اصول کنترل فرآیند
در زمان حاضر، کنترل فرآیند نقش حیاتی در صنایع ایفا می کند. می دانیم که در مراحل اولیه، به صورت دستی کنترل می شد، اما امروزه به جای کنترل دستی فرآیند، کنترل فرآیند خودکار معرفی شده است.
می توان گفت که کنترل فرآیند یک کاربرد در صنایع فرآیندی ساخت، ماهواره ها و موشک های هدایت شونده، زیست پزشکی و مهندسی است.
کنترل فرآیند عبارت است از تنظیم، هدایت یا فرمان دادن به یک سیستم به گونه ای که هدف مورد نظر به دست آید. این سیستم مبتنی بر سیستمی است که آرایشی از اجزای فیزیکی است یا به گونه ای مرتبط است که خود را تنظیم، هدایت، فرمان دهد تا به مطلوب واقعگرایانه برسد.
یک سیستم کنترل فرآیند می تواند کارهای زیر را انجام دهد.
- می تواند دقت سیستم را افزایش دهد.
- اثر اعوجاج و غیر خطی بودن را کاهش می دهد.
- اثر سر و صدا و مزاحمت را کاهش می دهد.
- حساسیت به تغییرات پارامتر را کاهش می دهد.
- می تواند یک سیستم ناپایدار را تثبیت کند.
انواع کنترل فرآیند
دو نوع سیستم کنترل وجود دارد.
سیستم کنترل حلقه باز
سیستمی که در آن خروجی هیچ تاثیری بر کمیت ورودی ندارد، سیستم کنترل حلقه باز نامیده می شود. به عنوان مثال می توان به چراغ های راهنمایی، ماشین لباسشویی و عملکرد توستر اشاره کرد. هر سیستمی که به طور خودکار تغییرات در خروجی خود را اصلاح نکند، سیستم کنترل حلقه باز نامیده می شود.
سیستم کنترل حلقه بسته
سیستم کنترلی که در آن خروجی بر کمیت ورودی تأثیر می گذارد تا خروجی مورد نظر را حفظ کند، سیستم کنترل حلقه بسته نامیده می شود.
یا
یک سیستم کنترل حلقه بسته سیستمی است که خروجی خود را اندازه گیری می کند و ورودی خود را بر اساس آن با استفاده از سیگنال بازخورد تنظیم می کند.
در سیستم کنترل حلقه بسته، خروجی یا بخشی از خروجی به ورودی فیدبک می شود تا با ورودی مرجع مقایسه شود و یک سیگنال فعال کننده تولید می شود. به طوری که خطا را کاهش داده و خروجی سیستم را به مقدار دلخواه برساند. سیستم کنترل حلقه بسته به سیستم کنترل بازخورد نیز معروف است.
جزء یک سیستم کنترل فرآیند
اجزای اساسی زیر وجود دارد که همیشه در تمام سیستم های کنترل وجود دارد.
- سنسور و فرستنده (برای تولید یک متغیر فرآیند) که عناصر اولیه و ثانویه نیز نامیده می شود که برای اندازه گیری متغیرهای کنترل شده و انتقال مقدار اندازه گیری شده به کنترل کننده استفاده می شود.
- کنترل کننده (برای تولید یک متغیر دستکاری شده) مغز سیستم کنترل است و تصمیم می گیرد که متغیرهای فرآیند را به عنوان مقدار مورد نظر خود (نقطه تنظیم) حفظ کند.
- عناصر کنترلی نهایی مانند شیر کنترل، نوار نقاله، موتورهای الکتریکی، پمپ‌های دور متغیر و غیره برای اجرای تصمیم کنترل‌کننده استفاده می‌شوند.
- ورودی: – سیگنال اعمال شده یا سیگنال تحریکی که از یک منبع خارجی برای تولید خروجی به سیستم کنترل اعمال می شود، ورودی نامیده می شود.
- آشکارساز خطا: آشکارساز خطا برای کاهش سیگنال خطا استفاده می شود. سیگنال خطا تفاوت بین سیگنال ورودی و سیگنال بازخورد است. برای کاهش خطا و رساندن خروجی سیستم به مقدار دلخواه استفاده می شود
- عنصر بازخورد: – دستگاهی که برای دادن سیگنال بازخورد استفاده می شود عنصر بازخورد نامیده می شود.
حالت های کنترل
اکثر فرآیندهای صنعتی مستلزم آن هستند که متغیرهای خاصی مانند جریان، فشار، دما و سطح در مقدار مرجع یا نزدیک به آن باقی بمانند که نقطه تنظیم نامیده می شود. این دستگاه برای حفظ یک متغیر فرآیند در نقطه تنظیم کار می کند که کنترل کننده نامیده می شود.
کنترل‌کننده‌های اتوماتیک صنعتی را می‌توان بر اساس عملکرد کنترلی آن‌ها دسته‌بندی کرد:
- دو کنترلر موقعیت یا خاموش
- کنترل کننده های متناسب (p).
- کنترلرهای انتگرال (I) یا تنظیم مجدد
- مشتق (D) یا کنترل کننده نرخ
- کنترل کننده های PI
- کنترل کننده های PD
- کنترل کننده های PID
کنترلر دو موقعیت (کنترل ON-OFF)
در یک کنش کنترل روشن و خاموش، خروجی فقط دو حالت دارد، کاملاً روشن یا کاملاً خاموش. یک کنترل کننده روشن-خاموش تنها زمانی روی متغیر دستکاری شده کار می کند که متغیر اندازه گیری شده از نقطه تنظیم عبور کند. این یک کنترل دو حالته است، صرفاً یک سوئیچ تنظیم شده است که در صورت مثبت بودن خطا خاموش (یا در صورت لزوم روشن) و هنگامی که خطا منفی است روشن باشد (یا در صورت لزوم خاموش شود). Ex… Oven & Alarm Control. این یک کنترل دو موقعیتی است که زمانی استفاده می شود که متغیرهای فرآیند کنترل شده نیازی به نگهداری در مقادیر دقیق ندارند. این ارزان‌ترین نوع کنترل‌کننده است که در جایی که سیستم به گونه‌ای است که نرخ تغییر متغیر اندازه‌گیری شده با تغییرات متغیر دستکاری شده آهسته باشد، بهترین عملکرد را دارد.
تنها زمانی خروجی را تغییر می دهد که دما از نقطه تنظیم شده عبور کند. برای کنترل گرمایش، هنگامی که دما کمتر از نقطه تنظیم شده است، خروجی روشن و بالاتر از نقطه تنظیم خاموش است.
اقدام چند مرحله ای
یک عمل کنترل کننده که ممکن است بیش از دو موقعیت کنترل را با توجه به مقادیر ورودی از پیش تعیین شده مربوطه آغاز کند.
اقدام کنترلی متناسب
یک کنترل کننده متناسب به طور مداوم متغیرهای دستکاری شده را تنظیم می کند تا ورودی فرآیند تقریباً با تقاضای فرآیند متعادل باشد. در کنترل تناسبی، خروجی کنترلر متناسب با خطا است.
Pout: خروجی کنترلر تناسبی
e(t): خطای آنی فرآیند در زمان t.
p0: خروجی کنترلر با خطای صفر.
Kp: سود متناسب
مقدار تغییر در خروجی کنترلر برای یک تغییر معین در سیگنال خطای محرک به باند متناسب ابزار بستگی دارد که محدوده متغیر کنترل شده است که با محدوده عملیاتی کامل عنصر کنترل نهایی مطابقت دارد. به عنوان کنترل مکاتبات، کنترل افت، و کنترل تعدیل نامیده می شود.
عملکرد کنترل انتگرال (I) یا بازنشانی
تا زمانی که اندازه گیری در نقطه تنظیم باقی می ماند، به دلیل حالت انتگرال در کنترلر، تغییری در خروجی ایجاد نمی شود. خروجی کنترلر با نرخی متناسب با افست تغییر می کند. زمان انتگرال نشان دهنده قدرت این عمل است. زمان صرف شده برای اقدام یکپارچه برای حذف «تغییر» ناشی از اقدام متناسب است.
در یک حلقه بسته، عمل انتگرال را می توان به عنوان بسط یا تقویت کنش متناسب مشاهده کرد. یعنی خروجی کنترلر تا زمانی که خطا وجود داشته باشد به خطا پاسخ می دهد. در حالت انتگرال خالص، خطا می تواند حدود صفر نوسان داشته باشد و می تواند چرخه ای باشد. از این رو در حالت انتگرال هرگز به تنهایی استفاده نمی شود بلکه با حالت تناسبی ترکیب می شود تا از مزایای هر دو حالت بهره مند شود.
برای بسیاری از فرآیندها، ترکیب اقدامات متناسب و یکپارچه، کنترل بسیار خوبی را از نظر سرعت و ثبات فراهم می کند. با این حال، عملکرد یکپارچه تنظیم کنترلر را کمی دشوارتر می کند. اگر روی مقدار خیلی زیاد (خیلی سریع) تنظیم شود، عمل انتگرال می تواند باعث بی ثباتی سیستم شود.
تنظیم یکپارچه – برای جلوگیری از بی ثباتی، مقدار I Gain اغلب در ابتدا نسبتاً پایین تنظیم می شود. از طریق آزمون و خطا یا سایر روش‌های تنظیم، مقدار I Gain ممکن است برای دستیابی به تعادل قابل قبولی از پاسخ‌گویی و ثبات افزایش یابد. به طور کلی، یک فرآیند سریع نیاز به تنظیم انتگرال سریعتر و یک فرآیند کند نیاز به تنظیم انتگرال کندتر دارد.
کنترل کننده مشتق یا اقدام کنترل نرخ
با تغییر PV، کنترل کننده در برابر تغییر مقاومت می کند. خروجی کنترلرها متناسب با نرخی است که تفاوت بین مقدار اندازه گیری شده و مقدار مورد نظر تغییر می کند. خروجی سیگنال کنترل کننده تابعی از نرخی است که خطا در آن تغییر می کند. عمل کنترل مشتق ابزاری را برای به دست آوردن یک کنترل کننده با حساسیت بالا فراهم می کند. مزیت استفاده از کنش کنترل مشتق این است که به نرخ تغییر خطای محرک پاسخ می دهد و می تواند اصلاح قابل توجهی را قبل از اینکه بزرگی خطای محرک بیش از حد بزرگ شود ایجاد کند.
حالت تناسبی حالات فعلی خطای فرآیند را در نظر می گیرد و حالت انتگرال به تاریخ گذشته آن نگاه می کند، در حالی که حالت مشتق وضعیت آینده خود را پیش بینی می کند و بر اساس آن پیش بینی عمل می کند. کنترل مشتق خطاهای فعال را قبل از تکامل پیش بینی می کند و اقدامات اصلاحی را قبل از وقوع آن انجام می دهد و تمایل به افزایش پایداری سیستم دارد.
خروجی کنترل کننده مشتق به صفر می رسد، زمانی که خطا صفر باشد. از این رو هرگز به تنهایی استفاده نمی شود زیرا سرعت تغییر خطای سریعتر می تواند باعث تغییر ناگهانی بسیار زیاد در خروجی کنترلر شود، به همین دلیل است که بهره آن باید کم باشد. همیشه در ترکیب با عمل کنترل تناسبی یا تناسبی به علاوه یکپارچه استفاده می شود.
کنترلر انتگرالی – تناسبی
در کنترلرهای انتگرال-نسبی، خروجی متناسب با ترکیب خطی خطای ورودی و انتگرال زمانی خطای ورودی است.
ویژگی های کنترل کننده های PI
- این دقت حالت پایدار را بهبود می بخشد.
- زمان افزایش را افزایش می دهد بنابراین پاسخ آهسته می شود.
- نویز فرکانس بالا را فیلتر می کند.
- پهنای باند سیستم را کاهش می دهد.
- این پاسخ را نوسانی تر می کند.
کاربرد کنترل کننده های PI:
ترکیب حالت PI مشکلات افست حالت تناسبی را حذف می کند. چنین حالتی را می توان در سیستم با تغییرات بار مکرر یا زیاد استفاده کرد. اما فرآیند باید تغییر نسبتاً کندی در بار داشته باشد تا از نوسانات جلوگیری شود