معرفی و آشنایی با  انواع کنترلر دما

دما چیست؟

دما از طریق اندازه‌گیری کمّی گرما (میزان گرما) بدست می‌آید. سانتیگراد و فارنهایت هر دو مقیاس و واحد اندازه گیری دما هستند.

سلسیوس (سانتیگراد) و فارنهایت مقیاس و واحد اندازه گیری درجه حرارت می باشند. آنها مقادیر نسبی برای نقاط انجماد و نقطه جوش هستند و مهم است که توجه داشته باشید که معیار اصلی نقاط انجماد و جوش آب است . این مقیاس ها در بسیاری از شرایط مفید بوده و سراسر جهان استفاده می شوند.  

سلسیوس (سانتیگراد)

مقیاس سلسیوس ، نام خود را از یک ستاره شناس سوئدی به نام آندرس سلسیوس که کشفیات و مشاهدات خود را درباره دو درجه مندرج بر روی دماسنج در سال ۱۷۴۲ به دنیای علم معرفی نمود. در ابتدا این مقیاس سانتیگراد نامیده شد اما بدلیل برخی از مسائل ، نام ان به طور رسمی با نام سلسیوس با نماد ° C به تصویب رسید. بسیاری از کشورها به دلیل سهولت استفاده این مقیاس را به عنوان مقیاس اصلی واستاندارد اندازه گیری دما بکار می برند.

فارنهایت

مقیاس فارنهایت، توسط دانیل گابریل فارنهایت فیزیکدان آلمانی در سال ۱۷۲۴ پیشنهاد شد. این مقیاس ابتدا برای مقاصد اقلیمی، صنعتی و پزشکی و عمدتا در غرب در دهه ۱۹۶۰ استفاده می شد. اما کم کم مقیاس رایج در اکثر کشورها سلسیوس شد. هنوز در میان کشورهای دیگر مانند ایالات متحده از فارنهایت استفاده می شود.با اتخاذ این سیستم در واقع خوانش منفی درجه حرارت به حداقل می رسد.

 

تفاوت بین سلسیوس و فارنهایت

تفاوت اصلی بین مقیاسهای درجه حرارت در ارزش نسبی نقاط انجماد و جوش نهفته است. در مقیاس سلسیوس نقطه جوش آب C° 100 و نقطه انجماد آن C ° 0 است. در مقیاس فارنهایت، نقطه جوش آب در ۲۱۲ درجه F و نقطه انجمادش در ، در ۳۲ درجه F می باشد. هر چند به نظر می رسد که درک مقیاس سلسیوس نسبت به فارنهایت آسان تر است اما در مقیاس سلسیوس تعداد نقاط کمتری بین نقطه انجماد وجوش قرار دارد و این به این معنی است که تغییرات واقعی دما می تواند بیشتر باشد. این باعث می شود اعشار یا کسر در مقیاس سلسیوس بسیار مهم باشد.

یکی دیگر از تفاوت های این دو مقیاس این است که مقیاس فارنهایت در سیستم امپریال اندازه گیری استفاده می شود در حالی که مقیاس سلسیوس در سیستم متریک اندازه گیری می گردد.
این واقعا مهم نیست که چه مقیاسی برای اندازه گیری استفاده شود، چرا که می توان آن را به معادل مربوط به فارنهایت یا سلسیوس تبدیل کرد،و همان دما را به دست آورد.بنابراین، برای تبدیل سلسیوس به فارنهایت، عدد خوانده شده را در ۹/۵ ضرب کرده وبا ۳۲ جمع می کنیم.برای تبدیل فارنهایت به سانتیگراد،از عدد خوانده شده ۳۲ را کم کرده وحاصل را در ۵/۹ ضرب می کنیم.

 

یک کنترل کننده دما چیست؟

یک کنترلر دما, دستگاهی است که برای کنترل هیتر یا دستگاههای گرم کننده بکار می رود. این دستگاهها خروجی سنسور دما را با مقدار تنظیمی مقایسه کرده و با انجام محاسباتی متناسب با میزان انحراف آنها از همدیگر, دما را کنترل می کند. تجهیزاتی که که با سنسورهایی غیر از دما نظیر سنسورهای فشار, رطوبت, فلو و ... کار می کنند, کنترلر نامیده می شودن. کنترلرهای الکترونیکی را بطور خاص کنترل کننده دیجیتال می نامند.

کنترل دما

کنترل کننده های دما, دما را چنان کنترل می کنند که مقدار پروسس معادل مقدار تنظیمی شود اما نتایج اغلب به علت ویژگیهای شی کنترل شده و همچنین به علت نحوه کنترل آن متفاوت خواهد بود. بعنوان نمونه به شکل 2 توجه کنید که در آن مقدار فرایند سریعا به نقطه تنظیم بدون جهش رسیده است, نیازمند یک کنترل کننده دما است. به شکل 1 نیز دقت کنید که در آن مقدار دما خیلی سریع افزایش یافته ولی باعث جهش در مقدار دما شده است و یا در شکل 3 که دما با بطور آهسته افزایش می یابد.

1-  پاسخی که مقدار فرایند به مقدار تنظیمی خیلی سریع می رسد ولی دارای نوسانات دما می باشد.

2- پاسخ مناسب

3- پاسخ کند که در آن مقدار فرایند دیر به مقدار تنظیم شده می رسد.

مثال زیر, ترکیب ساده کنترل دما را نشان می دهد.

ابتدا، عبارت‌هایی که برای کنترل دما نیاز داریم را یادآوری می‌کنیم:

label	مخفف	توضیحات
Set point	SP	دمایی که بایستی به آن دست یابیم
Set Value	SV	تمایی مقادیری که با توجه به SP ، برایمان مناسب می باشد
Present Value	PV	دمای کنونی که با استفاده از سنسورها اندازه گیری می شود
Manipulated Value	MV	مقدار خروجی ای که به عنوان خروجی از کنترلر دما در نظر گرفته شده تا تجهیزات خروجی مانند هیتر را روشن یا خاموش کنیم

 

 

نحوه‌ی عملکرد کنترلر دما

به طور کلی دو نوع کنترل عمده وجود دارد.

• کنترل ترتیبی (Sequential Control)

در این روش کنترلی، یکسری فرآیندی که از پیش تعیین شده‌اند به ترتیب انجام می‌گیرد.

• کنترل بازخوردی (Feedback Control)

فرآیندهایی که همواره در حال بررسی مجدد بوده و چندین کار پشت سرهم انجام شده و دوباره و دوباره و دوباره انجام می‌شوند.  در این حالت همواره مقدار نهایی‌مان در حال ارزیابی است.

 

اصول کنترل دما

شکل زیر, نمونه از یک سیستم کنترل فیدبک برای کنترل دما را نشان میدهد. بخشهای اصلی سیستم کنترل فیدبک داخل یک کنترل کننده دما طراحی و ساخته می شود. یک سیستم کنترل فیدبک را می توان ساخت و دما را می توان با ترکیب یک کنترلر و سنسوری که مناسب موضوع کنترل شونده باشد, کنترل نمود.

ترکیب یک سیستم کنترل فیدبک

 

مشخصات کنترلی در فرایند کنترل دما- مشخصات شی کنترل شونده

برای آنکه یک فرآیند کنترل دما را به خوبی انجام دهیم بایستی مشخصات کنترلی برای تنظیم دما را دانسته
و با استفاده از آن مشخصات و ویژگی‌های مورد نظرمان یک کنترل‌کننده‌ی دما و یک سنسور دما را خریداری کنیم.

• ظرفیت گرمایی

ظرفیت گرمایی برای اجسام مختلف متفاوت است.
گرمایی که برای گرم کردن یک ظرف غذا لازم است به مراتب کمتر از گرمای لازم برای گرم کردن یک دیگ غذا است.
یعنی برای گرم کردن یک جسم،جرم و نوع آن جسم بسیار مهم است.

ظرفیت گرمایی طبق تعریف،برابر است با گرمایی که برای افزایش دمای یک شیء به اندازه‌ی یک درجه‌ی سلسیوس یا فارنهایت ( C/°F°) لازم است.

• مشخصات ایستا (استاتیک)

هنگامی که دو ظرف غذا با محتویات یکسان را روی آتش یا اجاق گاز می‌گذاریم،
ظرفی که با حرارت و شعله‌ی بیشتری گرم می‌شود، سریع‌تر گرم شده و ماکزیمم دمایی هم که در حالت ماندگار خود
(حالتی که دیگر دمای ظرف تغییر چندانی نمی‌کند) خواهد داشت، به مراتب بیشتر از ظرف دیگر است.
به عبارت دیگر متناسب با توان گرمایی و شدت شعله، دمای نهایی نیز متفاوت خواهد بود.

به این رابطه‌ی بین میزان گرما (توان گرما) و دمای نهایی، مشخصه‌ی استاتیکی می‌گویند.

• مشخصات پویا

سرعت رسیدن ضرف غذا به دمای نهایی به جنس ظرف غذا وابسته است.
به عبارت دیگر با حرارت یکسان، ظرف مسی سریع‌تر از ظرف آهنی و ظرف آهنی نیز سریع‌تر از ظرف سفالی به دمای نهایی می‌رسد.به سرعت افزایش دما، مشخصه‌ی پویا یا داینامیک می‎‌گویند.

• اغتشاشات خارجی

به فعالیتی که منجر به اختلال و به‌هم‌زدن ثبات و ایستایی دما شود، اغتشاش خارجی می‌گوییم.

برای مثال اگر یک پارچ آب سرد را بر روی ظرفی که حاوی مواد خوراکی بوده و بر اثر حرارت به دمای ثابتی رسیده‌ است، بریزیم،دمای ظرف به سرعت کاهش یافت و بایستی مجددا با گذر زمان دمای ظرف به حالت نهایی خود برسد.

روش‌های کنترل دما

روش‌های کنترل دما با استفاده از کنترل‌کننده‌ی دما را می‌توان به دو دسته‌ی زیر تقسیم‌بندی کرد:

• کنترل دما گسسته (ON/OFF control)

در این روش، دما به سادگی و فقط با روشن و خاموش شدن هیتر، تنظیم می‌شود.

در این روش هنگامی که دما کمتر از دمای مشخص شده است،
هیتر روشن شده و هنگامی که دما بیشتر از دمای مشخص شده می‌باشد، هیتر خاموش می‌شود.

به این روش کنترلی که در آن کنترل کردن دما با روشن و خاموش کردن هیتر با توجه به رابطه‌ی بین دمای فعلی
و دمای مطلوب انجام می‌شود، کنترل ON/OFF (کنترل آن و آفی) می‌گویند.

کنترل ON/OFF ممکن است منجر به برخی پدیده‌ها مانند اُورشوت (overshoot) (اُور شوت) یا حرکت نوسانی (hunting) (هانتینگ) شودبرای جلوگیری از رخ دادن این پدیده‌ها بهتر است که کنترل با دقت بیشتری انجام شود.

اما از آنجا که در روش کنترلی ON/OFF اورشوت و حرکت نوسانی رخ می‌دهد،این روش برای مواردی که به دقت بالایی نیاز نیست، استفاده شده و می‌توان گفت که روشی قدیمی و منسوخ شده است.

محور عمودی دما است. محور افقی زمان است.
وقتی که دما به مقدار مطلوب می‌رسد، هیتر خاموش می‌شود.
وقتی که دما کمتر از مقدار مطلوب می‌شود، هیتر روشن می‌گردد.
این رفتار به صورت مداوم انجام می‌شود.

اورشوت (Overshooting): جهش دما به بالاتر از مقدار مطلوب را اور شوت می‌گویند.
در برخی کاربردهای صنعتی که افزایش دمایِ بیش از حد منجر به خسارت و آسیب می‌شود، بایستی اورشوت سیستم را حتما کنترل کنیم.

نوسان (Hunting): پدیده‌ای است که در آن دما در نزدیکی مقدار مطلوب جابه‌جا شده و بین مقادیر بالاتر و پایین‌تر از مقدار مطلوب تغییر کند.

•  کنترل دما  PID Control_ PID

کنترلر PID یا کنترل کننده پی آی دی (PID controller) از رایج‌ترین الگوریتم های کنترلی است که در بسیاری از فرایندهای کنترلی نظیر موارد زیر کاربرد دارد:

• کنترل سرعت موتور DC
• کنترل فشار
• کنترل دما
• و موارد دیگر

PID مخفف کلمات Proportional (تناسبی)، Integral (انتگرال ­گیر)، Derivative (مشتق­ گیر) است.

PID کنترلر ابزاری است که جهت کاربردهای کنترلی در صنعت و به‌منظور تنظیم دما، جریان، فشار، سرعت و سایر متغیرهای فرآیندی بکار می‌رود. کنترل‌کننده‌های PID (تناسبی- انتگرالی- مشتقی) از یک مکانیزم حلقه بازخورد برای کنترل متغیرهای فرآیندی بهره می‌برند و جز دقیق‌ترین و پایدارترین کنترل‌کننده‌ها به‌حساب می‌آیند.

کنترل به کمک PID راه شناخته‌شده‌ای به‌منظور هدایت سامانه به طرف یک سطح یا یک موقعیت هدف است. این یک راهکار کاربردی همواره در دسترس برای کنترل دما است که علاوه بر خودکارسازی در فرآیندهای علمی و شیمیایی نیز کارایی بی‌شماری دارد. یک کنترل‌کننده PID با به‌کارگیری یک بازخورد کنترلی حلقه-بسته مقدار خروجی را تا حد امکان به خروجی از پیش تنظیم شده یا هدف نزدیک نگه می‌دارد.

یک PID کنترلر دما همان‌طور که از نام آن برمی‌آید ابزاری است که به‌طور عمده برای کنترل دما بدون دخالت گسترده از طرف اپراتور به‌کارگیری می‌شود. یک کنترل‌کننده PID در یک سامانه کنترل دما از یک حسگر دما مثل یک ترموکوپل یا RD به‌عنوان ورودی استفاده می‌کند و دمای واقعی را با دمای کنترلی مدنظر مقایسه می‌کند؛ سپس متناسب با آن یک خروجی به یک المان کنترل‌کننده می‌فرستد.

کنترل‌کننده PID دیجیتال چیست؟
یک کنترل‌کننده PID دیجیتال سیگنال را از حسگری که عموماً یک ترموکوپل یا RTD است دریافت می‌کند و پس از تبدیل مقیاس اندازه‌گیری به واحدهای مهندسی از قبیل فارنهایت یا سلسیوس آن را به‌صورت دیجیتال نمایش می‌دهد.

یک کنترل‌کننده PID چگونه عمل می‌کند؟
یک کنترل‌کننده تناسبی- انتگرالی- مشتقی (PID) قابلیت به‌کارگیری جهت کنترل دما، فشار، جریان و سایر متغیرهای فرآیندی دارد. یک کنترل‌کننده PID، همان‌طور که از نام آن پیداست، کنترل تناسبی را با اصلاحات انتگرالی و مشتقی ترکیب می‌کند و بدین‌وسیله جبران خودکار هرگونه تغییرات در سامانه را ممکن می‌سازد.

در این روش در مقایسه با روش ON/OFF، با سرعت کمتری به دمای مطلوب می‌رسیم ولیکن نوسانات کمتری داشته و اورشوت به حداقل می‌رسد.در این روش این امکان برای ما فراهم می‌شود که پس از رسیدن به دمای مطلوب با دقت بالایی دما را در یک مقدار ثابت نگه داریم.بنابراین در این روش مشخصه‌های کنترلی بهتر از روش قبلی بوده و اور‌‌‌شوت و هانتینگ نخواهیم داشت.
همچنین اگر از طریق اغتشاشات خارجی، به سیستم خللی وارد شود، سیستم به سرعت به حالت مطلوب خود باز می‌گردد.

در تصویر زیر، یک نمودار کلی از کنترل دما به روش PID را مشاهده می‌کنید.

کنترل PID با تنظیم سه ضریب انجام می‌شود.

 Proportional Band(P)(ضریب پی)، Integral Time(I) (ضریب آی) و) Derivative Time(D) (ضریب دی(

به منظور کنترل دما به روش PID، بایستی این سه ضریب را در کنترلر تنظیم کنیم.
بایستی به این نکته توجه کرد که اگر این ضرایب به درستی انتخاب نشوند،ممکن است نتیجه‌ی حاصل از کنترل به روش PID بسیار ضعیف‌تر و بدتر از روش ON/OFF باشد؛مثلا رسیدن به دمای مطلوب بسیار زمان‌بر بشود یا نوسانات بسیار زیاد بوده و شاید هیچگاه به یک مقدار ثابت نرسیم.

اصول عملکردی کنترل‌کننده PID

قاعده اساسی پشت عملکرد یک کنترل‌کننده PID این است که عبارت‌های تناسبی، انتگرالی و مشتقی باید به‌طور جداگانه تنظیم یا «کوک» شوند. یک ضریب تصحیح بر مبنای اختلاف بین این مقادیر محاسبه و به ورودی اعمال می‌گردد. به‌عنوان‌مثال اگر دمای یک فر سردتر از مقدار موردنیاز باشد حرارت افزایش پیدا می‌کند. این سه گام در اینجا توضیح داده‌شده‌اند:

• تنظیم تناسبی

شامل تصحیح یک هدف به‌طور متناسب با میزان اختلاف است؛ بنابراین دستیابی به مقدار هدف هیچ‌گاه صورت نمی‌گیرد زیرا هر چه میزان اختلاف به صفر نزدیک‌تر می‌شود به تناسب تصحیح اعمالی نیز به صفر می‌گراید.

• تنظیم انتگرالی

با انباشت خطای حاصله از عملگر «P» با هدف افزایش ضریب تصحیح در جهت بهبود این وضعیت تلاش می‌کند. به‌عنوان‌مثال اگر دمای فر پایین‌تر از حد موردنظر باقی ماند عملگر «I» در جهت افزایش حرارت تحویلی اقدام می‌کند. بااین‌حال عملگر «I» پس از رسیدن به هدف مدنظر تلاش می‌کند تا خطای انباشته را به صفر برساند که همین امر منجر به یک فراجهش خواهد شد.

• تنظیم مشتقی

با تقلیل ضریب تصحیح در جهت به حداقل رساندن این فراجهش تلاش می‌کند.

اساس کار PID کنترلر

از یک کنترل‌کننده تناسبی- انتگرالی- مشتقی (PID) می‌توان به‌عنوان ابزاری برای کنترل دما، فشار، جریان و سایر متغیرهای فرآیندی بهره گرفت. یک کنترل‌کننده PID، همان‌طور که از نام آن پیداست، کنترل تناسبی را با اصلاحات انتگرالی و مشتقی ترکیب می‌کند و بدین‌وسیله جبران خودکار هرگونه تغییرات در سامانه را ممکن می‌سازد.

انواع PID کنترلر

در کل سه نوع کلی از کنترل‌کننده‌های PID وجود دارد: روشن-خاموش، تناسبی و PID. کاربر بسته به نوع سامانه نیازمند کنترل می‌تواند یکی از این فرآیندهای کنترلی را برگزیند.

• کنترل‌کننده روشن-خاموش

یک کنترل‌کننده PID روشن-خاموش ساده‌ترین نوع از دستگاه‌های کنترل دما محسوب می‌شود. خروجی این دستگاه یا حالت خاموش و یا حالت روشن است و هیچ‌گونه حد وسطی وجود ندارد. یک کنترل‌کننده روشن-خاموش تنها در زمانی که دما از مقدار از پیش تنظیم شده عبور می‌کند اقدام به تغییر وضعیت خروجی می‌نماید. یک نوع خاص از کنترل‌کننده روشن-خاموش، یک کنترل‌کننده حدی است. این نوع کنترل‌کننده‌ها از یک رله نگه‌دارنده استفاده می‌کنند. این رله‌ها برای غیرفعال کردن فرآیند در زمان رسیدن به یک دمای معین استفاده می‌شوند و تنظیم مجدد آن‌ها باید حتماً به‌صورت دستی انجام شود.

• کنترل‌کننده تناسبی

کنترل‌کننده‌های تناسبی برای حذف چرخه‌های مربوط به کنترل‌کننده‌های روشن-خاموش طراحی‌شده‌اند. یک کنترل‌کننده تناسبی در حین نزدیک شدن دما به نقطه تنظیم توان متوسط تغذیه شده به گرم‌کن را تقلیل می‌دهد. این عمل حرارت ناشی از گرم‌کن را کاهش می‌دهد تا از فراجهش از نقطه تنظیم جلوگیری به عمل آید و دما در نقطه‌ی پایداری در حوالی نقطه تنظیم باقی بماند. دستیابی به این عملکرد تناسبی با خاموش و روشن کردن خروجی در فواصل زمانى اندک صورت می‌گیرد. این «تناسب زمانی» بسته به نسبت زمان «روشنی» به زمان «خاموشی» متغیر خواهد بود.

• PID کنترلر استاندارد

کنترل‌کننده PID استاندارد کنترل تناسبی را با کنترل انتگرالی و مشتقی ترکیب می‌کند و بدین‌وسیله جبران خودکار هرگونه تغییرات در سامانه را ممکن می‌سازد. این اصلاحات انتگرالی و مشتقی با واحدهای مبتنی بر زمان بیان می‌شوند؛ همچنین با استفاده از معادل‌های آن‌ها یعنی به ترتیب ریست و نرخ از آن‌ها یاد می‌شود. عبارت‌های تناسبی، انتگرالی و مشتقی باید با آزمون‌وخطا به‌طور مجزا برای یک سامانه مشخص تنظیم یا «کوک» شوند. از بین سه نوع کنترل‌کننده یاد شده، کنترل‌کننده‌های PID دقیق‌ترین و پایدارترین کنترل را ارائه می‌کنند.