مقدمة عن ال PID

ان منظم الطيران (Flight Controller) هو العقل المفكر للدرونات ووحدة المعالجة فيه تستطيع القيام بعدد كبير من الحسابات لكي يستطيع تحديد القوة المطلوبة لتشغيل المحركات وبالتالي المراوح لتحريك الدرون بالشكل الذي يرغب فيه الطيار.

والمبدأ الاساسي الذي تعمل عليه منظمات الطيران الحديثة هو (proportional–integral–derivative) او باختصار ال PID وهي عبارة عن دورة متكررة من قراءة حساسات الطيران ومن ثم تطبيق ٣ معادلات حسابية عليها لحساب المطلوب تغييره في سرعة محركات الدرون لتوجيهه والتحكم في حركته.

ونظام ال PID ليس فقط نظام خاص بالدرونات وانما للتحكم في اغلب الاجهزة المنزلية الالكترونية او الصناعية او الروبوتات.

و من ابسط انظمة التحكم التي ربما مرت عليك سابقاً هي نظام الثرموستات في المكيفات. ففي المكيف تضع انت درجة الحرارة المطلوبة ويقوم الثرموستات بتشغيل الكومبرسر كلما دعت الحاجة بحيث يقلل درجة الحرارة الى المستوى المطلوب.

ان نظام ال PID مشابه جدا لهذا النظام لكنه مصمم لحل مسائل فيزيائية اكثر تعقيدا كما سنرى ادناه. والتحكم بالدرونات يتاثر بكثير من الامور الخارجية الفيزيائية والتي تتطلب حسابات من منظم الطيران للتعامل معها.

ماهي اهمية معرفة ال PID ؟

ان نظام ال PID يعمل تلقائيا لكن المشكلة في هذا النظام انه لا يعرف فعالية المحركات والمراوح وشكل الطائرة ووزنها. وكل درون سباق له مواصفاته المختلفة بحيث انه لايوجد عوامل ثابتة يمكن تطبيقها على جميع الدرونات.

ولو افترضنا ان كل الدرونات متشابهة فهناك مشكلة اخرى وهي ان كل طيار درون يحب ان يطير بطريقة مختلفة وله اسلوب مختلف في الطيران وهذا يتطلب تعامل مختلف من منظم الطيران.

تخيل ان عندك سيارة. كل سيارة يختلف وزنها وبالتالي تحتاج درجة مختلفة من قوة الكبح والتسارع. كذلك كل سائق يفضل قوة تسارع وتوقف مختلفة وهذا ايضا ينطبق على الدرون.

من هنا تاتي اهمية ال PID حيث لكل من هذه العمليات الحسابية الثلاث ثابت يمكّن طيار الدرون من زيادة او تقليل قوة الاوامر الحركية الناتجة من المعادلات بما يناسب مواصفات الدرون ومايناسب اسلوبه في الطيران.

من المهم في منظمات ال PID ان نعرف ان هذه المعادلات تعمل على كل محور من محاور حركة الدرون ويجب ان تعرف في اي محور تكمن المشكلة قبل ان تقوم بضبط ال tuning المناسب.

مثال على طريقة عمل ال PID في منظمات الطيران

لنفترض عندنا درون متوقف على سطح الارض وان المطلوب من الدرون ان يرتفع ١٠ متر. ماهي المعادلات الثلاث التي ستساعدنا للوصول للارتفاع المطلوب؟

العامل الأول P :
Proportional

ان معادلة ال P تعمل لحساب القوة المطلوب تطبيقها للوصول الى النتيجة المطلوبة بناء على الحاضر فقط

ومعامل ال P هذا يحدد القوة المطلوبة حتى ترتفع الدرون للارتفاع المطلوب بنسبة وتناسب مع بعد النقطة المطلوبة

تخيل الان ان الدرون وصل للنقطة المطلوبة. لذلك من الطبيعي ان تتوقف المحركات لان الهدف المطلوب تحقق. لكن المشكلة هنا ان الدرون سيسقط من مكانه بسبب الجاذبية. وسيضطر المحرك للعمل من جديد لرفع الدرون الى الاعلى. وهذا سيسبب تذبذب غير مرغوب به في الطيران.

ولو كان الدرون متجه للامام فاذا وصل وتوقف المحرك من الدفع سيستمر بالاندفاع للامام بسبب الزخم. لذلك وبناءاً على معادلات ال P يجب العودة الى الخلف.

ويسمى التغير الزائد في الارتفاع او المسافة المطلوبة بسبب القوى الفيزيائية (overshooting) .

هنا ياتي اهمية العامل الثاني.

العامل الثاني I :

Integral

ان معادلة ال I تعمل على دراسة الماضي حتى تصحح المشاكل الناتجة عن القوى الفيزيائية غير المتوقعة مثل الجاذبية والزخم فماذا تعمل؟

تقوم معادلة ال I بالاستفادة من الخطا السابق. مثلا في مثال الارتفاع يتعلم معالج منظم الطيران ان اطفاء المحرك اذا وصل للنقطة المطلوبة سيجعله يسقط من مكانه لذلك سيقرر انه من الافضل عدم اطفاء المحرك لتثبيه على ارتفاعه ومقاومة الجاذبية.

في حالة الحركة للامام سيفهم المنظم ان الاستمرار بالحركة الى اخر نقطة ليس مجدي وانه من الافضل الاستعداد لمقاومة الزخم – momentum بالتقليل من السرعة بوقت ابكر.

لتبسيط الفكرة لنعتبر ان معادلة ال I هي مانع للانزلاق تمنع الدرون من الخروج عن مساره بسبب الزخم والجاذبية والرياح وغيرها من القوى الفيزيائية. والمعامل سيحدد درجة الانزلاق المطلوبة.

العامل الثالث D :

Derivative

تقوم معادلة ال D على تحليل المستقبل

هذا العامل يجهز النظام لتقليل نسبة الخطا الناتجة عن زيادة قوة ال P وبالتالي زيادة دقة النتيجة المطلوبة عن طريق توقع المستقبل. ان معادلة ال D هي عبارة عن ممتص للصدمات وافضل مقارنة يمكن عملها لفهم معادلة ال D هو نظام تعليق السيارة (Suspension System) .

ففي انظمة التعليق في السيارة كلما كان النظام اكثر ليونة من المطلوب كلما زادت الاهتزازات بعد المنعطفات او عند التوقف (هل تذكرون كابريس ١٩٨٠م؟) . واذا كان النظام صلب جدا فيزيد الضعط على هيكل السيارة بل وممكن في اسوأ الحالات ان ترتفع بعض الاطارات عن الارض قليلا. لذلك فحسب وزن السيارة وسرعتها تحتاج الى درجة معينة من الليونة او الصلابة لكي تتوقف او تنعطف باقل درجة من الاهتزازات وبدون ضغط على الهيكل.

في عالم الدرونات اذا قمت باختيار القيمة الصحيحة لمعامل ال D ستقل نسبة الخطا والارتجاجات قبل الوصول للزاوية المطلوبة. لكن مشكلتها انه اذا كانت القيمة اعلى من اللازم فانها تضغط على المحرك وتقلل كفائته (وتعرضه للتلف بسبب الحرارة).

وقبل ان اختم احب ان اعرض عليكم مقطع فيديو اعتقد انه افضل فيديو يوضح الية العوامل الثلاثة في انظمة ال PID.

تحياتي

اترك رد

إملأ الحقول أدناه بالمعلومات المناسبة أو إضغط على إحدى الأيقونات لتسجيل الدخول:

شعار وردبرس.كوم

أنت تعلق بإستخدام حساب WordPress.com. تسجيل خروج   /  تغيير )

Google photo

أنت تعلق بإستخدام حساب Google. تسجيل خروج   /  تغيير )

صورة تويتر

أنت تعلق بإستخدام حساب Twitter. تسجيل خروج   /  تغيير )

Facebook photo

أنت تعلق بإستخدام حساب Facebook. تسجيل خروج   /  تغيير )

Connecting to %s