TEKNIK TUNING PID DENGAN TRIAL AND ERROR METHOD (P, PI dan PD) - Siri 1

Banyak proses perindustrian adalah tidak linear dan dengan itu merumitkan untuk diselesaikan secara matematik. Walau bagaimanapun, diketahui bahawa banyak proses tak linear yang baik boleh dikawal dengan memuaskan menggunakan pengawal PID dengan syarat parameter pengawal ditala dengan baik.

 Pengalaman praktikal menunjukkan bahawa jenis kawalan ini mempunyai banyak kegunaan dan versatile kerana ia mudah dan berdasarkan 3 jenis tingkah laku asas: kadaran (P), kamiran (I) dan terbitan (D). Daripada menggunakan sebilangan kecil pengawal kompleks, sebilangan besar pengawal PID mudah digunakan untuk  mudah mengawal proses dalam pemasangan industri untuk mengautomasikan proses tertentu yang lebih kompleks.

 Pengawal PID dan jenisnya yang lain seperti pengawal P, PI dan PD  merupakan binaan asas dalam mengawal pelbagai proses. Walaupun kesederhanaan mereka, ia boleh digunakan untuk menyelesaikan walaupun masalah kawalan yang sangat kompleks, terutamanya apabila digabungkan dengan blok fungsi yang berbeza, penapis (kompensator atau blok pembetulan), pemilih dan lain-lain. Pembangunan berterusan algoritma kawalan baharu memastikan bahawa pengawal PID  dapat melepasi kekurangannya untuk sistem dan  asas ini akan memainkan peranannya dalam kawalan proses pada masa hadapan yang boleh dijangka. Ia boleh dijangka bahawa ia akan menjadi tulang belakang kepada banyak sistem kawalan yang kompleks.

Mengkaji Tindakan Kadaran (P-action)

Isyarat kawalan u(t) hanya boleh mempunyai dua nilai yang mungkin, Umax tinggi atau Umin tahap rendah, bergantung jika ralat adalah positif atau negatif.

 Dengan mengandaikan bahawa proses (loji terkawal) mempunyai keuntungan statik yang positif, isyarat kawalan tahap tinggi akan menyebabkan peningkatan dalam nilai pembolehubah terkawal. Idea utama dalam cara kawalan ini, dengan hanya dua tahap kawalan adalah mencapai nilai yang dikehendaki bagi pembolehubah terkawal dalam masa yang sesingkat mungkin. Ketidakcukupan dalam cara kawalan ini ialah isyarat kawalan berayun yang boleh menyebabkan pembolehubah kawalan berayun di sekitar nilai yang dikehendaki.

 Kadang-kadang tiada penawar untuk masalah ini. Contohnya, jika paras cecair dalam tangki dikawal menggunakan injap dengan hanya dua keadaan yang mungkin (terbuka atau tertutup) paras akan sentiasa berayun di sekitar nilai yang dikehendaki. Pengawal on-off adalah sangat mudah kerana terdapat hanya dua kemungkinan nilai isyarat kawalan, tidak kira apa nilai ralat kawalan. Proses terpaksa berayun kerana u(t) tidak pernah sifar (sama ada Umax atau Umin).

 Satu-satunya cara untuk mengelakkan ayunan paksa ini adalah untuk mengurangkan gandaan untuk nilai kecil ralat kawalan e(t). Itu boleh dicapai dengan memperkenalkan mod berkadar yang akan aktif untuk nilai ralat kawalan tertentu.

Secara umum boleh dikatakan bahawa pengawal P tidak dapat menstabilkan proses bagi sistem dengan tertib yang lebih tinggi.

Untuk proses tertib pertama, bermakna proses dengan satu simpanan tenaga, peningkatan besar dalam keuntungan boleh diterima. Pengawal berkadar boleh menstabilkan hanya proses tidak stabil pada tertib pertama. Menukar gandaan pengawal K boleh menukar dinamik gelung tertutup.

   Gandaan pengawal yang besar akan menghasilkan sistem kawalan dengan:

a) ralat keadaan mantap yang lebih kecil, iaitu rujukan yang lebih baik berikutan

b) dinamik yang lebih pantas, iaitu jalur frekuensi isyarat yang lebih luas bagi sistem gelung tertutup dan sensitiviti yang lebih besar berkenaan dengan mengukur hingar

c) amplitud dan margin fasa yang lebih kecil

Mengkaji Tindakan PI (PI-action)

Nama itu berasal daripada istilah "reset manual" yang menandakan perubahan manual titik operasi atau "bias" u0 untuk menghapuskan ralat. Pengawal PI melaksanakan fungsi ini secara automatik.

Jika isyarat kawalan pengawal P dalam kawasan berkadar dibandingkan dengan isyarat keluaran pengawal PI, dapat dilihat bahawa isyarat malar u0 digantikan dengan isyarat berkadar dengan kawasan di bawah lengkung ralat.

Fakta bahawa u0 digantikan dengan kamiran membolehkan pengawal PI menghapuskan ralat keadaan mantap. Sebaliknya, pengawal P tidak boleh menghapuskan ralat keadaan mantap kerana ia tidak mempunyai sebarang algoritma yang membolehkan pengawal meningkatkan isyarat kawalan u(t) untuk meningkatkan pembolehubah terkawal y(t) (dengan mengandaikan keuntungan proses positif) jika dalam beberapa ketika ralat t1 e(t1) = const. > 0. Undang-undang kawalan berkadar kekal malar dalam kes ini dan ia tidak akan cuba mengubah pembolehubah terkawal dengan cara yang ralat kawalan berkurangan.

Pengawal PI sebaliknya akan meningkatkan isyarat kawalan apabila ralat e(t1) = const. > 0. Kepada bahagian berkadar isyarat  akan ditambah bahagian kamiran berkadar dengan kawasan di bawah lengkung e(t),menjadi isyarat keseluruhan.

Oleh itu, pengawal PI tidak akan meningkatkan kelajuan tindak balas. Ia boleh dijangka kerana pengawal PI tidak mempunyai cara untuk meramalkan apa yang akan berlaku dengan ralat dalam masa terdekat. Masalah ini boleh diselesaikan dengan memperkenalkan mod derivatif yang mempunyai keupayaan untuk meramalkan apa yang akan berlaku dengan ralat dalam masa terdekat dan dengan itu mengurangkan masa tindak balas pengawal.

Tindakan kamiran boleh berlaku dalam pengawal hanya  dengan reka bentuk. Tindakan kamiran boleh diperhatikan pada bidang lain sistem kawalan (penggerak, loji dll.). Komponen ini boleh membantu dalam mengurangkan ralat keadaan mantap, tetapi pereka sistem kawalan secara amnya tidak boleh menala komponen ini.

Mengkaji Tindakan PD (PD-action)

Mod D digunakan apabila ramalan ralat boleh meningkatkan kawalan atau apabila perlu untuk menstabilkan sistem. Daripada ciri frekuensi elemen D dapat dilihat bahawa ia mempunyai  fasa 90° mendulu(lead-phase). Oleh itu, elemen D akan mengalihkan ciri frekuensi bagi gelung terbuka Go(jω) lebih jauh dari titik genting (-1,j0).

Selalunya derivatif tidak diambil daripada isyarat ralat tetapi daripada pembolehubah keluaran sistem. Ini dilakukan untuk mengelakkan kesan perubahan mendadak input rujukan yang akan menyebabkan perubahan mendadak dalam nilai isyarat ralat. Perubahan mendadak dalam isyarat ralat akan menyebabkan perubahan mendadak dalam output kawalan. Untuk mengelakkannya adalah sesuai untuk mereka bentuk mod D supaya berkadar dengan perubahan pembolehubah keluaran y(t).

Jika terdapat measuring noise  dalam y(t), y(t) ini secara tidak sengaja akan menguatkan hingar ini. hingar biasanya merupakan isyarat frekuensi yang lebih tinggi, jadi penyelesaian yang baik untuk masalah hingar ialah penggunaan penapis laluan rendah dalam saluran terbitan yang akan memastikan tindakan terbitan hanya dalam jalur frekuensi yang dikehendaki dan mengurangkan kesan negatif mod D pada hingar isyarat. Pemalar masa penapis laluan rendah(Low-pass-filter) sering ditakrifkan menggunakan pemalar masa terbitan pengawal sebagai Tf= Td/N.

Penapis diperlukan bukan sahaja kerana kesan hingar, tetapi juga kerana adalah mustahil untuk membina unsur terbitan yang ideal kerana ia adalah penapis bukan kasual. Tindakan D yang ideal ialah dinamik bukan kasual dan ia tidak dapat direalisasikan secara fizikal. 

Proses yang biasanya memerlukan ramalan ralat kawalan ialah proses termal dengan inersia yang besar. Kelajuan tindak balas dalam kes ini meningkatkan kawalan suhu. Kadangkala pengawal DPID digunakan. Dalam kes isyarat kawalan pengawal DPID adalah berkadar bukan sahaja dengan kadar perubahan pembolehubah proses tetapi juga dengan pecutan perubahan pembolehubah proses.

 Walau bagaimanapun, pengawal ini hanya boleh digunakan jika proses mempunyai ciri penapisan yang baik, (inersia besar) kerana terbitan berganda sangat menguatkan bunyi. Apabila berurusan dengan sistem dengan kelewatan pengangkutan, adalah penting juga untuk mempunyai ramalan ralat yang baik. Walau bagaimanapun, mod D tidak akan dapat memberikan ramalan yang boleh dipercayai dalam kes kelewatan pengangkutan, jadi dalam kes tersebut seseorang harus menggunakan peramal (pengawal) Otto-Smith, bukan pengawal PID. Jika peramal Otto-Smith tidak tersedia, lebih baik menggunakan pengawal PI.