کنترل دمای PID یک حلقه کنترلی است که به‌منظور بهبود دقت فرآیند، روی کنترلرهایی با بیشترین پردازش بنا شده است. طرز کار کنترلرهای دمای PID بدین شرح است: بر اساس فرمولی اختلاف میان دمای مطلوب و دمای فعلی فرآیند را محاسبه کرده، سپس با استفاده از حذف تاثیر تغییرات محیط فرآیند، مقدار توان موردنیاز سیکل فرآیند فرعی به‌منظور تضمین ثابت ماندن هرچه بیشتر دما پیش‌بینی می‌کند.

تفاوت کنترلر دمای PID با کنترلر دمای On/Off جایی است که ۱۰۰ درصد توان برای رسیدن به دمای مطلوب اعمال می‌شود و سپس تا کاهش دما به زیر حد مطلوب توان به صفر درصد می‌رسد. این چرخه دارای خطا و تأخیری است که می‌توانند بر کیفیت محصول نهایی اثر بگذارند.

کنترلرهای دمایی با PID در مقابل تداخلات فرآیندی کاراتر هستند، تداخلاتی نظیر باز کردن درب یک اجاق فر که ممکن است بدون ضرر به نظر رسد اما تاثیر آن در تغییر دمای محیط روی کیفیت محصول نهایی تأثیرگذار است. کنترلر دمای PID اگر درست تنظیم شود تداخلات را جبران کرده و دمای فرآیند را به حد مطلوب خواهد رساند، اما با تنظیم دما توان مصرفی هم کاهش می‌یابد که خود موجب عدم مشاهده خطا و کاهش ریسک آسیب به محصول با گرمای زیاد می‌گردد.

 

P، I و D

کنترل PID در تئوری کنترل به دسته‌بندی «بهینه» تعلق دارد؛ ویژگی این دسته‌بندی دستیابی بهینه به یک متغیر مشخص فرآیند است. این متغیر در کنترل دمای PID حفظ دما در مقدار مشخص برای مدت‌زمان مشخص بدون هیچ‌گونه تأخیر، خطا یا اختلالی است.

کلمه PID از سه عنصر تناسبی (Proportional)، انتگرالی (Integral) و مشتقی (Derivative) تشکیل شده است. هرکدام از این عناصر با دمای فرآیند و در مقابل مقدار دمای تنظیمی مرتبط هستند.

• تناسبی – اختلاف میان دمای تنظیمی و دمای فعلی فرآیند
• انتگرالی – اختلاف قبلی از دمای تنظیمی
• مشتقی – اختلاف پیش‌بینی‌شده در آینده بر اساس اختلاف قبلی و فعلی

این اختلاف‌ها در طول زمان استفاده از فرمول PID توسط مهندسان یا کنترلر محاسبه می‌شوند و نتیجه به‌صورت مقدار توان موردنیاز برای تثبیت دما نشان داده می‌شود.

 

تاریخچه کنترلرهای دمای PID

لوازم فیدبک دار مکانیکی به شکل گاورنر از قرن ۱۸ استفاده می‌شدند. این تجهیزات تنها به یک یا دو عنصر از عناصر تناسبی، انتگرالی و مشتقی محدود می‌شدند و هدف آن‌ها تنظیم سرعت عملکردی در موتورهای بخار مورداستفاده در ماشین‌آلات کارخانه‌ها بود.

نخستین کنترلر PID کامل در سال ۱۹۱۱ توسط المر اسپری[۱]، برای راندن کشتی‌های خودکار نیروی دریایی آمریکا توسعه داده شد. او سیستم خود را به‌منظور بهبود رفتار سکان، که توانایی جبران پیوسته اختلاف و همچنین پیش‌بینی مقدار تغییرات در آینده را داشتند، طراحی نمود.

متعاقباً در سال ۱۹۲۲ مهندس نیکولاس مینورسکی[۲] نخستین تحلیل تئوری کنترل PID، بازهم بر اساس مشاهدات سازگاری رفتار سکان‌داران کشتی هنگام تغییر شرایط، منتشر کرد. مینورسکی توانایی سازگاری سکان‌داران هنگام تغییر شرایط را به‌صورت فرمولی ریاضی درآورد که اساس کنترل PID امروزی است.

 

روش‌های تنظیم مختلف کنترلرهای PID

دو روش اصلی برای تنظیم کنترلر دما با استفاده از مقادیر PID وجود دارد.

1. یک مهندس متغیرهای P، I و D، و توان موردنیاز فرآیند جهت تنظیم دما را به‌صورت دستی به دست آورد.
2. با وارد نمودن مقادیر هدف و استفاده از ساختار خود-تنظیمی کنترلر دما خودش PID را محاسبه و مستقیماً وارد فرآیند کنترل کند.

در هردو روش فرمول PID مقدار توان موردنیاز جهت تثبیت دمایی را به ما می‌دهد که یا توسط مهندسی به‌صورت دستی وارد می‌شود یا توسط خود کنترلر PID.

 

کدام کنترلر دمای PID؟

حلقه تنظیم PID در انواع کنترلرهای دمایی به تعداد مختلف استفاده می‌شود. متداول‌ترین برنامه یک کنترلر دما محاسبه PID و مدیریت تنها یک فرآیند است.

تجهیزات نظافتی پزشکی برای اطمینان از ثابت ماندن دما برای خوب استریلیزه شدن ابزار از کنترلر دمای PID تک حلقه استفاده می‌کنند. حس‌گر دما در داخل مخزن استرلیزیاسون دما را اندازه گرفته و به کنترلر می‌دهد تا توان قسمت گرمادهی را افزایش یا کاهش دهد.

برنامه چند حلقه کنترلر دمای PID پیچیدگی بیشتری دارد، در این برنامه کنترلر چندین فرآیند را هم‌زمان پردازش می‌کند. بااین‌حال هر فرآیند مستقل است و حلقه منحصربه‌فرد خودش را دارد و اختلال در یک فرآیند روی سایرین تأثیری ندارد. برای مثال یک نانوایی ممکن است چند اجاق فر داشته باشد که همگی حد دمایی یکسانی دارند اما هیچ‌کدام روی دیگری تأثیری نمی‌گذارد، این مجموعه توسط یک کنترلر دمای PID چند حلقه کنترل می‌شود.

 

کنترلرهای PID با حلقه‌های کنترلی آبشاری

برخی کنترلرهای PID قابلیت‌های بهبودیافته‌ای دارند و می‌توانند حلقه‌های مرتبط را بجای حلقه‌های مستقل اجرا کنند.

در کنترل آبشاری دو حلقه مرتبط باهم به‌صورت اولیه و ثانویه عمل می‌کنند. حلقه اولیه قیمت اصلی فرآیند تحت گرما را کنترل می‌کند درحالی‌که روی قسمت گرمادهنده کنترلی ندارد. حلقه ثانویه اما در عوض همانند ژاکتی به دور حلقه اول، قسمت گرمادهنده را تحت کنترل دارد. کنترلر PID هر دو حلقه را اندازه می‌گیرد و توان اعمالی مؤثر بر گرمای قسمت دوم را تنظیم کرده تا گرما درنهایت قسمت اول را به حد تنظیمی برساند.

PID با حلقه‌های آبشاری تجهیزی ضروری است چراکه برخلاف سایرین خطاهای اضافی قسمت اول برای رسیدن به حد تنظیمی را ندارد. کنترلر PID با رسیدن دما به حد تنظیمی توان را کاهش می‌دهد تا دما در همان مقدار ثابت بماند. مثال متداول این مطلب آب‌کردن شکلات است، شکلات اگر خودش مستقیماً در معرض حرارت قرار گیرد می‌سوزد اما در کاسه‌ای که روی آب جوش قرار دارد ذوب می‌شود. شکلات حلقه اولیه است، ماده‌ای حساس که درنهایت باید حرارت ببیند، و کاسه آب، که نقش واسطه‌ای بین تجهیز گرمادهنده و حلقه اولیه را دارد، حلقه ثانویه است. حلقه‌های آبشاری، قواعد عملکردی یکسانی دارند اما از جهت بزرگی مقیاس و دقت کنترل دما نسبت به سایر کنترلرها متفاوت هستند.

 

کنترل دمای PID چند ناحیه‌ای

کنترلرهای دمای PID چند ناحیه‌ای برای مدیریت فرآیندهایی‌اند که در چند ناحیه جریان دارند، فرآیند کنترلی یکی است اما عنصر تحت حرارت به‌قدری بزرگ است که ممکن است بین نواحی مختلف آن اختلاف دما وجود داشته باشد.

برای مثال در اجاق فری صنعتی با ۶ قسمت گرمادهنده مختلف، دما در کل اجاق باید یکسان باشد اما این قسمت‌های مختلف ممکن است باعث گرم‌تر شدن برخی نواحی شوند. چون فرآیند به دمایی یکپارچه در تمام نواحی نیاز دارد راه استفاده از کنترلر دمای PID چند ناحیه‌ای برای کنترل هر ۶ قسمت گرمادهنده است، بنابراین ۶ حلقه کنترلی وجود خواهد داشت که به‌صورت هم‌زمان در حال اجرا هستند. کنترلر PID هرکدام از ۶ قسمت را به‌صورت جدا کنترل می‌کند تا دما در تمامی نواحی اجاق فر روی حد تنظیمی ثابت بماند.