Bài viết về kiểm soát nhiệt độ với bộ điều khiển PID

I. giới thiệu

Và sau đó có thể áp dụNg chúng trong những thử thách của chính họ về kiểm soát nhiệt độ.

II. Ý tưởng và thiết kế dự án

Dự án này liên quan đến một số cân nhắc thiết kế quan trọng.

Trước tiên, điều quan trọng là phải xác định chính xác mục tiêu của kiểm soát. Quy định chính xác là gì? Có thể là nhiệt độ trong một cái bọc kín, nhỏ hoặc nhiệt độ ở thể lỏng bên trong bình. Hoặc thậm chí là nhiệt độ bề mặt của một linh kiện điện tử. Điều này là do bản chất của một biến được kiểm soát hoặc " LOAD", có một tác động đáng kể đến việc lựa chọn thiết kế thành phần và hệ thống.

Thứ hai, cần phải xác định phạm vi hoạt động mong muốn.

Quyết định thiết kế thứ ba là lựa chọn của thiết bị truyền động. Thiết bị này thêm hoặc loại bỏ nhiệt để đạt được nhiệt độ mong muốn. Điều quan trọng là thiết bị chấp hành được chọn tương thích với khả năng đầu ra của hệ thống điều khiển.

Bước thứ tư là lựa chọn bộ cảm biến nhiệt độ phù hợp. Các cảm biến phải có khả năng xác định chính xác nhiệt độ (hoặc điểm đại diện) của các biến đang được kiểm soát. Các loại phổ biến nhất là các cặp nhiệt điện, trong khi mạnh, có thể được sử dụng trong một loạt các điều kiện nhiệt độ. Tuy nhiên, chúng cung cấp độ chính xác thấp hơn. Máy dò nhiệt độ kháng thuốc, còn được gọi là RTDs, có độ chính xác cao hơn, ổn định và chính xác, đặc biệt là trên một phạm vi rộng hơn. Và thân nhiệt cho các ứng dụng đòi hỏi mức độ nhạy cao. Việc lựa chọn các loại này, cũng như các tùy chọn khác như bộ khuếch đại cặp nhiệt và mô-đun cảm biến tích hợp phụ thuộc vào một số yếu tố, bao gồm phạm vi nhiệt độ cần thiết, độ chính xác cần thiết, thời gian đáp ứng cần thiết, chi phí liên quan và sự dễ dàng mà mô-đun có thể được tích hợp vào bộ điều khiển. Trong dự án này, bạn nên chọn một loại cảm biến cụ thể, ví dụ như nhiệt kế NTC hoặc mô đun K-type, và có lý do để bạn lựa chọn.

Sơ đồ này giải thích cách mà bộ cảm biến đưa thông tin phản hồi cho bộ điều khiển. Nó cũng chứng minh cách bộ điều khiển sử dụng dữ liệu này và tạo ra tín hiệu đầu ra điều khiển thiết bị truyền động để ảnh hưởng đến nhiệt độ của tải.

III. Lựa chọn và tìm nguồn cung ứng linh kiện

Bước tiếp theo là xác định và lựa chọn phần cứng cần thiết. Để đảm bảo rằng không có gì bị bỏ qua trong quá trình mua sắm, một danh sách được tạo ra của tất cả các thành phần cần thiết. Các thành phần cốt lõi bao gồm một máy tính, còn được gọi là một vi điều khiển. Đây là động cơ chạy toàn bộ hệ thống. It' S thường được chọn để cân bằng giữa sức mạnh xử lý và ease-of-use, cùng với các cổng I/O có sẵn (ví dụ: các board Arduino như Uno, Nano hoặc Raspberry Pi, hoặc mô-đun ESP32). Một lựa chọn khác là module PID, tích hợp các thuật toán PID và cung cấp các tùy chọn giao diện đơn giản. Tuy nhiên, triển khai PID bằng cách sử dụng các thư viện trên một vi điều khiển cũng là một phương pháp giáo dục và khả thi.

Để có phản hồi chính xác, điều quan trọng là phải chọn cảm biến nhiệt độ phù hợp trong giai đoạn thiết kế. Cũng cần thiết để xác định bộ truyền động nhiệt độ. Đây có thể là một module Peltier hoặc lò sưởi điện trở. Người sở thích thường sử dụng các thiết bị chấp hành năng lượng tương đối thấp, nhưng họ vẫn phải có khả năng ảnh hưởng đến phạm vi nhiệt độ của tải trọng của họ. Các nguồn cung cấp năng lượng riêng cho vi điều khiển và cảm biến được yêu cầu để đảm bảo rằng mỗi thành phần nhận được điện áp và dòng điện phù hợp. Nếu các chân đầu ra của vi điều khiển không thể xử lý dòng điện rút ra bởi thiết bị truyền động, có thể yêu cầu một mô-đun chuyển tiếp. Danh sách này cũng bao gồm các thành phần cơ bản như nguyên mẫu breadboard, dây cáp nhảy cho kết nối, và có thể bao quanh hệ thống.

Để tìm ra các thành phần này, bạn cần xác định các nhà cung cấp đáng tin cậy. Adafruit Mouser Digi-Key hoặc Amazon đều là các nhà bán lẻ trực tuyến chuyên về các linh kiện điện tử. Thiết bị gốc có thể được tìm thấy trên trang web của nhà sản xuất.

Lắp đặt và lắp ráp phần cứng

Thiết lập phần cứng là giai đoạn chuyển các khái niệm thiết kế thành một cấu hình vật lý. Giai đoạn thiết lập phần cứng liên quan đến việc kết nối mỗi thành phần theo thiết kế của nó. Mỗi kết nối được đưa ra hướng dẫn chi tiết, nhấn mạnh vào việc tuân thủ các datasheets thành phần để tránh thiệt hại và đảm bảo độ tin cậy.

Đầu tiên, bộ cảm biến nhiệt độ được kết nối. Các chân đầu ra của cảm biến thường được kết nối với các chân đầu vào của module PID hoặc vi điều khiển (ví dụ VCC, GND và chân tín hiệu trong trường hợp của cảm biến analog hoặc chân tín hiệu với một chân kỹ thuật số). Đối với một số loại cảm biến và giao diện (như cảm biến kỹ thuật số giao tiếp qua I2C, SPI hoặc I2C), điện trở kéo hoặc điện trở có thể cần. Để đọc chính xác, điều quan trọng là phải sử dụng dây thần kinh chính xác.

Thiết bị chấp hành sẽ được nối tiếp. Điốt quay ngược có thể được sử dụng trên các thiết bị đầu nối của rơle nếu bạn đang lái các thiết bị cảm ứng như động cơ và rơle. Điều này sẽ bảo vệ pin đầu ra trên vi điều khiển từ gai.

Việc cấp năng lượng cho toàn bộ hệ thống đòi hỏi sự chú ý. Bộ vi điều khiển, cảm biến, thiết bị truyền động và mô-đun chuyển tiếp (nếu có) đều yêu cầu các mức điện áp khác nhau (ví dụ 5V, 3.3V, hoặc 12V, 24V, hoặc nhiều hơn nữa cho thiết bị chấp hành). Việc cung cấp điện phải phù hợp với yêu cầu của tất cả các thành phần và có thể cung cấp đủ dòng điện, đặc biệt là cho thiết bị truyền động. Các kết nối nên được thực hiện an toàn bằng cách sử dụng các đầu nối, khớp hàn hoặc cô lập chúng để tránh mạch ngắn. Đối với việc tạo mẫu ban đầu và sửa đổi dễ dàng, các breadboard có thể là một lựa chọn thuận tiện.

Phần mềm là bộ não của cơ thểĐiều khiển nhiệt độ PIDHệ thống, chuyển đổi dữ liệu cảm biến thành các hành động để điều khiển thiết bị chấp hành. Việc phát triển phần mềm này đòi hỏi nhiều bước. Nó bắt đầu với thiết lập môi trường phát triển. Các hướng dẫn cài đặt được bao gồm cho các công cụ phần mềm cần thiết.

Điều này là do thuật toán PID tự nó tạo nên phần lõi của chương trình. Mã cho các hàm dưới đây phải được viết.

Đọc dữ liệu cảm biến: thực hiện mã để đọc giá trị nhiệt độ từ cảm biến. Điều này có thể liên quan đến việc đọc điện áp tương tự (sử dụng analogRead () trên Arduino) hoặc đọc dữ liệu kỹ thuật số (sử dụng Wire.beginTransmission (), Wire.requestFrom (),... cho các cảm biến I2C).

Triển khai PID: tích hợp các phương trình PID trong mã. Mặc dù người ta có thể viết logic PID của chính họ, nhưng người mới học nên sử dụng thư viện như PID_v1. Nó xử lý tất cả các tính toán nội bộ và cung cấp tùy chọn cấu hình. Thư viện yêu cầu bạn phải xác định các kiểu độ lợi (Kp, Ki, Kd), điểm đặt nhiệt độ, cũng như phép đo đầu vào. Thư viện tính toán lỗi (chênh lệch trong các điểm đặt và đo đạc), sử dụng PID để xử lý sai số này, và sau đó ra một giá trị.

Tính toán tín hiệu đầu ra: Đầu ra thô từ các thư viện PID thường yêu cầu mở rộng hoặc giải thích. Ví dụ, nếu bạn đang sử dụng một relay nhiệt, có thể cần phải sử dụng tín hiệu PID để điều chỉnh chu kỳ làm việc trên một tín hiệu PWM. Nó cũng có thể đơn giản là một số kỹ thuật số (0 hoặc 1) kích hoạt relay. Đầu ra có thể là một số gửi đến DAC hoặc điều khiển trực tiếp PWM.

Điều khiển truyền động: Trong bước cuối cùng, tín hiệu đầu ra được sử dụng để điều khiển thiết bị truyền động. Các vi điều khiển có thể được điều khiển thông qua các chân đầu ra kỹ thuật số hoặc chân đầu ra analog cho PWM, cũng như một mô-đun chuyển tiếp.

Xử lý lỗi cơ bản bằng cách thực hiện xử lý lỗi đơn giản như kiểm tra những lỗi trong truyền thông cảm biến hoặc tình trạng của thiết bị truyền động, bạn có thể tăng độ bền của hệ thống.

Điều quan trọng là phải cung cấp cấu trúc hoàn chỉnh của mã, hoặc khuôn khổ tối thiểu. Điều này bao gồm tất cả các nhận xét giải thích chức năng và mục đích của các biến. Tạo cấu trúc mã để dễ đọc và bảo trì. Nếu bạn muốn bao gồm các chức năng hiển thị và giao diện người dùng (ví dụ như hiển thị các điểm đặt, nhiệt độ và PID trên MÀN hình LCD), sau đó sẽ có thêm các mã cần thiết cho sự giao thoa của module hiển thị, cũng như các nút xử lý đầu vào để thiết lập các điểm đặt.

VI. Quá trình điều chỉnh PID

Việc điều chỉnh chính xác các thông số PID (tỷ lệ (P), tích hợp (I) và dẫn xuất (D) rất quan trọng để đạt được điều khiển nhiệt độ hiệu quả. Trước khi điều chỉnh, điều quan trọng là phải hiểu các thông số ảnh hưởng đến hành vi của hệ thống như thế nào. Số hạng tỷ lệ (P), tác động trực tiếp đến đầu ra, tỷ lệ thuận với sai số. (Sự khác biệt giữa nhiệt độ đặt và nhiệt độ đo được). Nếu đặt giá trị cao hơn, toán hạng P sẽ phản ứng mạnh hơn đối với các lỗi. Tuy nhiên, nó có thể gây ra dao động hoặc bất ổn nếu quá cao. Trong khâu tích phân, các lỗi quá khứ được tích lũy theo thời gian. Điều chỉnh liên tục này được sử dụng để loại bỏ lỗi trạng thái ổn định. Hành động quá mức của tôi có thể gây ra dao động. Đạo hàm số (D), dự đoán sai số trong tương lai dựa trên các sai số hiện tại, giúp giảm các dao động, cải thiện thời gian đáp ứng của hệ thống và góp phần vào sự ổn định.

Có thể khó tìm được các giá trị P, I và D tốt nhất, thường đòi hỏi phải thử nghiệm và quan sát chặt chẽ. Mặc dù có các chương trình tune-up tự động có thể được tích hợp với các mô-đun PID và các bộ điều khiển khác, nhưng điều quan trọng là phải hiểu quá trình điều chỉnh thủ công. Ziegler-Nichols là một phương pháp phổ biến để xác định một hệ thống ' S tăng tối đa và thời gian đạp xe cuối cùng. Điều này liên quan đến tăng độ lợi tỷ lệ cho đến khi các dao động nhất quán trong biên độ. Dựa trên các công thức thực nghiệm, các giá trị này có thể được sử dụng để xác định giá trị ban đầu của P, I và D. Phương pháp này có thể khó sử dụng cho các dự án nhỏ hơn hoặc những người có ít khả năng dự đoán hơn.

Các kỹ thuật điều chỉnh thủ công thực tế cho dự án này thường hiệu quả và khả thi hơn. Điều phổ biến là bắt đầu với tỷ lệ. Bắt đầu với giá trị P thấp (ví dụ P = 1 và P = 0.1), sau đó quan sát cách hệ thống phản ứng khi bạn thay đổi điểm đặt. Tăng dần P cho đến khi bạn thấy hệ thống dao động. Điểm mà tại đó hệ thống bắt đầu dao động sẽ cho ta một ý tưởng về những gì bạn sẽ đạt được vào cuối cùng. Thay vào đó, bạn có thể bắt đầu bằng cách sử dụng P-value vừa phải và sau đó điều chỉnh nó theo quan sát của bạn. Sau khi tìm thấy một giá trị P để đáp ứng nhanh, không có dao động quá mức, ta có thể giới thiệu một số hạng tích phân. Đặt Ki ở giá trị thấp, ví dụ Ki = 0.1, và xem liệu nó có cải thiện khả năng của hệ thống để duy trì điểm đặt, loại bỏ sự trôi chậm. Nếu trôi tiếp, tăng Ki từ từ. Nhớ để mắt theo dõi những dao động mới. Thuật ngữ phái sinh có thể được thêm vào ở cuối. Đặt Kd ở giá trị thấp, ví dụ Kd = 0.01, và xem liệu giảm xóc cải thiện. Điều chỉnh lặp liên quan đến việc thay đổi một tham số một tại một thời điểm và quan sát cách hệ thống ứng xử. Sau đó, có những điều chỉnh khác nữa.

Điều quan trọng là tìm một hệ thống cân bằng đáp ứng nhanh chóng với những thay đổi trong điểm đặt. Mục đích là để hệ thống đạt đến điểm đặt mà không bị quá tải, duy trì nhiệt độ ổn định xung quanh điểm đặt và nhanh chóng phục hồi khỏi bất kỳ nhiễu nào. Có một số mẹo điều chỉnh, bao gồm bắt đầu với P và chuyển sang I và D, quan sát dao động, ghi đè và thời gian giải quyết, cũng như thực hiện những điều chỉnh nhỏ. Giá trị cuối cùng của P, I và D phải được lưu trong chương trình. Nếu vi điều khiển cho phép, lưu trữ không bay hơi cũng có thể được sử dụng.

VII. Kiểm tra và xác nhận hệ thống

Sau khi phần cứng đã được lắp ráp và các thông số PID đã được điều chỉnh, điều quan trọng là phải thử nghiệm hệ thống một cách chặt chẽ để đảm bảo hiệu suất là như mong đợi. Kiểm thử bắt đầu với những kiểm tra cơ bản. Bật hệ thống lên và kiểm tra xem vi điều khiển có chạy được chương trình không. Cũng xác nhận rằng các kiểm tra cảm biến và hiển thị là chính xác. Thậm chí nếu một Controller' s control signal đã được đặt ban đầu ở một mức cố định (ví dụ: hoàn toàn bật, tắt), kiểm tra xem thiết bị chấp hành có đáp ứng thích hợp hay không.

Để thực hiện kiểm thử chính, bạn cần thiết lập nhiệt độ mong muốn thông qua giao diện của hệ thống (ví dụ: một chiết áp hoặc thiết lập phần mềm nếu có sẵn). Hãy xem phản ứng của hệ thống khi nó cố gắng duy trì và đạt đến nhiệt độ này. Theo dõi nhiệt độ theo thời gian được thực hiện tốt nhất bằng cách sử dụng ghi nhật ký phần mềm và tính năng sắp xếp, nếu chúng có sẵn. Các chỉ số hiệu suất chính là thời gian tăng, đó là tốc độ đạt đến điểm đặt nhanh như thế nào. Đáp ứng lý tưởng là cho hệ thống tương đối nhanh, mịn, và duy trì nhiệt độ gần điểm đặt.

Hãy tạo ra những nhiễu loạn có kiểm soát để kiểm tra thêm sự mạnh mẽ của hệ thống của bạn. Nếu vỏ bọc được điều khiển bởi hệ thống, bạn có thể mở trong một thời gian ngắn để cho phép không khí mát vào và xem phản ứng của hệ thống. Nó có thể phát hiện sự sụt giảm nhiệt độ, và tăng sản lượng làm nóng nếu cần thiết để đưa nhiệt độ lên đến điểm đặt. Nếu bạn đang kiểm soát nhiệt độ ở thể lỏng, cho thêm chất lỏng vào và xem phản ứng.

Xem xét dữ liệu đã được ghi lại (ví dụ: đồ thị nhiệt độ so với thời gian). Có thể phân tích hiệu suất của hệ thống một cách chi tiết hơn, làm cho nó dễ dàng hơn để phát hiện bất kỳ vấn đề nào, như dao động liên tục hoặc phản hồi chậm, cũng như thất bại để đạt được điểm đặt. Các quan sát có thể yêu cầu điều chỉnh nhỏ trong tham số PID, nhưng điều chỉnh quan trọng nhất thường được dành riêng cho giai đoạn tune-up. Giai đoạn thử nghiệm tạo sự tự tin vào khả năng của hệ thống để duy trì nhiệt độ mong muốn trong các điều kiện khác nhau.

VIII. Kết luận dự án và tiếp tục khám phán

Việc thực hiện điều khiển nhiệt độ bằng cách sử dụng bộ điều khiển PID là một minh chứng của các nguyên tắc điều khiển cơ bản. Người đọc đã được hướng dẫn qua tất cả các giai đoạn chính: từ thiết kế và khái niệm ban đầu, đến lựa chọn linh kiện, lắp ráp phần cứng, phần mềm, điều chỉnh PID và kiểm thử hệ thống. Dự án này không chỉ cho phép các cá nhân xây dựng một hệ thống điều khiển nhiệt độ làm việc, mà còn thu được kinh nghiệm có giá trị áp dụng lý thuyết PID. Nếu việc điều chỉnh là đúng và các thành phần được chọn đúng, thì sự vận hành thành công của hệ thống này sẽ cung cấp một sự hiểu biết cụ thể về những khái niệm này.

Suy ngẫm về dự án IT' rất có thể bạn đã gặp phải những thử thách trên đường đi. Một số trong những thách thức này có thể đã gặp khó khăn với việc thu được các vấn đề điều chỉnh PID ổn định hoặc tích hợp cảm biến, cũng như các vấn đề xử lý liên quan đến kết nối phần cứng. Học cách vượt qua những thử thách ấy là điều rất quan trọng trong việc học hỏi. Trong nhiều trường hợp, các vấn đề phổ biến như dao động và phản ứng chậm chỉ ra sự cần thiết phải điều chỉnh PID xa hơn, có thể bằng cách thực hiện các điều chỉnh nhỏ hơn hoặc bắt đầu từ một điểm mới. Bằng cách giải quyết những vấn đề này, bạn có thể hiểu rõ hơn các nguyên tắc.

Có nhiều cơ hội để cải thiện và khám phá dự án. Môi trường được kiểm soát có thể được cải thiện bằng cách thêm nhiều cách nhiệt hơn, sẽ làm giảm sự căng thẳng trên thiết bị truyền động và cải thiện hiệu quả. Nâng cấp các cảm biến nhiệt độ chính xác hơn hoặc vi điều khiển độ phân giải cao hơn có thể cải thiện độ chính xác. Thực hiện các chiến lược điều khiển phức tạp như cascade hoặc