I. מבוא
בתכנון מערכות אוטומציה ובקרה תעשייתית, בקר PID (בקר דיפרנציאלי-פרופורציונלי-דיפרנציאלי) ובקר PWM (בקר פולס רוחב אפנון) הן שתי אסטרטגיות בקרה נפוצות. למרות ששניהם יכולים לממש שליטה מדויקת במערכת, ישנם הבדלים משמעותיים במאפייני העיקרון, היישום והבקרה. במאמר זה, בקר PID ובקר PWM יושוו וינותחו בפירוט כדי לחשוף את ההבדלים ביניהם.
II. סקירה כללית של בקר PID
בקר PID הוא אלגוריתם בקרה מבוסס-משוב, המורכב משלושה מונחי בקרה פרופורציונליים (P), אינטגרליים (I) ודיפרנציאליים (D). הוא מודד את ההבדל בין ערך הפלט של האובייקט הנשלט לבין הערך הרצוי (כלומר, השגיאה), ולאחר מכן מעבד את השגיאה לפי שלושת מונחי הבקרה P, I ו-D כדי לקבל את הפלט של הבקר. העיקרון של בקר PID מבוסס על ויסות המשוב של השגיאה, ויש לו יכולת הסתגלות, כך שהוא יכול להתאים באופן דינמי את פרמטרי הבקרה בהתאם למצב בפועל.
עִקָרוֹן
העיקרון של בקר PID מבוסס על ויסות המשוב של שגיאה. תחילה הוא מודד את ערך הפלט של האובייקט הנשלט ולאחר מכן משווה אותו לערך הרצוי כדי לקבל את השגיאה. לאחר מכן, השגיאה מעובדת בהתאם לתנאי הבקרה היחסיים, האינטגרליים והדיפרנציאליים כדי לקבל את הפלט של הבקר. ביניהם, מונח הבקרה היחסי הוא פרופורציונלי לשגיאה ומשמש להפחתת השגיאה במהירות; מונח הבקרה האינטגרלי משמש בעיקר כדי לבטל את השגיאה המצטברת ולהפוך את המערכת ליציבה יותר; מונח הבקרה הדיפרנציאלי מתאים את תפוקת הבקר בהתאם לקצב השינוי של השגיאה, מה שהופך את תגובת המערכת למהירה יותר ומקטין את החריגה.
יישומים
בקרי PID נמצאים בשימוש נרחב במערכות בקרת אוטומציה תעשייתיות, בקרת ציוד אלקטרוני, רובוטיקה ותחומים אחרים. במערכות בקרת טמפרטורה, בקרי PID מתאימים את התפוקה של ציוד חימום או קירור כדי לייצב את הטמפרטורה המבוקרת ליד הערך הרצוי על ידי מדידה מדויקת של ההפרש בין הטמפרטורה המבוקרת לטמפרטורה הרצויה. ברובוטיקה, בקרי PID משמשים בדרך כלל לבקרת מיקום, כאשר ההפרש בין המיקום האמיתי והרצוי של הרובוט נמדד ותפוקת המפעיל של הרובוט מותאמת כדי להשיג בקרת מיקום מדויקת. בנוסף, בקרי PID נמצאים בשימוש נרחב בבקרת מנוע, בקרת זרימה ותחומים אחרים.
מאפייני שליטה
לבקר PID יש יכולת הסתגלות עצמית- ויכול להתאים באופן דינמי את פרמטרי הבקרה בהתאם למצב בפועל. זה יכול להגיב במהירות במצב יציב ויכול להתנגד להפרעות חיצוניות ולשינויים במערכת. בנוסף, לבקר PID יש גם מאפיינים של שליטה מדויקת ויציבות גבוהה, שיכולים לממש את השליטה המדויקת של המערכת.
III. סקירה כללית של בקר PWM
בקר PWM הוא אסטרטגיית בקרה השולטת ברמה הממוצעת של אות המוצא על ידי התאמת מחזור העבודה של הפולסים. הוא שולט בפלט הרצוי על ידי הפעלה וכיבוי מעת לעת של ספק הכוח, שליטה על היחס בין זמן המיתוג לזמן הכיבוי. בקרי PWM נמצאים בשימוש נרחב בתרחישי יישומים שבהם יש לדמות אותות מתמשכים, כגון בקרת מהירות מנוע DC, התאמת בהירות LED, מגברי שמע וכן הלאה.
עִקָרוֹן
העיקרון של בקר PWM הוא לשלוט על המתח והזרם במעגל על ידי שינוי רוחב הפולסים. באות PWM, הרמה הגבוהה נמשכת זמן רב יותר והרמה הנמוכה נמשכת קצר יותר, ובכך משנה את תפוקת ההספק במעגל. באופן ספציפי, כאשר אות PWM גבוה, המתג במעגל נפתח וזרם זורם דרך העומס; כאשר אות PWM נמוך, המתג נסגר והזרם מפסיק לזרום. לכן, על ידי שינוי היחס בין זמן ברמה גבוהה ונמוכה של אות PWM, ניתן לממש את השליטה במתח והזרם במעגל.
יישומים
בקרי PWM נמצאים בשימוש נפוץ בתרחישי יישומים שבהם יש לדמות אותות מתמשכים, כגון בקרת מהירות מנוע DC, התאמת בהירות LED ומגברי שמע. ביישומים אלה, בקרי PWM יכולים לשלוט במדויק על הרמה הממוצעת של אות המוצא על ידי התאמת מחזור העבודה של הפולסים, ובכך לממש שליטה מדויקת במכשיר.
מאפייני שליטה
בקר ה-PWM רגיש מאוד לתדירות מיתוג האות ולמחזור העבודה ויכול לשלוט במדויק על הרמה הממוצעת של הפלט. הוא יכול להגיב במהירות ולהתאים את הפלט, אבל אין לו יכולת הסתגלות עצמית-. היתרונות של בקר PWM הם פשוטים ואינטואיטיביים, קלים ליישום ובעלות נמוכה, מתאימים לכמה תרחישי יישומים שאינם דורשים דיוק בקרה גבוה.
IV. השוואה בין בקר PID ובקר PWM
השוואה עקרונית
בקר PID מבוסס על העיקרון של ויסות משוב של שגיאה, על ידי מדידת ההפרש בין ערך הפלט של האובייקט הנשלט לבין הערך הרצוי (כלומר, שגיאה), ולאחר מכן על פי תנאי הבקרה הפרופורציונליים, האינטגרליים והדיפרנציאליים על עיבוד השגיאות, הפלט של הבקר. בקר ה-PWM, לעומת זאת, שולט על המתח והזרם במעגל על ידי שינוי רוחב הפולסים כדי לממש את השליטה על הרמה הממוצעת של אות המוצא.
השוואת יישומים
בקרי PID מתאימים לתרחישי יישומים הדורשים בקרה ויציבות מדויקים, כגון בקרת טמפרטורה, בקרת מיקום, בקרת מהירות וכן הלאה. בקרי PWM נמצאים בשימוש נפוץ ביישומים הדורשים אותות רציפים אנלוגיים, כגון בקרת מהירות מנוע DC, התאמת בהירות LED, מגברי שמע וכן הלאה. מכיוון שלבקרי PWM אין יכולת הסתגלות, ייתכן שהם אינם מתאימים ביישומים מסוימים הדורשים דיוק בקרה גבוה.
השוואה בין מאפייני הבקרה
לבקר PID יש יכולת הסתגלות עצמית- ויכול להתאים באופן דינמי את פרמטרי הבקרה בהתאם למצב בפועל. הוא יכול להגיב במהירות במצב יציב והוא עמיד בפני הפרעות חיצוניות ושינויי מערכת. בנוסף, בקר PID מאופיין בשליטה מדויקת ויציבות גבוהה. בקר ה-PWM, לעומת זאת, רגיש מאוד לתדירות מיתוג האות ולמחזור העבודה, ויכול לשלוט במדויק על הרמה הממוצעת של הפלט. עם זאת, אין לו יכולת הסתגלות עצמית- ואינו יכול להתאים באופן דינמי את פרמטרי הבקרה בהתאם למצב בפועל של המערכת. לכן, עשויות להיות לו כמה מגבלות ביישומים מסוימים הדורשים דיוק בקרה גבוה.
V. מסקנה.
לסיכום, ישנם הבדלים משמעותיים בין בקר PID לבקר PWM מבחינת עיקרון, יישום, מאפייני בקרה וכו'. בקר PID מבוסס על עיקרון של ויסות משוב של שגיאה, המתאפיין ביכולת הסתגלות עצמית-, בקרה מדויקת ויציבות גבוהה, ומתאים לתרחישי יישום הדורשים בקרה ויציבות מדויקת. בקר ה-PWM, לעומת זאת, שולט ברמה הממוצעת של אות המוצא על ידי שינוי רוחב הפולס, שיש לו את היתרונות של היותו פשוט, אינטואיטיבי, קל ליישום ובעלות נמוכה, והוא מתאים לכמה תרחישי יישום שאינם דורשים דיוק בקרה גבוה. כאשר בוחרים באיזה בקר להשתמש, יש צורך לבצע שיקול דעת מקיף בהתאם לדרישות היישום הספציפיות ויעדי הבקרה.