ขั้นแรกแนะนำ
ในระบบควบคุมระบบอัตโนมัติอุตสาหกรรมที่ทันสมัยคอนโทรลเลอร์ PID (สัดส่วน-integral-differential) เป็นหนึ่งในอัลกอริทึมการควบคุมที่พบบ่อยที่สุดและสำคัญที่สุดตัวควบคุม PID ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในโอกาสการควบคุมอุตสาหกรรมที่หลากหลายเช่นการควบคุมอุณหภูมิการควบคุมความดัน การควบคุมและอื่น ๆ เนื่องจากลักษณะที่เรียบง่ายใช้งานได้จริงและแข็งแกร่ง ในบทความนี้แนวคิดพื้นฐานของตัวควบคุม PID หลักการทำงานบทบาทและข้อดีและความท้าทายในการใช้งานจริงได้อธิบายไว้ในรายละเอียด
ประการที่สองแนวคิดพื้นฐานของตัวควบคุม PID
PID Controller หรือที่รู้จักกันในชื่อคอนโทรลเลอร์สัดส่วน-อินเทอร์-อนุพันธ์เป็นอัลกอริทึมการควบคุมที่เบี่ยงเบน มันมาจากปริมาณการควบคุมผ่านการดำเนินการตามสัดส่วนอินทิกรัลและความแตกต่างของการเบี่ยงเบนของระบบจากนั้นควบคุมวัตถุที่ควบคุมแนวคิดหลักของตัวควบคุม PID คือการทำนายสถานะในอนาคตตามสถานะปัจจุบันของระบบ (เช่นการเบี่ยงเบน) และ สถานะที่ผ่านมา (เช่นอินทิกรัลและความแตกต่างของการเบี่ยงเบน) และปรับปริมาณการควบคุมให้เหมาะสมเพื่อให้เอาต์พุตของระบบติดตามค่าที่ตั้งไว้อย่างรวดเร็วและแม่นยำ
ประการที่สามหลักการทำงานของคอนโทรลเลอร์ PID
หลักการทำงานของคอนโทรลเลอร์ PID สามารถสรุปได้ในขั้นตอนต่อไปนี้:
การควบคุมสัดส่วน (P):การควบคุมสัดส่วนเป็นพื้นฐานของตัวควบคุม PID ซึ่งปรับปริมาณการควบคุมโดยตรงตามขนาดของการเบี่ยงเบนของระบบ เบี่ยงเบนที่ใหญ่ขึ้นยิ่งมีการปรับปริมาณการควบคุมมากขึ้นเท่านั้น เบี่ยงเบนที่เล็กลงเท่าใดปริมาณการควบคุมก็จะถูกปรับน้อยลง การควบคุมสัดส่วนสามารถตอบสนองต่อการเบี่ยงเบนของระบบได้อย่างรวดเร็ว แต่มีข้อผิดพลาดสถานะคงที่
การควบคุมแบบอินทิกรัล (i):การควบคุมแบบอินทิกรัลได้รับการแนะนำเพื่อกำจัดข้อผิดพลาดสถานะคงที่ มันดำเนินการอย่างสมบูรณ์ในการเบี่ยงเบนเพื่อให้ได้คำศัพท์อินทิกรัลตามสัดส่วนกับระยะเวลาของการเบี่ยงเบนและเพิ่มลงในปริมาณการควบคุม การควบคุมแบบอินทิกรัลสามารถลดข้อผิดพลาดสถานะคงที่ แต่อาจส่งผลให้เกิดการตอบสนองของระบบที่ช้าลงหรือความอิ่มตัวของอินทิกรัล
การควบคุมที่แตกต่าง (d):การควบคุมที่แตกต่างถูกนำมาใช้เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพแบบไดนามิกของระบบ มันทำงานโดยการแยกความแตกต่างของการเบี่ยงเบนเพื่อให้ได้คำที่แตกต่างกันตามสัดส่วนกับอัตราการเปลี่ยนแปลงของการเบี่ยงเบนและเพิ่มลงในปริมาณการควบคุม การควบคุมที่แตกต่างสามารถทำนายแนวโน้มของการเบี่ยงเบนของระบบและปรับปริมาณการควบคุมล่วงหน้าซึ่งจะช่วยเพิ่มการตอบสนองของระบบและลดปริมาณของ overshoot
ปริมาณการควบคุมของตัวควบคุม PID ประกอบด้วยคำศัพท์สัดส่วนอินทิกรัลและความแตกต่างและการแสดงออกทางคณิตศาสตร์ของมันคือ:
u (t)=kp * e (t) + ki * ∫e (t) dt + kd * de (t)/dt
โดยที่ u (t) คือปริมาณการควบคุม KP คือค่าสัมประสิทธิ์สัดส่วน Ki คือค่าสัมประสิทธิ์อินทิกรัล KD คือค่าสัมประสิทธิ์ที่แตกต่างกันและ E (T) คือการเบี่ยงเบนของระบบ
ประการที่สี่บทบาทของคอนโทรลเลอร์ PID
PID Controller มีบทบาทสำคัญในระบบควบคุมระบบอัตโนมัติอุตสาหกรรมส่วนใหญ่สะท้อนให้เห็นในด้านต่อไปนี้:
ปรับปรุงความแม่นยำของระบบ:PID คอนโทรลเลอร์ผ่านการเบี่ยงเบนของระบบเพื่อการควบคุมที่แม่นยำเพื่อให้เอาต์พุตระบบสามารถติดตามค่าที่ตั้งไว้ได้อย่างรวดเร็วและแม่นยำซึ่งจะเป็นการปรับปรุงความแม่นยำของระบบ
ปรับปรุงประสิทธิภาพของระบบแบบไดนามิก:ด้วยการแนะนำการควบคุมที่แตกต่างตัวควบคุม PID สามารถทำนายแนวโน้มของการเบี่ยงเบนของระบบและปรับจำนวนการควบคุมล่วงหน้าซึ่งจะช่วยเพิ่มความเร็วในการตอบสนองของระบบและลดจำนวนการแก้ปัญหา ในเวลาเดียวกันโดยการปรับค่าสัมประสิทธิ์สัดส่วนอินทิกรัลและความแตกต่างประสิทธิภาพแบบไดนามิกของระบบสามารถปรับให้เหมาะสมได้
กำจัดข้อผิดพลาดสถานะคงที่:PID Controller สามารถลดข้อผิดพลาดสถานะคงที่โดยการแนะนำการควบคุมแบบรวมเพื่อให้เอาต์พุตระบบเสถียรใกล้กับค่าที่กำหนด
ทำให้การออกแบบระบบง่ายขึ้น:PID Controller มีโครงสร้างที่เรียบง่ายใช้งานง่ายและสามารถฝังลงในระบบควบคุมต่างๆได้อย่างง่ายดาย ในขณะเดียวกันตัวควบคุม PID มีความแข็งแกร่งและสามารถปรับให้เข้ากับสภาพแวดล้อมการทำงานที่แตกต่างกันและการเปลี่ยนแปลงโหลด
ประการที่ห้าการใช้งานจริงและข้อดีของตัวควบคุม PID
PID Controller มีการใช้งานที่หลากหลายในทางปฏิบัติรวมถึงการควบคุมอุณหภูมิการควบคุมความดันการควบคุมการไหลการควบคุมระดับของเหลวและอื่น ๆ ในแอพพลิเคชั่นเหล่านี้ตัวควบคุม PID สามารถเพิ่มความแม่นยำของระบบได้อย่างมีประสิทธิภาพปรับปรุงประสิทธิภาพของระบบแบบไดนามิกกำจัดข้อผิดพลาดคงที่และทำให้การออกแบบระบบง่ายขึ้น เมื่อเปรียบเทียบกับอัลกอริทึมการควบคุมอื่น ๆ คอนโทรลเลอร์ PID มีข้อดีดังต่อไปนี้:
ทั่วไปที่แข็งแกร่ง:PID Controller ใช้กับระบบเชิงเส้นที่หลากหลายและระบบไม่เชิงเส้นบางระบบโดยไม่จำเป็นต้องสร้างแบบจำลองที่แม่นยำของโมเดลระบบ
การดีบักที่สะดวก:พารามิเตอร์ของ PID Controller (ค่าสัมประสิทธิ์สัดส่วนสัมประสิทธิ์อินทิกรัลสัมประสิทธิ์ต่างกัน) สามารถดีบั๊กและปรับให้เหมาะสมโดยการทดลองหรือการจำลองและกระบวนการดีบักนั้นง่ายและสะดวก
ความแข็งแกร่งที่แข็งแกร่ง:PID Controller มีความสามารถในการต่อต้านการแทรกแซงที่แข็งแกร่งและความทนทานสามารถปรับให้เข้ากับสภาพแวดล้อมการทำงานที่แตกต่างกันและการเปลี่ยนแปลงโหลด
ต้นทุนต่ำ: ต้นทุนการใช้งาน PID คอนโทรลเลอร์ค่อนข้างต่ำสามารถใช้กันอย่างแพร่หลายในระบบควบคุมระบบอัตโนมัติอุตสาหกรรมที่หลากหลาย
หกความท้าทายและการปรับปรุงคอนโทรลเลอร์ PID
แม้ว่าคอนโทรลเลอร์ PID จะมีข้อได้เปรียบมากมายและมีการใช้กันอย่างแพร่หลาย แต่ก็มีความท้าทายและมีพื้นที่สำหรับการปรับปรุงการใช้งานจริง ตัวอย่างเช่นการปรับพารามิเตอร์ของตัวควบคุม PID ต้องการประสบการณ์และทักษะบางอย่างและระบบที่แตกต่างกันอาจต้องใช้การตั้งค่าพารามิเตอร์ที่แตกต่างกัน ในเวลาเดียวกันเอฟเฟกต์การควบคุมของตัวควบคุม PID สำหรับระบบไม่เชิงเส้นและเวลาที่เปลี่ยนแปลงอาจน้อยกว่าอุดมคติ เพื่อเอาชนะความท้าทายเหล่านี้นักวิจัยได้เสนอตัวควบคุม PID ที่ได้รับการปรับปรุงจำนวนมากเช่นตัวควบคุม PID ฟัซซี่ตัวควบคุม PID เครือข่ายประสาท ฯลฯ ซึ่งปรับให้เข้ากับความต้องการควบคุมของระบบไม่เชิงเส้นและเวลาที่เปลี่ยนแปลงได้
บทสรุป
ในฐานะหนึ่งในอัลกอริทึมการควบคุมที่สำคัญที่สุดในระบบควบคุมระบบอัตโนมัติอุตสาหกรรม PID Controller มีแอพพลิเคชั่นที่หลากหลายและข้อได้เปรียบที่สำคัญ โดยการทำความเข้าใจแนวคิดพื้นฐานหลักการทำงานและกลไกของตัวควบคุม PID เราสามารถควบคุมวิธีการดีบักและกลยุทธ์การเพิ่มประสิทธิภาพในการใช้งานจริงได้ดีขึ้น ในเวลาเดียวกันเราควรให้ความสนใจกับความท้าทายและพื้นที่ปรับปรุงของตัวควบคุม PID และสำรวจอัลกอริทึมการควบคุมใหม่และวิธีการทางเทคนิคอย่างต่อเนื่องเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพและความน่าเชื่อถือของระบบควบคุมระบบอัตโนมัติอุตสาหกรรม