PID Kontrol Nedir?

Oransal-integral-türevsel PID kontrolörleri günümüz otomasyon ve kontrol sistemlerinin temel bileşenleridir. PID’ler, istenen bir ayar noktası ile ölçülen değer arasındaki farka göre çıkışları sürekli olarak ayarlayan kapalı döngü bir geri besleme kontrol mekanizması kullanır.

PID kontrolörleri, dinamik sistemleri kontrol etmek için hayati önem taşıyan sofistike bir geri bildirim mekanizmasını temsil eder. Özünde, üç temel terim kullanarak çalışırlar: Oransal (P), İntegral (I) ve Türev (D). Her bir terim, istenen ayar noktası ile genellikle hata olarak bilinen gerçek ölçülen değer arasındaki farka bağlı olarak çıkış sinyalini benzersiz bir şekilde modüle eder.

Oransal (P) terim mevcut hataya yanıt vererek hatanın büyüklüğü ile orantılı bir çıkış üretir. Anında düzeltici eylem uygulayarak, P terimi hataları hızla en aza indirir.

İntegral (I) terimi, hatayı zaman içinde biriktirerek kalıcı hataları veya ayar noktasından uzun süreli sapmaları ele alır. I terimi, hata sinyalini entegre ederek sistemin ayar noktasına doğru bir şekilde yaklaşmasını ve bu noktayı korumasını sağlar ve kararlı durum hatalarını ortadan kaldırır.

Türev (D) terimi, değişim oranını değerlendirerek hatadaki gelecekteki değişiklikleri tahmin eder. Bu yaklaşım, özellikle geçici tepkiler sırasında salınımları azaltır ve sistemi dengeler.

Bir PID kontrolörü, istenen bir ayar noktası (hedef değer) ile mevcut proses değişkeni (ölçülen değer) arasındaki fark olarak sürekli bir hata sinyali hesaplar. Bu hata sinyaline dayanarak kontrolör, hatayı en aza indirmek ve proses değişkenini ayar noktasına yakın tutmak için sistemin kontrol girişini ayarlar.

İşte daha ayrıntılı olarak nasıl çalıştığı:

Hata Hesaplama: PID kontrolörü, hata sinyalini istenen ayar noktası ile mevcut proses değişkeni arasındaki fark olarak sürekli hesaplar.

Oransal Kontrol: Oransal (P) terim, hatanın büyüklüğü ile orantılı bir çıkış üreterek mevcut hataya yanıt verir.

İntegral Kontrol: İntegral (I) terimi geçmiş hataların kümülatif toplamına yanıt verir ve herhangi bir kararlı durum hatasını ortadan kaldırmayı amaçlar. Hatanın zaman içindeki integrali olarak hesaplanır.

Türevsel Kontrol: Türev (D) terimi hatanın değişim oranına yanıt verir ve sistemdeki hızlı değişiklikleri azaltmaya yardımcı olur. Hatanın zaman içindeki türevi olarak hesaplanır.

Kontrol Çıktısı: Kontrol çıkışı oransal, integral ve türev terimlerinin toplamıdır.

Kontrol Girişinin Ayarlanması: Kontrol çıkışı, kontrol edilen sisteme giriş olarak uygulanır. Proses değişkenini ayar noktasına yaklaştırmak için valf konumları, motor hızları veya ısıtma elemanları gibi sistem parametrelerini ayarlar.

Geri Besleme Döngüsü: Proses değişkeni sürekli olarak ölçülür ve kontrol döngüsünü kapatarak kontrolöre geri beslenir. Kontrolör, hatayı en aza indirmeyi ve proses değişkenini ayar noktasında tutmayı amaçlayarak kontrol girişini geri bildirime göre ayarlar.

PID kontrolörleri aşağıda gösterildiği gibi özel cihazlar olarak mevcuttur. Ancak, endüstriyel otomasyon ve kontrol sistemlerinde yaygın olarak Programlanabilir Mantık Denetleyicileri (PLC’ler) ile entegre edilirler. PLC’ler endüstriyel süreçleri kontrol eden ve izleyen programlanabilir cihazlardır, PID kontrolörleri ise belirli süreç değişkenlerini düzenlemek için tasarlanmış özel kontrol algoritmalarıdır.

Mühendisler, PLC programlama ortamında merdiven mantığı veya yapılandırılmış metin programlama dillerini kullanarak PID parametrelerini, ayar noktalarını ve ayar değerlerini yapılandırabilir. Bazı PLC üreticileri, PID kontrol döngülerinin uygulanmasını basitleştiren önceden programlanmış PID fonksiyon blokları içerir. PLC’ler Modbus, Profibus, Ethernet/IP veya OPC (Açık Platform İletişimi) gibi endüstriyel protokolleri kullanarak PID kontrolörleriyle iletişim kurar. PID kontrolörleri PLC’lerden proses değişkeni ölçümlerini alır ve yanıt olarak aktüatörleri ayarlamak için kontrol sinyalleri gönderir.

Denetleyici Kontrol ve Veri Toplama (SCADA) sistemleri endüstriyel süreçleri izler ve kontrol eder. PLC’lerle entegre PID kontrolörleri SCADA sistemlerine sorunsuz bir şekilde dahil edilebilir ve operatörlerin kontrol döngülerini merkezi bir arayüzden uzaktan izlemelerine ve ayarlamalarına olanak tanır.

PLC ve SCADA sistemleriyle entegrasyona ek olarak, PID kontrolörleri bazen gerçek zamanlı kontrolün gerekli olduğu, ancak bir PLC’nin aşırıya kaçacağı mikrodenetleyici ve gömülü sistemlerde de uygulanmaktadır. PID algoritmaları motorlar, ısıtıcılar veya sensörler gibi cihazları doğrudan kontrol edebilir.

PID parametreleri Kp, Ki ve Kd’nin ayarlanması PID kontrolör tasarımında çok önemlidir. Ayarlama, birçok PID uygulamasının her biri için özelleştirilmelidir. Anahtar ayarlama parametreleri şunları içerir:

Oransal Kazanç (Kp): Bu parametre, kontrolör çıkışına katkıda bulunan hata sinyalinin oranını belirler. Daha yüksek bir Kp değeri, mevcut hataya daha güçlü bir yanıt verilmesini sağlar. Çok yüksek bir Kp değeri salınımlara veya kararsızlığa yol açabilirken, çok düşük bir değer yavaş bir yanıtla sonuçlanabilir.

İntegral Kazanç (Ki): İntegral terimi geçmiş hataların birikimini dikkate alır ve bunları zaman içinde yükseltir. Kontrol sinyalini sürekli ayarlayarak kararlı durum hatasını ortadan kaldırmaya yardımcı olur. Daha yüksek bir Ki değeri kararlı durum hatasını azaltmaya yardımcı olur, ancak çok yüksek ayarlanırsa aşıma veya kararsızlığa yol açabilir.

Türev Kazancı (Kd): Türev terimi, hatanın mevcut değişim oranına bağlı olarak gelecekteki davranışını tahmin eder. Hata sinyalindeki hızlı değişikliklere karşı koyarak salınımların sönümlenmesine yardımcı olur. Kd’nin artırılması sönümlemeyi artırır ve aşımı azaltır, ancak çok yüksek bir değer kararsızlığa veya gürültüye duyarlılığa yol açabilir.

Ayarlama süreci, kararlılık, yanıt verme ve minimum aşım gibi istenen sistem performansını elde etmek için bu parametrelerin ayarlanmasını içerir. PID ayarı için manuel ayarlama, Ziegler-Nichols yöntemi ve optimizasyon algoritmaları dahil olmak üzere çeşitli yöntemler kullanılır. Şimdi bu yöntemlerin her birine daha yakından bakalım:

Manuel ayarlamada mühendis, sistem dinamikleri ve istenen performans kriterleri hakkındaki anlayışına dayanarak parametreleri ayarlar. Bu yöntem, tatmin edici performans elde edilene kadar sistemin tepkisini gözlemlerken parametrelerin yinelemeli olarak değiştirilmesini içerir.

Ziegler-Nichols Yöntemi, adım yanıtı deneylerine dayalı olarak PID ayarlamasına sistematik bir yaklaşım sağlar. İntegral ve türev kazançları sıfıra ayarlanır ve sistem sabit bir genlikte salınana kadar kademeli olarak artırılır. Oransal kazanç ve salınım periyodu, salınım periyodu ve genliğinden belirlenir ve bunlar daha sonra uygun PID parametrelerini hesaplamak için kullanılır. Cohen-Coon, Lambda ve Ölü Zaman dahil olmak üzere başka birçok ayarlama yöntemi mevcuttur.

Gradyan inişi, genetik algoritmalar veya parçacık sürüsü optimizasyonu gibi optimizasyon algoritmaları, belirtilen performans kriterlerine ve sistem modellerine göre optimum PID parametrelerini otomatik olarak arar.

PID ayarlama, kontrol sistemi tasarımında kritik bir adımdır. Kontrolörün performans gereksinimlerini karşılarken sistemi etkin bir şekilde düzenlemesini sağlar.

PID kontrolörleri, süreçlerin hassas kontrolünün gerekli olduğu kapalı döngü sistemlerde kullanılır. Başlıca uygulamalardan bazıları şunlardır:

PID kontrolörleri, endüstriyel prosesler, binalar ve iklim kontrol sistemleri gibi ortamlarda hassas sıcaklıkların korunmasına yardımcı oldukları ısıtma, soğutma ve HVAC sistemleri dahil olmak üzere sıcaklığı düzenlemek için yaygın olarak kullanılır.

PID kontrolörleri, kimyasal işleme, su arıtma ve gıda üretimi gibi üretim süreçlerinde basınç, akış hızı, seviye ve pH gibi parametreleri kontrol etmek için endüstriyel otomasyonun ayrılmaz bir parçasıdır.

Robotik ve hareket kontrol sistemlerinde PID kontrolörleri motor hızını, konumunu ve torkunu düzenleyerek CNC makineleri, robotik kollar ve otomatik güdümlü araçlar (AGV’ler) gibi uygulamalarda sorunsuz ve doğru hareket sağlar.

Çeşitli proses kontrol uygulamaları, petrol rafinerileri, enerji santralleri ve atık su arıtma tesisleri gibi sistemlerde basınç, seviye ve bileşimi düzenlemek için PID kontrolörlerini kullanır.

Elektronik uygulamaları, güç kaynaklarından motor sürücülerine kadar çeşitli uygulamalarda voltaj regülasyonu, motor kontrolü ve güç dönüşümü gibi görevler için PID kontrolörlerini kullanır.

Otomotiv sistemleri, motor kontrolü, hız sabitleyici, kilitlenmeyi önleyici fren sistemleri ve otomatik şanzıman kontrolü için PID kontrolörlerini kullanarak güvenliği, yakıt verimliliğini, emisyonları ve araç performansını optimize eder.

Tarımsal otomasyonda, PID kontrolörleri sera iklim kontrolü, sulama yönetimi ve hayvan besleme sistemleri için kullanılır, optimum yetiştirme koşulları ve kaynak kullanımı sağlar.

PID kontrolörleri biyomedikal mühendisliğinde ve çok sayıda tıbbi cihazda ilaç dağıtmak, hasta sıcaklığını düzenlemek ve insülin pompalarında, kuvözlerde ve anestezi makinelerinde kan şekerini kontrol etmek için kullanılır.

PID kontrolörleri, güneş enerjisi ve rüzgar türbinleri gibi yenilenebilir enerji sistemlerinde kullanılır ve burada enerji yakalamayı optimize eder ve voltajları düzenler.

Tüketici elektroniği ve ev aletleri, fırın ve buzdolabı sıcaklık kontrolü, çamaşır makinesi su seviyesi kontrolü ve fan ve pompa hızı kontrolü gibi görevleri kontrol etmek için PID kontrolörlerini kullanır.

PID kontrolörleri, Internet of Things (IoT) platformları ve Endüstri 4.0 girişimleriyle entegre olacak şekilde gelişerek uzaktan izleme, veri analizi ve kestirimci bakıma olanak sağlamaktadır. Bu entegrasyon sistem zekasını geliştirir, gerçek zamanlı optimizasyonu kolaylaştırır ve verimliliği artırır.

Geleceğin PID kontrolörleri, değişen süreç dinamikleri ve çalışma koşullarına göre kontrolör parametrelerini otomatik olarak ayarlayabilen uyarlanabilir ve kendi kendini ayarlayan kontrolörlerde kullanılabilir. Bu kontrolörler dalgalanan ortamlara uyum sağlayabilir, performansı artırabilir ve manuel ayarlama ihtiyacını azaltabilir.

Yapay zeka (AI) ve makine öğrenimindeki (ML) gelişmeler, PID kontrolörleri de dahil olmak üzere kontrol sistemlerinde devrim yaratmaktadır. Yapay zeka tabanlı PID algoritmaları verilerden öğrenebilir, sistem davranışını tahmin edebilir ve kontrol parametrelerini gerçek zamanlı olarak optimize ederek daha sağlam ve uyarlanabilir kontrol stratejileri sağlayabilir.

PID kontrolörleri, birden fazla kontrolörün ağa bağlı bir ekosistem içinde iletişim kurduğu ve işbirliği yaptığı Dağıtılmış Kontrol Sistemlerine (DCS) doğru geçiş yapmaktadır. DCS, merkezi olmayan karar verme mekanizmasını teşvik eder, hata toleransını güçlendirir ve ölçeklenebilirliği artırarak sistemin sağlamlığını ve esnekliğini artırır.

PID kontrolör algoritmaları Dewesoft’un Veri Toplama (DAQ) sistemlerinde uygulanabilir. Dewesoft, SIRIUS gibi yüksek hızlı DAQ sistemleri ve DAQ ve gerçek zamanlı kontrol yeteneklerini tek bir cihazda birleştiren IOLITE gibi endüstriyel seriler sunmaktadır. EtherCAT ara bağlantısı, bu cihazların papatya dizimi şeklinde birbirine bağlanmasını ve hassas bir şekilde senkronize edilmesini sağlar. PID işlemi, bu cihazlarla birlikte sağlanan DewesoftX yazılımında bir matematik modülü olarak mevcuttur.

Dewesoft’un DIN rayına monte IOLITE modülleri

PID kontrolörleri, kontrol sistemlerinde hassasiyeti ve çok yönlülüğü özetler, çeşitli süreçler ve uygulamalar arasında benzersiz bir düzenleme sunar. Mühendisler, mekanizmalarını, uygulamalarını ve gelecekteki yörüngelerini inceleyerek, kontrol performansını optimize etmek ve sürekli gelişen teknolojik ortamda yeniliği teşvik etmek için PID kontrolörlerinin tüm potansiyelinden yararlanabilirler.