راهنمای کاربردی کنترلر PID

1) معرفی کلی

کنترلر PID برای زمانی استفاده می‌شود که هدف فقط تنظیم دستی سرعت موتور نیست؛ بلکه باید یک کمیت واقعی در ماشین مانند فشار، دبی، سطح مخزن، دما یا کشش روی مقدار مطلوب ثابت بماند.

در این حالت، اپراتور مقدار هدف را تنظیم می‌کند و درایو مقدار واقعی را از سنسور یا ترانسمیتر می‌خواند. سپس فرکانس خروجی موتور را کم یا زیاد می‌کند تا مقدار واقعی به مقدار هدف نزدیک شود.

توجه: برای اپراتور، PID یعنی: مقدار هدف را درست انتخاب کن، سنسور Feedback را درست ببند، جهت Direct/Reverse را درست بگذار و سپس ضرایب را مرحله‌ای تنظیم کن تا سیستم بدون نوسان به هدف برسد.

‎2) کنترل PID در درایو چه زمانی استفاده می‌شود؟

در حالت عادی، فرکانس خروجی از یک مرجع اصلی مانند کی‌پد، ورودی آنالوگ یا ارتباطات دریافت می‌شود. در حالت چندمرحله‌ای، چند فرکانس ثابت از قبل تنظیم می‌شود و ورودی‌های دیجیتال مشخص می‌کنند که کدام فرکانس فعال باشد.

اگر اپراتور فقط سرعت ثابت می‌خواهد، استفاده از PID لازم نیست. PID زمانی ارزش دارد که سرعت موتور باید بر اساس مقدار سنسور فرآیند به صورت خودکار تغییر کند.

3) مفهوم تنظیم PID برای اپراتور

4) انتخاب مرجع و فیدبک

قبل از تنظیم ضرایب، ابتدا باید مشخص شود مقدار هدف از کجا وارد می‌شود و مقدار واقعی از کدام ورودی آنالوگ خوانده می‌شود. این مرحله مهم‌ترین بخش راه‌اندازی است.

توجه: برای پمپ فشار معمولاً اگر فشار کمتر از مقدار هدف شود، سرعت باید زیاد شود؛ بنابراین در اغلب موارد H59=0 مناسب است. اگر با فعال شدن PID خروجی به سمت اشتباه حرکت کرد، ابتدا H59 را بررسی کنید.

5) نمایش Reference و Feedback روی کیپد

در برنامه، دو صفحه نمایش مخصوص PID برای اپراتور در نظر گرفته شده است. صفحه rEF مقدار Reference یا همان مقدار هدف PID را نشان می‌دهد و صفحه FbK مقدار Feedback یا مقدار واقعی خوانده‌شده از سنسور را نمایش می‌دهد.

این دو صفحه فقط برای مشاهده هستند و برای تنظیم مستقیم پارامتر استفاده نمی‌شوند. وقتی اپراتور وارد صفحه rEF یا FbK شود، عدد با یک رقم اعشار نمایش داده می‌شود؛ بنابراین نمایش 25.0 یعنی مقدار داخلی PID برابر 25.0 واحد فرآیندی یا معادل مقیاس انتخاب‌شده است.

نکته مهم: اگر rEF درست، اما FbK تغییر نمی‌کند، مشکل معمولاً در سیم‌کشی سنسور، انتخاب H50 یا مقیاس ورودی آنالوگ است. اگر FbK تغییر می‌کند ولی خروجی PID در جهت اشتباه حرکت می‌کند، H59 را بررسی کنید.

6) پارامترهای مهم و اثر عملی هرکدام

واحد نمایش برخی پارامترها در منوی محصول ممکن است به صورت ضریب‌دار باشد؛ برای مثال H55=500 به معنی 50.0Hz است. مقدارهای پیشنهادی، نقطه شروع راه‌اندازی هستند و باید با ماشین واقعی تنظیم نهایی شوند.

7) روش راه‌اندازی مرحله به مرحله

8) نمودار اثر H51، H52 و H53 بر فرکانس خروجی

نمودارهای زیر مفهومی هستند و مقدار دقیق آن‌ها به ماشین، سنسور، بار، زمان شتاب و محدودیت‌های H55/H56 بستگی دارد. هدف نمودارها این است که اپراتور بداند با تغییر هر پارامتر، شکل تغییر فرکانس خروجی چگونه عوض می‌شود.

اگر H51 خیلی کم باشد، خروجی PID کند بالا می‌رود و فرآیند دیر به مقدار هدف می‌رسد. اگر H51 مناسب باشد، خروجی با سرعت قابل قبول و بدون نوسان زیاد به هدف نزدیک می‌شود. اگر H51 زیاد باشد، فرکانس خروجی ممکن است از مقدار لازم عبور کند و نوسان ایجاد شود.

H52 بزرگ باعث اصلاح آرام و کند خطای باقی‌مانده می‌شود. H52 خیلی کوچک اثر انتگرال را شدید می‌کند و می‌تواند نوسان ایجاد کند. H53 در بعضی سیستم‌های کند می‌تواند Overshoot را کمتر کند، اما برای سنسورهای نویزی معمولاً بهتر است صفر بماند.

9) روش تنظیم Kp، Ti و Td

تنظیم PID باید مرحله‌ای انجام شود. در بیشتر کاربردهای پمپ و فن، بهتر است ابتدا Td را صفر نگه دارید و فقط Kp و Ti را تنظیم کنید.

10) عیب‌یابی تنظیمات PID

11) تغییر موقت بین کنترل PID و کنترل عادی

این قابلیت برای زمانی است که کنترل خودکار فرآیند با PID فعال است، اما اپراتور یا سیستم فرمان می‌دهد که برای مدتی فرکانس موتور از مرجع عادی درایو دریافت شود. در این حالت، تنظیمات PID حذف نمی‌شوند و پس از برداشتن فرمان بای‌پس، کنترل خودکار دوباره برقرار می‌شود.

برای استفاده از این قابلیت، یکی از پارامترهای I20 تا I24 روی مقدار 21 قرار داده می‌شود. پایه دیجیتال متناظر، فرمان انتخاب بین کنترل PID و مرجع عادی فرکانس خواهد بود.

در زمان فعال بودن بای‌پس، مقدار سنسور ممکن است همچنان در صفحه FbK قابل مشاهده باشد، اما برای اصلاح فرکانس خروجی استفاده نمی‌شود. با غیرفعال شدن پایه، کنترل خودکار PID دوباره ادامه پیدا می‌کند.

12) روش تنظیم و آزمایش بای‌پس PID

13) نکات مهم هنگام استفاده

• قبل از فعال کردن پایه بای‌پس، مقدار مرجع عادی انتخاب‌شده در Frq را کنترل کنید؛ این مقدار نباید ناخواسته صفر، بسیار کم یا حداکثر باشد.

• فعال شدن پایه بای‌پس باعث توقف موتور نمی‌شود و فقط روش تعیین فرکانس را تغییر می‌دهد.

• اگر فرکانس خروجی PID با مرجع عادی اختلاف زیادی داشته باشد، هنگام تغییر حالت افزایش یا کاهش محسوس سرعت طبیعی است.

• برای بازگشت خودکار به کنترل PID، پارامتر H49 باید روی 1 باقی بماند.

• این قابلیت جایگزین توقف اضطراری یا مدار ایمنی نیست. برای توقف اضطراری از تجهیزات و مدار ایمنی مستقل استفاده کنید.

توجه: در زمان راه‌اندازی، ابتدا مرجع عادی را روی مقدار ایمن تنظیم کنید؛ سپس پایه بای‌پس را آزمایش کنید. اگر با فعال یا غیرفعال شدن پایه، سرعت در جهت یا محدوده نامناسب تغییر کرد، تنظیمات Frq، H55، H56 و زمان‌های شتاب و کاهش سرعت را بررسی کنید.

14) نکات ایمنی و محدودیت‌ها

• قبل از فعال کردن PID، صحت سیم‌کشی سنسور و جهت تغییر Feedback را بررسی کنید؛

• برای پمپ، حداقل و حداکثر فرکانس را طوری تنظیم کنید که به پمپ، لوله، شیرها یا فرآیند آسیب وارد نشود؛

• اگر سنسور قطع شود یا مقدار غیرواقعی بدهد، PID ممکن است خروجی را به حد بالا یا پایین ببرد؛ برای کاربردهای حساس، حفاظت جداگانه لازم است؛

• در کاربردهای فشار، از شیر اطمینان و حفاظت مکانیکی مناسب استفاده شود؛ و

• تنظیم PID باید با بار واقعی و در شرایط ایمن انجام شود. از تغییر ناگهانی مقدارهای H51، H52 و H53 خودداری کنید.

15) مطالعه و راه‌اندازی سریع

توجه: قبل از تغییر ضرایب PID، همیشه rEF و FbK را از روی کیپد کنترل کنید. اگر مقدار هدف یا فیدبک اشتباه باشد، تغییر H51، H52 و H53 مشکل اصلی را حل نمی‌کند.