04/09/2020
סדרת פוסטים – עולם הבקרה ואלקטרומכניקה.
סטטוס שלישי –מהי בקרת תהליכים ומה ההבדל בין בקרת ON/OFF לבקרת PID
ככל שהתהליכים בתעשייה נעשים מורכבים יותר, כך יש צורך בבקרה הדוקה ומדויקת יותר על התהליך. מערכות הבקרה נפוצות כמעט בכל תהליך פיזיקלי, כגון בקרת מפלס, זרימה, טמפרטורה, מתח, זרם חשמלי, ריכוז מוצקים בנוזל. מערכת בקרה היא מנגנון או מערכת של מנגנונים אשר שולט על יציבות תהליך של מערכת אחרת, עליה ברצוננו לשלוט.
דוגמה:
מזגן - כאשר נגדיר טמפרטורה רצויה, המזגן ימשיך לפעול כל עוד לא התקבלה התוצאה הרצויה ויפסיק את עבודתו בעת קבלת התוצאה הרצויה. על מנת להתמודד עם הפער בין הערך המצוי לערך הרצוי של מערכות טכנולוגיות, יש להכין אמצעים לתיקון סטיות של המשתנה המבוקר (גודל פיזיקלי) מערכו הרצוי. סטיות אלה נגרמות עקב הפרעות במערכת.
מערכת בקרה (control system) כוללת את הרכיבים הבסיסיים הבאים:
1.יחידת מדידה (measuring or monitoring unit), המודדת ומגיבה לשינויים במשתנה או בתהליך המבוקר, כמו שינוי הטמפרטורה, הלחץ, מהירות הסיבוב וכו'.
2.בקר (controller), האחראי על גודל השגיאה או הסטייה בין הערך הנמדד לערך הרצוי של המשתנה או התהליך המבוקר, ושולח אות תיקון למנגנון ההפעלה.
3.מנגנון תיקון או הפעלה (actuator), המבצע הלכה למעשה את פעולת התיקון הדרושה, כמו ברז חשמלי שפותח או סוגר מעבר נוזל, מפסק חשמלי המפעיל או מכבה מנוע חשמלי וכו'.
את מערכות הבקרה מסווגים לשני סוגים עיקריים:
1.מערכת בקרה בחוג פתוח (open loop control system), בה אין משוב (feedback) מיחידת המדידה אל מנגנון ההפעלה באשר לתוצאות הביצוע של התהליך. למשל: חימום אוכל במיקרוגל תלוי אך ורק בזמן שהגדרנו ולא למצב האוכל אחרי הפעולה.
2.מערכת בקרה בחוג סגור (closed loop control system), שבה תלויה פעולת התיקון של הבקר במשוב של תוצאת התהליך המבוקר. יחידת המדידה, המודדת את תוצאות התהליך, משפיעה בצורה ישירה על מנגנון התיקון או ההפעלה. המשוב הוא קבלת מידע עדכני על מצב המערכת ותנאי הסביבה. המשוב מבצע עדכון של פקודות הפעולה. למשל: מזגן ביתי.
מהי בקרת ON/OFF
בקרה דו מצבי - off‐on מוצא הבקר יכול להיות באחד משני מצבים 0 או 1 כמו מפסק.
במצב on מוכנסת אנרגיה לתהליך ובמצב off מופסקת האנרגיה לתהליך. בקרה זו היא הפשוטה ביותר ונפוצה במכשירים כמו: מגהץ, טוסטר, מזגן, מקרר ועוד.
בדרך כלל בקר off‐on מגיע עם תחום מת המאפשר לתהליך לנוע בין שני ערכים סביב הערך הרצוי וכך מונע שינויים מהירים בבקרה
מהי בקרת ה- PID
בקרת ה- PID מאפשרת את צמצום עבירת הטמפרטורה הרצויה והחלשת התנודות.
הבקר מקבלת אינפורמציה מרכיב מדידה הנמצא בשטח לדוגמה חיישן טמפ (ערך מצוי) כדי לבקר תהליך תנודתית כגון קירור חדר (CONTROL) ולשמור את הטמפ קרובה ככל האפשר לערך שביקשנו (ערך הרצוי Set point ).
ה- PID מאפשר לבקר לווסת את המערכת באופן אוטומטי ע"י:
1. מדידת הערך של חיישן טמפ שנקרא "הערך המצוי" (PV),
2. השוואת ה- PV לערך שאנחנו דורשים שנקרא "הערך הרצוי" (SP). ההפרש בין שני המשתנים האלה נקרא "Error" (סטייה).
3. תוך שימוש בסטייה, ה- PID מווסת את אות יציאת הבקר הנקרא "Control Variable" או בקיצור CV כדי שהסטייה תהיה אפסית.
מה פירוש האותיות PID:
פרופורציונלי - P - מתקן את השגיאה העכשווית בצורה פרופורציונלית לשגיאה.
אינטגרלי - I - מוסיף תיקון פרופורציונלי לאינטגרל בזמן על שגיאת העקיבה ובכך מבטיח שגיאת מצב מתמיד אפסית.
דיפרנציאלי - D- מוסיף תיקון פרופורציונלי לנגזרת בזמן של השגיאה ובכך מוסיף ריסון למערכת ומונע תגובת יתר (overshoot). היא לעולם אינה מגיעה לבד, כלומר תמיד תהיה ID או PD, כיוון שבמצב כזה לא תתקן שגיאה קבועה במערכת. בנוסף, היא עלולה להפחית את יציבות המערכת בשל רגישותה לרעשים.
דוגמא מהשטח שמשווה בין שתי השיטות :
יש לנו מיכל מים שנרצה לחמם , הטמפ במיכל היא 20 מעלות (ערך מצוי PV) נרצה לחמם את המיכל שיגיע ל 50 מעלות (ערך רצוי SP ).
בתהליך ON/OFF בגלל שיש אפקט לגוף חימום להמשיך לפלוט חום גם אחרי שהוא כבוי נכוון את התרמוסטט לערך הנמוך מהערך הרצוי לדוגמה 45 מעלות.
ברגע שהטמפ במיכל תגיע ל-45 מעלות התרמוסטט יפסיק את פעולת גוף החימום אך המים ימשיכו להתחמם בגלל שגוף החימום ממשיך לפלוט חום והטמפ תעלה לכיוון 50 מעלות.
בתהליך הזה נקבל ערך גבוהה מ-50 ונצטרך לחכות שהטמפ תרד שוב לערך נמוך מ45 כדאי שיש פקודה נוספת לגוף החימום.
נוצר כאן תהליך שאין דיוק בערך הרצוי ותמיד יש שגיאה גדולה בין הערך הרצוי למצוי.
בבקרת מסוג PID מריצים את המערכת מספר פעמיים תוך כדי התהליך האלגוריתם מושכים נתונים מהשטח ולומדים לזהות בדיוק מתי לכבות ולהדליק את גוף החימום ובאיזה עוצמה.
כאן נוצר תהליך שתמיד הערך הרצוי והערך המצוי שווים.
《《 מצורף תמונה המדגימה את תהליך PID ותמונה נוספת המשווה בין שתי תהליכי הבקרה. 》》
אשמח לשמוע בתגובות או בהודעה על איזה עוד נושאים תרצו לקורא.
קרדיט - חלק מהתוכן שנכתב בפוסט זה נלקח מויקיפדיה -"ספר לימוד בוויקיספר: תורת הבקרה"
《אין לראות במאמר זה כייעוץ ו /או חוות דעת מקצועית כלשהי 》
מאור מערכות חשמל
