کنترل کننده PWM و تعیین ضرایب کنترل کننده PID

“مدولاسيون پهناي پالس” یا PWM مخفف Pulse Width Modulation به معناي سازماندهی پالس تولیدی از طریق تنظیم مناسب دوره تناوب و تنظیم عرض پالس نسبت به دوره تناوب پالس می باشد. در کنترل دما ، کنترل دور موتور دی سی ، کنترل دور موتور متناوب و بسیاری دیگر از سیستم های صنعتی کاربرد دارد. دوره تناوب پالس وعرض پالس دو پارامتر مهم در تکنیک مدولاسیون عرض پالس است که باید درست تنظیم شوند.از طریق دوره تناوب پالس به شکل موج سیگنال قابلیت میانگین سازی می دهیم .عرض پالس، درصدی از دوره تناوب پالس است که سیگنال در آن فعال است و با توجه به نیاز باید درست تنظیم شود. در PWM دامنه متغیری که کنترل میکنیم ثابت است و تغییر نمی کند و در واقع با سازماندهی عرض پالس یا همان سازماندهی قطع و وصل شدن متغیر کنترل شونده ، میانگینی که قرار است به صورت متغیر اعمال شود را به صورت مناسب پیاده سازی می کنیم. سیگنال PWM، یک شکل‌موج مربعی است که زمان خاموش و روشن دارد. مجموع این زمان روشن و خاموش شدن، دوره تناوب نامیده می‌شود. معکوس دوره تناوب را فرکانس می‌نامیم. چرخه کاری، فقط مدت زمان روشن یا ON بودن سیگنال در یک دوره تناوب است. به عبارت ساده‌تر، فرکانس، سرعت خاموش و روشن شدن سیگنال PWM را نشان می‌دهد و چرخه کاری بیان می‌کند که سیگنال PWM در یک دوره تناوب باید چه‌قدر در حالت ON باشد.در PWM ما باید زمان یک شدن و صفر شدن یک سیکل از موج مربعی را تعیین کنیم. هر چقدر مقدار زمان یک نسبت به صفر بیشتر باشد مقدار دیوتی سایکل نیز بیشتر خواهد شد. همان طور که در ویدیو قبلی توضیح دادیم ،یک PID از سه بخش؛ تناسب، انتگرال و مشتق تشکیل شده است. در بخش P، کنترل‌کننده تناسبی (Proportional – نگاه به حال فرآیند) قرار گرفته است و وظیفه آن تناسب با مقدار خطاست. در بخش I، کنترل کننده انتگرالی (Integral – نگه به گذشته فرآیند) قرار گرفته که وظیفه آن حذف مقدار دائمی خطا از سیستم می‌باشد و در نهایت بخش D، کنترل کننده مشتقی (Derivative – نگاه به آینده فرآیند) می‌باشد که وظیفه آن نیز میراسازی و حذف نوسانات خروجی است. کنترل کننده‌های تناسبی – یکپارچه – مشتق (PID) امروزه در بیشتر برنامه‌های کنترل فرآیند اتوماتیک در صنعت برای تنظیم جریان، دما، فشار، سطح و بسیاری دیگر از متغیرهای فرآیند صنعتی استفاده می‌شوند.در کنترل کننده pid برای رسیدن به نقطه مطلوب (خطا = صفر، مقدار خروجی سیستم = SetPoint) سیستم کنترلی PID از سه عملگر به نام‌های؛ تناسبی (Proportional)، انتگرال‌گیر (Integral) و مشتق‌گیر (Derivative) استفاده می‌کند. این سه ضریب پایه در هر کنترلر پی آی دی برای کاربردهای خاص به ‌منظور رسیدن به واکنش بهینه متغیر هستند و قاعده اساسی پشت عملکرد یک کنترل‌کننده PID این است که عبارت‌های تناسبی، انتگرالی و مشتقی باید به طور جداگانه تنظیم شوند. کنترل‌کننده مشتق‌گیر هیچ‌گاه به‌تنهایی استفاده نمی‌شود چون اگر خطا ثابت (غیر صفر) باشد، خروجی کنترل‌کننده صفر خواهد شد. در این وضعیت، کنترل‌کننده مانند حالت خطای صفر رفتار می‌کند، اما درواقع مقداری خطا (ثابت) وجود دارد.خروجی کنترل‌کننده مشتق‌گیر رابطه مستقیمی با سرعت تغییر خطا نسبت به زمان دارد. کنترل‌کننده‌های مشتق‌گیر زمانی استفاده می‌شوند که متغیرهای فرآیند شروع به نوسان کنند یا تغییرات در سرعت بسیار بالا داشته باشند. کنترل‌کننده‌های مشتقی همچنین برای پیش‌بینی عملکرد آینده خطا، به‌وسیلهٔ منحنی خطا استفاده می‌شوند. این نوع کنترل‌کننده در کنترل فرآیند نسبت به نویز بسیار حساس است و عمدتاً تنظیم با استفاده از سعی و خطا را دشوارتر می‌کند.در بسیاری از کنترل‌کننده‌ها به علت حساسیت عبارتِ مشتق نسبت به نویز و دشواری اجرا، از آن صرف نظر و کنترل را به صورت PI پیاده‌سازی می‌کنند.تنظیم ضرایب PID یا اصطلاحاً Tune کردن این ضرایب روش‌های گوناگونی دارد و در بسیاری از اوقات باتوجه‌ به شناختی که فرد با تأثیر ضرایب و همین‌طور رفتار فرآیند دارد، به‌صورت تجربی و گاهی آزمون‌وخطا انجام می‌شود. همچنین امروزه بسیاری از کنترلرهای دیجیتال از ویژگی به نام Auto tune برخوردار هستند که به‌صورت خودکار ضرایب مناسب را بعد از چند بار امتحان به دست می‌آورد.