

3. د-منظم، تمييز المنظم.
وظيفة الإرسالمنظم D: جي دي( س) = تد * س. د تقوم وحدة التحكم بإنشاء إجراء تحكم فقط عندما يتغير المتغير المتحكم فيه:ي= تد * دي/ dt.

ش ص-منظم ، ويسمى أيضًا ثابتًا، ويتناسب التغيير في موضع RO مع انحراف المعلمة القابلة للتعديل " ه» من قيمته المحددة× 0 .

مزايا P-regulator – سرعته (وقت تنظيم قصير tp ) والاستقرار العالي لعملية التنظيم.

عيب– وجود خطأ ثابت δ X، أي. بعد انتهاء عملية التنظيم (خلال فترة التنظيمن) لا ترجع المعلمة بالضبط إلى القيمة المحددة، ولكنها تختلف عن القيمة المحددة بـ δ X، مما يقلل من دقة التنظيم. مع زيادة الكسب Kp، القيمة δ إنه يتناقص، ولكن ASR قد يفقد الاستقرار. عند Kp = Kp cr، لا تظهر في النظام تذبذبات مخمدة ذات سعة ثابتة، ولكن عند Kp أكبر، مع سعة متزايدة. أرز. 93

1 – عملية تسيطر عليهاصمنظم في K ص< K p .кр
2 – عملية قابلة للتعديل فيك ع = ك ص.كر

تي كر - فترة التذبذبات غير المخمدة عندك ع = ك ص.كر

ر ص - وقت التنظيم لعملية مستقرة

× 0 - القيمة الأولية للمعلمة الخاضعة للرقابة

δ X - خطأ ثابت

ش أنا-منظم ، ويسمى أيضاأ ثابت، فإن التغيير في موضع RO يتناسب مع تكامل الانحراف " ه» للمعلمة المتحكم فيها من قيمتها المحددة× 0 . سيتحرك عنصر التحكم حتى تصل المعلمة إلى القيمة المحددة بالضبط، أي. ليس لديه خطأ ثابت δ س = 0. هذه هي ميزتها، ولكن عيبها هو ضعف استقرارها وطول وقت التنظيم. ويمكن استخدامه على الأجسام بالقصور الذاتي مع التسوية الذاتية.

ش د -منظم، فإن التأثير التنظيمي يتناسب مع معدل انحراف المعلمة عن الهدف، أي. مشتق من الانحراف« ه». في الشكل 94 مع تغيير الخطوةش(ر), تحدث إشارة خطأ ه، والتي سوف تنخفض خلال عملية التنظيمر حتى تصل المعلمة إلى قيمة جديدةش(ر).ر 0 - بداية انحراف المعلمة،ر 1 - لحظة تشغيل المنظم بدون إشارة مشتقة "Δ" - المنطقة الميتة للمنظم.

سرعة الانحراف في اللحظة الأولية كبيرة وبالتالي فإن إشارة السرعة ستكون كبيرة, سيبدأ المنظم في العمل على الفور في الوقت الحالي t1 ، حتى قبل الانحراف الملحوظ "Δ" للمعلمة وسيتم تعيين المعلمة بسرعة على المهمةش (ر) .

وبالتالي، زادت سرعة هذا المنظم - وهذا هو كرامة.عيب- غير مستقر في التشغيل، لذلك لا يستخدم بشكل منفصل. لكن هذا المبدأ يستخدم لتحسين جودة التنظيمبي.دي.و معرف المنتجالمنظمين

الجمع بين أبسطف، أنا، د ، المنظمين، تلقيباي., بي.دي., معرف المنتجالمنظمين. في الممارسة العملية يتم استخدامه بشكل رئيسي ر, باي., معرف المنتجالمنظمين

باي. - منظم، الجمع روأناالمنظمين لديه مزايا على حد سواء. من ص -استقرار جيد منأناδ س = 0.

بي.دي.- منظم، مزيج رو دالمنظمينلديه مزايا على حد سواء. من ص -مقاومة جيدة، مند– تحسين الأداء، ولكن لا يزال هناك خطأ ثابتδ X، مثل Y رمنظم

معرف المنتج- منظم، الجمع باي و دالمنظمينله مزاياثلاثة.من ص -مقاومة جيدة، منأنا- لا يوجد خطأ ثابتδ س = 0، من د– زيادة الأداء.

معرف المنتج- المنظم هو الأكثر عالمية في قدراته.حاليا الإلكترونية والرقميةمعرف المنتج- القائمون على التنظيممَن يمكن تنفيذ القوانين التنظيمية المختلفة.

المخطط الهيكلي معرف المنتجمنظم

ويبين الشكل 95 مخطط الكتلةتحكم PID

أرز. 95 رسم تخطيطي لوحدة تحكم PID

كيلو بايت- مكاسب المنظم

تي ط– ثابت التكامل

تد- ثابت التمايز

هذه هي إعدادات المنظمين

الخصائص العابرة للمنظمين هو موضح في الشكل 96. لبايو دالمنظمين، فهي تشبه خصائص الوحدات القياسية المقابلة. بالنسبة للمنظمين الآخرين، يتم الحصول على الخصائص عن طريق إضافة الخصائصمنظمات P وI وD.

توضح الخصائص العابرة كيف يتغير التأثير التنظيمي للجهة التنظيميةي في الوقت الذي تنحرف فيه المعلمة الخاضعة للتحكم X من المهمة أي عندما تظهر إشارة الخطأ "e".

عندما يكون هناك انحراف، انخفاض في درجة حرارة الجسم(X) ، ذ رمنظم, سيتم فتح صمام التحكم قليلاً(ص) يتناسب مع انحراف درجة الحرارة وسوف تتوقف. سوف يزيد إمدادات الحرارة ودرجة الحرارة, سوف يتعافى بسرعة، ولكن ليس بدقة، سيحدث خطأ ثابت δ X.

ش معرف المنتجمنظم، بسبب رودالمكونات، سيتم فتح الصمام أولاً بقوة، مما يوفر إمدادًا سريعًا بالحرارة، ولكن بعد ذلك، لمنع ارتفاع درجة الحرارة، سيبدأ في الإغلاق، مما يضمن توفير الحرارة اللازمة للكائن. ثم يدخل حيز التنفيذأناعنصر، مما يفتح الصمام قليلاً حتى يتم التخلص من الخطأ الثابت δ عاشرا وهكذادمكون يزيد من سرعة المنظم، وأنايقوم المكون بإزالة الخطأ الثابت δ X.

أسئلة التحكم

1. إذا كنت رزيادة منظم Kr، كيف سيتغير δ X؟

2. ماذا يعطي؟ أنامكون من المنظم؟

3. عن أي عقاروكيف يؤثر دمكون من المنظم؟

4. ما هو منظم الجودة الأسوأ والأفضل؟

الدوائر الكهربائية للمنظمين

في التين. يوضح الشكل 97 الخيارات الممكنة لتنفيذ المنظمين على مكبرات الصوت التشغيلية. ريتم تنفيذ المنظم على DA1.

يكسب رعنصر كر = روبية / R1. في المخطط، معرف المنتجمنظم على DA1 مكرر الانتهاء رمكون بسبب ك =ص / ص = 1 ، ويؤدي وظائف مكبر للصوتد.أ. 4، وهو أيضًا جهاز مقارنة oe يقارن الإشارة من وحدة التحكم+ ش بإشارة من المستشعر -تجربة المستخدم. اختلافهم ه= ش- تجربة المستخدمخدم عند المدخلد.أ. لافتة هيعتمد على اتجاه تغيير المعلمة. الإعدادات لأناالقطع ت أنا= ريمعأنا، ولل د القطع Td=RdCd. على DA5 يتم إنشاء أداة الجمع التي تلخص جميع المكونات وعند الإخراج نحصل على إشارة تختلف باختلافمعرف المنتجقانون.

منظم P

أنا منظم

منظم د

تحكم PID

أرز. 97 المخططات الكهربائيةمنظمات P وI وD وPID

قانون التنظيم الإلكتروني تأنا،تد.

1 – بدون منظم

2 – أنامنظم

3 – صمنظم

4 – باي.منظم

5 – بي.دي.منظم

6 – معرف المنتجمنظم

× 0 - القيمة الأولية للمعلمة التي تسيطر عليها

δX - خطأ ثابت

جميع الأشياء الأخرى متساوية، يمكن لوحدات التحكم المشتقة التكاملية المتناسبة أو PID (PID - المشتقة التكاملية المتناسبة) زيادة دقة التحكم بمقدار 5-100 مرة مقارنة بوحدة التحكم في الموضع.

في أغلب الأحيان، في أنظمة التحكم الآلي في العمليات، يتم استخدام التحكم في التشغيل والإيقاف والتحكم في PID.

يوفر التحكم في التشغيل والإيقاف التشغيل أو الإيقاف المحرك(على سبيل المثال، سخان) اعتمادًا على ما إذا كانت المعلمة المقاسة أقل أو أعلى بالنسبة لمستوى معين. مع التحكم ثنائي الموضع، توجد دائمًا تقلبات في معلمات العملية في النظام، ويتم تحديد نطاق هذه التقلبات فقط من خلال معلمات النظام (القصور الذاتي لأجهزة الاستشعار والمشغل والنظام نفسه) وهي مستقلة عمليا عن وحدة التحكم .

مع التحكم PID، تعتمد إشارة التحكم على الفرق بين المعلمة المقاسة والقيمة المحددة، وعلى التكامل، وعلى الفرق، وعلى معدل تغيير المعلمات. ونتيجة لذلك، توفر وحدة التحكم PID حالة المشغل (متوسطة بين التشغيل أو الإيقاف) حيث تكون المعلمة المقاسة مساوية للمعلمة المحددة. نظرًا لاستقرار حالة المشغل، تزيد دقة الحفاظ على المعلمة في النظام بمقدار عشرة أضعاف. وبالتالي، فإن قانون التنظيم يضمن الدقة.

من حيث المبدأ، سيتم تحديد دقة الصيانة من خلال دقة قياس الإشارة وشدة التأثيرات الخارجية على الكائن.

Pb - درجة الحرارة الأولية في النظام

ti - ثابت وقت التكامل
td - ثابت وقت التمايز

يتم تحديد إشارة التحكم لوحدة التحكم PID من خلال ثلاثة مكونات:

(ف - المكون النسبي)

يتم تحديد إشارة التحكم التي تنتجها وحدة التحكم من خلال مدى عدم التطابق (المكون المتناسب)، ومدة استمرار عدم التطابق (المكون المتكامل)، وأخيرًا، مدى سرعة تغير عدم التطابق (المكون التفاضلي).

تعتمد جودة التحكم التي توفرها وحدة التحكم PID إلى حد كبير على مدى تطابق معلمات وحدة التحكم المحددة مع خصائص النظام. وهذا يعني أنه يجب ضبط وحدة التحكم PID قبل التشغيل.

يتم تحديد جودة التحكم في وحدة التحكم PID من خلال دقة ضبط معلماتها. هناك العديد من التقنيات المختلفة لضبط وحدات تحكم PID. يعتمد معظمها على تحليل الاستجابة العابرة.

الخطوة 1: تحديد المكون النسبي لوحدة التحكم PID

قبل ضبط النطاق التناسبي، يتم إيقاف تشغيل المكونات المتكاملة والتفاضلية، أو يتم ضبط ثابت التكامل على الحد الأقصى الممكن، وثابت التمايز على الحد الأدنى الممكن. تم ضبط إعداد SP المطلوب. يتم ضبط النطاق النسبي على 0 (الحد الأدنى الممكن). في هذه الحالة، يقوم المنظم بوظائف منظم ذو موقعين. يتم تسجيل الاستجابة العابرة.

القصدير - درجة الحرارة الأولية في النظام
توست - ضبط درجة الحرارة (نقطة الضبط)
Δ T - مدى تقلبات درجات الحرارة
Δt - فترة تقلبات درجات الحرارة

قم بتعيين النطاق التناسبي مساويا لنطاق تقلبات درجات الحرارة: Pb=Δ T. هذه القيمة بمثابة تقدير أولي للنطاق التناسبي. وينبغي تحليل استجابة الخطوة مرة أخرى وتعديل قيمة النطاق النسبي إذا لزم الأمر. الخيارات الممكنةتظهر الخصائص العابرة في الشكل 2.

اكتب استجابة الخطوة 1
لا تزال قيمة النطاق النسبي صغيرة جدًا، والاستجابة العابرة (وبالتالي إعداد وحدة التحكم) بعيدة عن المستوى الأمثل. وينبغي زيادة النطاق النسبي بشكل كبير.


في الاستجابة العابرة، لوحظت تذبذبات مخففة (5-6 فترات). إذا كان من المقرر في المستقبل استخدام المكون التفاضلي لوحدة التحكم PID، فإن القيمة المحددة للنطاق النسبي هي الأمثل. وفي هذه الحالة، يعتبر تعديل النطاق النسبي كاملاً.
إذا لم يتم استخدام المكونات التفاضلية في المستقبل، فمن المستحسن زيادة النطاق التناسبي بحيث يتم الحصول على الخصائص العابرة من النوع 3 أو 4.

تظهر الاستجابة العابرة طفرة صغيرة وتذبذبات سريعة الاضمحلال (1-2 فترات). يوفر هذا النوع من الاستجابة العابرة أداءً جيدًا وإنجازًا سريعًا لدرجة الحرارة المحددة. في معظم الحالات، يمكن اعتباره الأمثل إذا كان النظام يسمح بالانبعاثات (ارتفاع درجة الحرارة) عند الانتقال من درجة حرارة إلى أخرى.
يتم التخلص من التجاوزات عن طريق زيادة النطاق المتناسب بحيث يتم الحصول على استجابة من النوع 4 خطوات.

تقترب درجة الحرارة بسلاسة من القيمة المحددة دون انبعاثات أو تقلبات. يمكن أيضًا اعتبار هذا النوع من الاستجابة العابرة هو الأمثل، ولكن يتم تقليل سرعة وحدة التحكم قليلاً.

اكتب الاستجابة من 5 خطوات
يشير النهج المطول جدًا لقيمة الحالة المستقرة إلى أن منطقة التناسب كبيرة جدًا. الدقة الديناميكية والثابتة للتنظيم هنا منخفضة.

تجدر الإشارة إلى حالتين. أولاً، في جميع الحالات التي تمت مناقشتها أعلاه، لا تتطابق قيمة درجة حرارة الحالة المستقرة في النظام مع قيمة نقطة الضبط. كلما زاد النطاق التناسبي، زاد عدم التطابق المتبقي. ثانيا المدة العمليات العابرةكلما كانت المنطقة النسبية أكبر، كلما كانت أكبر. وبالتالي، ينبغي للمرء أن يسعى جاهدا لاختيار منطقة التناسب صغيرة قدر الإمكان. في الوقت نفسه، تتم إزالة عدم التطابق المتبقي، وهو سمة من سمات وحدات التحكم التناسبية البحتة (وحدات التحكم P)، بواسطة المكون المتكامل لوحدة التحكم.

الخطوة 2: ضبط المكون التفاضلي (td) لوحدة التحكم PID

هذه الخطوة موجودة فقط في حالة استخدام وحدة تحكم PID كاملة الميزات. إذا لم يتم استخدام المكون التفاضلي (يتم استخدام وحدة التحكم التناسبية المتكاملة (PI)، فيجب عليك المتابعة فورًا إلى الخطوة 3 (إعداد المكون المتكامل ti).

في مرحلة ضبط النطاق التناسبي، يتم إنشاء نطاق تناسبي يتوافق مع الاستجابة العابرة من النوع 2، حيث توجد تذبذبات مخمدة (انظر الشكل 1، المنحنى 2، الشكل 3، المنحنى 1.). يجب ضبط ثابت وقت التمايز بحيث تبدو الاستجابة العابرة مثل المنحنى 2 في الشكل 2. وكتقريب أولي، يتم تعيين ثابت وقت التمايز على td = 0.2Δt.

من الجدير بالذكر أن المكون التفاضلي يزيل التذبذبات المخمدة ويجعل الاستجابة العابرة مشابهة للنوع 3 (انظر الشكل 1). في هذه الحالة، يكون النطاق المتناسب أصغر من النوع 3. وهذا يعني أن دقة التنظيم الديناميكية والثابتة في وجود مكون تفاضلي (وحدة تحكم PD) يمكن أن تكون أعلى من وحدة التحكم P.

المرحلة 3. ضبط المكون المتكامل (ti) لوحدة التحكم PID

بعد ضبط المكون المتناسب (والمكون التفاضلي إذا لزم الأمر)، يتم الحصول على الاستجابة العابرة الموضحة في الشكل، المنحنى 1. تم تصميم المكون المتكامل لإزالة عدم التطابق المتبقي بين قيمة درجة الحرارة المحددة في النظام ونقطة الضبط . يجب أن تبدأ بضبط ثابت وقت التكامل بقيمة Δt.

اكتب الاستجابة من الخطوة الثانية
اتضح عندما يكون ثابت وقت التكامل كبيرًا جدًا. تبين أن الوصول إلى نقطة الضبط يستغرق وقتًا طويلاً جدًا ويستمر حوالي (3…4) تي.

اكتب استجابة الخطوة 4
اتضح عندما يكون ثابت وقت التكامل صغيرًا جدًا. الوصول إلى نقطة الضبط يستمر أيضًا (3…4)ti. إذا تم تقليل ثابت وقت التكامل بشكل أكبر، فقد تحدث تذبذبات في النظام.

اكتب 3 خطوة الاستجابة
أفضل.

الحد الأدنى

وهكذا، نظرنا في عملية الإعداد خطوة بخطوة المكونات المختلفةتحكم PID. في كل مرحلة، تم رصد نوع الاستجابة العابرة، وإذا لزم الأمر، تم تعديل قيم معلمات وحدة التحكم PID. في هذه الحالة، كانت القيم الأولية للمعلمات هي معلمات الاستجابة العابرة التي تم الحصول عليها لوحدة تحكم ذات موضعين، وهي: Pb = ΔT; تي = Δt؛ td = 0.2Δt. تظهر التجربة أنه في معظم الحالات، توفر قيم المعلمات هذه إعدادًا لوحدة تحكم PID قريبًا من المستوى الأمثل، ولا يلزم إجراء أي تعديلات إضافية على المعلمات.