آموزش, توصیه شده, مقاله های سیسوگ

کنترلر PID چیست و چرا از آن استفاده کنیم؟

PIC control

احتمالاً اگر دانشجوی کارشناسی برق در گرایش کنترل باشید در درس کنترل خطی با کنترلر PID آشنا شدید یا اگر در صنعت مشغول کار هستید برای کنترل پارامترهای محیطی نظیر دما نام PID کنترل را شنیده باشین. درواقع PID کنترل معروف‌ترین الگوریتم کنترل حلقه بسته است. در ابتدا به بررسی علت استفاده از PID در یک سناریو عملی در بستر گلخانه هوشمند می‌پردازیم و سپس به ابعاد فنی کنترلر PID خواهیم پرداخت.

 

بررسی کاربرد کنترلر PID در گلخانه هوشمند

با گسترش اینترنت اشیا و هوشمند سازی نیاز به کنترل فرایند و پارامترهای محیطی اهمیت بیشتری پیداکرده و روزانه صنف‌های تولیدی و کسب‌وکار بیشتری اقدام به هوشمند سازی می‌کنند. یکی از این اصناف، گلخانه داران و کشاورزان ما هستند که از چندین سال پیش با اتوماسیون صنعتی، گلخانه‌های خود را تجهیز و کنترل می‌کردند. اما با رویکرد اینترنت اشیا منافع و مزیت‌های برتری در گلخانه هوشمند به وجود آمده است. اگر بخواهیم به‌طور ساده مراحل هوشمند سازی و اتوماسیون گلخانه هوشمند را بدانید، این مراحل عبارت‌اند از:

  • نصب سنسورهای کاربردی گلخانه جهت مانیتورینگ مثل سنسور دما و رطوبت آب و خاک، CO2، لوکس متر و PH و …
  • نصب تجهیزات صنعتی جهت روشن و خاموش کردن ادوات و تجهیزات گلخانه مثل بخاری، شیر برقی ها، موتور پنجره و …
  •  کنترل پارامترهای محیطی مثل ثابت نگه‌داشتن دمای گلخانه، رطوبت گلخانه، میزان CO2 و … در محدوده مجاز.

موضوعی که در این مقاله به آن بپردازیم پیاده‌سازی مرحله سوم است. هدف اصلی ایجاد شرایط محیطی ایده آل برای  گل و گیاهان است. عوامل زیادی در رشد و نمو گل و گیاهان تأثیر گذار است که بر اساس هر نوع گیاه، تأثیر این عوامل متفاوت است. دمای مناسب در گلخانه یکی از عوامل محیطی مهم برای رشد گیاه هست. اکثر محصولات گلخانه در دمای حداقل ۱۶و حداکثر ۳۵درجه کشت می‌شوند اما بهترین دما برای رشد بیشتر محصولات 26 تا 29 درجه سانتی‌گراد است. به این نکته دقت کنید که دمای مناسب در شب و روز متفاوت است. پس باید سیستم کنترلر مرکزی گلخانه هوشمند بتواند با کنترل خروجی‌ها و تجهیزات دمای مناسب را ثابت نگه دارد. پیاده‌سازی مرحله سوم برای طراحان سیستم هوشمند گلخانه همیشه همراه با ریسک بوده، به خاطر اینکه اگر عملکرد سیستم کنترلی صحیح نباشد، خسارات و آسیب واردشده به گیاهان و محصولات گلخانه جبران‌پذیر نیست و ممکن در دمای خارج حد مجاز گیاه یخ بزند یا در دمای بالاتر کیفیت محصول کاهش یابد. 

این موضوع را باید به یاد داشته باشیم برای سالن‌های بزرگ گلخانه، کنترل عوامل محیطی بسیار پیچیده است. چندین عامل داخلی و خارجی بر دمای گلخانه تأثیر دارد. این عوامل عبارت‌اند از: دمای بیرون گلخانه، میزان رطوبت داخلی، میزان نور واردشده با سالن، سطح باز یا بسته بودن پنجره‌ها و نوع تهویه سالن و عوامل دیگری بر دمای گلخانه تأثیرگذار هست. بهترین راهکار جهت کنترل دما، راهکاری با صرف کمترین منابع انرژی انجام شود. در بعضی از روزهای سال، ممکن هست دما گلخانه کاهش‌یافته و سیستم کنترلی شما اگر با تنظیمات قبلی بخواهد دما را تطبیق دهد ممکن مدت‌زمان بیشتری طول بکشد. پس بهتره راهکاری در نظر داشت که در این شرایط، سیستم با سرعت بیشتری و صرف انرژی کمتر بتواند دمای گلخانه را به حد مناسب برساند و از خسارات جلوگیری کند. به این منظور پارامترهای تنظیماتی سیستم کنترل گلخانه باید به‌طور خودکار تنظیم شوند یا در شرایط مختلف این کار به‌صورت خطا و آزمون توسط اپراتور تنظیم مجدد گردد.

کنترلر PID

کنترلر PID برای گلخانه

 

جهت پیاده‌سازی مرحله سوم می‌بایست ابتدا مرحله اول و دوم انجام‌شده باشد، یک سیستم کنترل حلقه بسته نیاز دارد از سنسورها و تجهیزات کنترلی استفاده کند. اگر دمای گلخانه بیش‌ازحد زیاد شد سیستم‌های گرمایشی خاموش شود و بجای آن سیستم سرمایشی فن و پد سلولوزی عمل کند متناظرا اگر دمای گلخانه کاهش یافت، سیستم گرمایشی روشن شود.

اما چطور می‌توانیم یک سیستم کنترل‌شده برای تنظیم و ثابت نگه‌داشتن دمای گلخانه به‌صورت اتوماتیک پیاده‌سازی کنیم؟  همان‌طور که گفته شد کنترل شرایط اقلیمی گلخانه بسیار پیچیده و به عوامل زیادی وابسته است. مقالات زیادی پیرامون مانیتورینگ و کنترل گلخانه هوشمند در صنعت نسل 4.0 چاپ‌شده و برای بهینه‌سازی شرایط اقلیمی مثل دمای گلخانه، روش‌های متعددی وجود دارد. روش‌هایی مبتنی بر منطق فازی، به‌کارگیری شبکه ANN بر پایه هوش مصنوعی، کنترل MPC و یکی از قدیمی‌ترین و کاربردی‌ترین روش‌ها PID هست. کنترلر PID یک سیستم کارآمد برای ثابت نگه‌داشتن پارامتر محیطی مثل دما است، همچنین با ترکیب کنترل فازی به PID اثر اغتشاشات خارجی به‌طور مؤثرتری کنترل می‌شود. در ادامه با کنترلر PID آشنا خواهیم شد و کاربرد آن در گلخانه هوشمند بررسی می‌کنیم.

 

PID دقیقا چطور کار میکند؟

PID کوتاه شده کلمات Proportional Integral Differential است که به ترتیب از چپ به راست به معنای تناسب، انتگرال و مشتق گیری میباشد. کنترل PID بسیار کاربردی است که تقریبا در اطراف ما در سیستم های مختلفی وجود دارد. برای مثال دستگاه قهوه ساز شما برای تنظیم فشار از PID استفاده می کند یا سیستم کروز ماشین برای ثابت نگه داشتن سرعت از PID بهره می برد. در واقع ما برای ثابت نگه داشتن خروجی سیستم روی مقدار تعیین شده از PID استفاده می کنیم. در طیف زیادی از سیستم ها نظیر هواپیما، پهباد، توربین ها، تنظیم دمای کوره و در واحد های تولیدی از PID استفاده زیادی شده. کنترلر PID ابتدا خروجی سیستمPV  (Process Variable) را با یک نقطه تعیین‌شده توسط کاربر SP  (Set Point)مقایسه می‌کند و با محاسبه اختلافان سیگنال خطا (Error) تولید می‌شود. سپس سعی می‌شود میزان سیگنال خطا با تنظیم خروجی اصلاح یابد و به صفر نزدیک شود. اما چطور می‌توان سطح سیگنال خروجی  PVرا بر اساس سیگنال خطا تغییر داد؟!

روش کار کنترلر PID

در سیستم کنترل حلقه بسته، سنسورها با فیدبک گرفتن از مقدار خروجی و با ارسال سیگنال به کنترلر می‌تواند میزان خطا را تشخیص دهند و با محاسبه مقادیر PID می‌توان خروجی سیستم را به SP (Set Point) نزدیک کرد. همان‌طور که گفته شد PID دارای سه پارامتر Proportional (P) و integral (I) و Derivative (D) هست که به‌طور جداگانه از سیگنال خطا محاسبه می‌شوند و به اصلاح مقدار خروجی کمک می‌کنند. هرکدام از این سه پارامتر داری Gain (ثابت تقویت‌کننده) جداگانه‌ای هستند. تصویر زیر فرم تابع PID را نشان می دهد: 

فرم تابع PID

بیایم به گلخانه هوشمند و سناریو کنترل دما بازگردیم، فرض کنید بخواهیم یک سیستم کنترل دما در محدوده مجاز دمای گلخانه راه‌اندازی کنیم. ساده‌ترین حالت ممکن برای راه‌اندازی کنترلر دما کنترلر ON/OFF یا به‌اصطلاح Bang-Bang گفته می‌شود. با تعیین آستانه حد بالا و حد پایین دمای مجاز، با برنامه‌نویسی می‌توان دو شرط معین کرد. شرط اول برای شرایطی که دما بیش‌ازحد آستانه‌بالا است که می‌بایست سیستم گرمایشی خاموش گردد و برای شرط دوم اگر دما از حد پایین کاهش یافت، آنگاه سیستم گرمایشی روشن شود. جالب است بدانید این روش کار می‌کند ولی محدوده نوسان دمایی بالایی پیرامون Set value به وجود می‌آید. اولین مشکل نداشتن دقت بالا و صرف انرژی بیشتر است. همچنین ممکن است این تغییرات نوسانی در ناحیه هیسترزیس برای صنایع حساس، خطراتی همراه داشته باشد. در تصویر زیر یک سیستم بر پایه کنترلرON/OFF می‌بینید:

سیستم برپایه کنترلرON/OFF

کنترلر کننده PID نتیجه بهتری نسبت به کنترل‌کننده ON/OFF می‌دهد و پایداری و دقت بیشتری پیرامون نقطه SP دارد. هدف نهایی ما داشتن خروجی پایدار و ثابت هست که مقدار خطا در آن به صفر نزدیک شود. منظور از کنترلر PID الگوریتم کد نویسی شده که به‌صورت دیجیتال در پردازنده شما اجرا می‌شود. پردازنده مرکزی با اندازی گیری دمای در لحظه (Process Variable) PV و مقایسه آن با دمایی که باید درآن قرار گیرد، میزان خطا را محاسبه کرده و سپس از طریق الگوریتم PID به هیتر فرمان صادر می‌شود. البته کنترلرهای آنالوگ قدیمی مبتنی بر PID در تجهیزات مختلف وجود داشته‌اند. برای پیاده‌سازی کنترل‌کننده دیجیتال در میکروپروسسورها، PLC  ها و کامپیوتر لازم است آن‌ها را به فرم زمان گسسته تبدیل کنیم. بدین منظور نیاز هست از سیگنال سنسور نمونه‌برداری شود. همچنین باید در نظر داشت، فرکانس نمونه‌برداری طبق شرط نایکوئیست بیش از دو برابر بزرگ‌ترین مؤلفه فرکانسی در سیگنال زمان پیوسته باشد.

اما چطور خروجی کنترلر PID که ماهیت پیوسته و آنالوگ دارد را به خروجی‌های دیجیتال سیستم مثل رله بدهیم؟ نیاز به واحدهای DAC یا پیاده‌سازی پالس Pulse Width Modulation (PWM) داریم. برای به‌کارگیری PWM نیاز داریم زمانی را به‌عنوان پریود یا Cycle Time در نظر بگیریم. و با مقیاس بندی حداکثر میزان خروجی کنترلر می‌توانیم یک Duty Cycle برای هر نسبت سیگنال آنالوگ مشخص کنیم. همچنین بدیهی هست در گلخانه هوشمند با توجه به زمان پاسخ بالا و تغییرات با سرعت‌پایین در کنترل دمای گلخانه، بهتر است که از مدت‌زمان Cycle Time بزرگ‌تری استفاده کرد و فرکانس PWM بسیار پایین باشد تا تجهیزات کنترلی گلخانه نظیر بخاری و انواع فن‌ها آسیب نبینند. 

در قسمت بعدی با الگوریتم‌ PID آشنا و عملکرد انواع کنترلر‌های PID را بررسی می‌کنیم.

انتشار مطالب با ذکر نام و آدرس وب سایت سیسوگ، بلامانع است.

شما نیز میتوانید یکی از نویسندگان سیسوگ باشید.   همکاری با سیسوگ

بازگشت به لیست

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

2 دیدگاه در “کنترلر PID چیست و چرا از آن استفاده کنیم؟

  1. امیر حسن زاده گفت:

    ساده اما پرمحتوا نوشتین
    کاش تو کلاس کنترل خطی اون استاد ما یه بند از pid اینجوری میگفت…

    1. elahe گفت:

      نظر لطف شماست.
      یادتون نره سیسوگ رو به دوستانتون معرفی کنید. ✨