پروژه آموزشی شبیه سازی مقاله کنترلر PID آبشاری کوره گرمایشی کنترل دما با متلب

 

 

چکیده مقاله (ترجمه ماشینی)

 

چکیده: این مقاله عملکرد طرح‌های کنترل‌کننده PID آبشاری را برای کنترل دمای یک کوره گرمایش صنعتی ارزیابی می‌کند. از ادبیات تئوری کنترل واضح است که کنترل کننده PID ایده آل برای کنترل فرآیندهای غیر خطی مانند دما منسوخ شده است. کنترل کننده PID در معماری آبشاری بهترین انتخاب در مقایسه با سیستم کنترل تک حلقه معمولی برای کنترل این فرآیندهای غیرخطی است. با این حال، در انتخاب سود بهتر PID محدود است. از این رو، این مقاله چنین رویکردی برای تنظیم مقادیر بهتر سود PID به صورت آبشاری با ارزیابی عملکرد با فرمول‌های تنظیم معمولی است. تحلیل عملکرد الگوریتم‌های مختلف با یافتن ویژگی‌های عملکرد دینامیکی سیستم در هر مورد انجام شد. کل سیستم با استفاده از MATLAB/Simulink مدل‌سازی شده است، نتایج شبیه‌سازی نشان می‌دهد که طراحی PID آبشاری پیشنهادی می‌تواند منجر به سرعت در پاسخ با عملکرد دینامیکی قوی شود.
کلمات کلیدی – سیستم کنترل آبشاری، تجزیه و تحلیل عملکرد پویا، کنترل کننده PID (متناسب به علاوه انتگرال به همراه مشتق)، کنترل فرآیند دما، Matlab/Simulink، مفاهیم تنظیم.

معرفی
یکی از بهترین انعطاف‌پذیری‌های کنترل‌کننده‌های PID این است که با استفاده از دو PID در کنار هم، عملکرد دینامیکی بهتری را در مقایسه با تک PID به دست می‌آورد. این به عنوان کنترل کننده PID آبشاری شناخته می شود. در این کنترلر دو PID به گونه ای قرار می گیرند که نقطه تنظیم یک PID توسط PID دیگری کنترل می شود. یک کنترل کننده PID به عنوان کنترل کننده حلقه داخلی کار می کند که خروجی PID دیگری را به عنوان نقطه تنظیم می گیرد. PID دیگری به عنوان کنترل کننده حلقه بیرونی کار می کند که پارامترهای فیزیکی سیستم مانند دما، فشار، جریان و غیره را کنترل می کند. بنابراین، کنترل کننده PID آبشاری ثابت زمانی سیستم را کاهش می دهد و فرکانس کاری کنترل کننده را افزایش می دهد. سیستم کنترل آبشار دارای برخی ویژگی های متمایز است. آنها کنترل کیفیت، ضد تداخل، توانایی، انعطاف پذیری و سرعت هستند. بنابراین به طور کلی در موارد زیر استفاده می شود  تاخیر طولانی تر در کانال کنترل.

 شی کنترل شده غیرخطی و تغییر بار بزرگ

 تغییر حاد در سیستم عمدتاً، سیستم کنترل آبشاری شامل مجموعه های یکپارچه از حلقه های کنترل است.

آنها حلقه های اولیه و حلقه های ثانویه هستند. حلقه اولیه بر متغیر کنترل نظارت می کند و از انحراف از نقطه تنظیم آن برای ارائه خروجی به حلقه ثانویه استفاده می کند. حلقه ثانویه نقطه تنظیم خود را از حلقه اولیه دریافت می کند و بر این اساس متغیر مرجع را کنترل می کند. در صنایع متالورژی، کوره مهمترین تجهیزات حرارتی مورد استفاده است. از این رو چند روش اساسی برای کنترل خودکار دمای کوره شناخته شده است. به عنوان مثال، کنترل ثابت متغیرهای فرآیند کوره، کنترل آبشاری دما در کوره و جریان سوخت، کنترل نسبت مخلوط سوخت و هوای احتراق و همچنین کنترل محتوای اکسیژن در گاز دودکش. تاکنون تمرکز کنترل به سمت بهینه سازی عملکرد رفته است. کنترل جریان گاز در درجه اول دمای کوره را تنظیم می کند. کنترل کننده PID آبشاری به خوبی مناسب است زیرا کنترل جریان گاز در کوره یک فرآیند معمولی و تاخیر ظرفیت بیشتر در سیستم کنترل دمای کوره است.

 این مقاله از کنترل کننده  PID برای کنترل دمای کوره‌ی گرمایش استفاده میکند. از آنجا که این سیستم بسیار غیرخطی است با قرار دادن دو طبقه  PID که دارای دو حلقه است سعی در کنترل این سیستم می‌شود. برای بهتر شدن کارایی سیستم کنترلی با روش های متفاوت ضرایب کنترل کننده محاسبه می‌شود. این مقاله یک راهبرد بهتر برای تعیین مقادیر ضرایب PID در ساختار دو طبقه ارائه داده است. این تکنیک ultimate gain/ultimate cycle  نام دارد که در ادامه آن را توضیح خواهیم داد.

در ساختار PID cascade کنترل کننده‌ها طوری قرار می‌گیرند تا خروجی یکی از آن‌ها ورودی مرجع کنترل کننده دوم باشد. کنترل کننده دوم در حلقه داخلی کار می‌کند و خروجی کنترل کننده‌ی اول را به عنوان نقطه‌ی مرجع دریافت می‌کند. کنترل کننده اول در حلقه‌ی خارجی کار می‌کند و پارامترهای خروجی سیستم از قبیل دما ، فشار و جریان سوخت را کنترل می‌کند.

ساختار این سیستم و کنترل کننده‌ها در شکل زیر آمده است:

روش ULTIMATE CYCLE برای تنظیم کردن بهره‌های کنترل کننده PID :

این روش دارای سه نوع مختلف است :

1. روش Ziegler-Nichols
2. روش Ziegler-Nichols بهبود یافته
3. روش Tyreus-Luyben

کنترل دما یک فرایند ،تغییرپذیر با زمان و دارای تاخیر است. بنابراین پیدا کردن یک مدل ریاضی دقیق برای آن امکان پذیر نیست. به همین دلیل پیدا کردن ضرایب کنترل کننده PID همواره کار بسیار سختی بوده است. به منظور حل این مشکل و بهبود حالت گذرا با استفاده از روش ها فوق ضرایب کنترل کننده خارجی را تنظیم می‌کنیم.

حال برای هر یک از کنترل کننده‌ها پاسخ را به پله واحد را بدست می‌آوریم. نتایج در زیر آمده است:

پروژه آموزشی شبیه سازی مقاله کنترلر PID آبشاری کوره گرمایشی کنترل دما با متلب توسط کارشناسان گروه ۱.۲.۳ پروژه پیاده سازی گردیده .