Điều khiển nhiệt độ sử dụng bộ điều khiển PID: Circuit Diagram & Explanation

I. giới thiệu

Kiểm soát nhiệt độĐộ chính xác là một đòi hỏi đối với vô số ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Khả năng điều chỉnh nhiệt độ chính xác là cần thiết cho một loạt các ứng dụng, từ việc duy trì điều kiện tối ưu trong các quy trình sản xuất công nghiệp đến các trung tâm dữ liệu và đảm bảo sự ổn định trong môi trường phòng thí nghiệm đến sự thoải mái và an toàn của các khu dân cư. Việc kiểm soát nhiệt độ kém có thể dẫn đến chất lượng sản phẩm bị giảm, thiết bị bị hư hỏng, sử dụng năng lượng quá mức và kết quả thí nghiệm bị thỏa hiệp. Trong số các phương pháp hiệu quả và được sử dụng rộng rãi nhất để kiểm soát nhiệt độ tinh vi là điều khiển tỉ lệ-tích phân (PID). Kỹ thuật này là một cách đáng tin cậy để duy trì một biến trong một hệ thống, như nhiệt độ, trong một giá trị điểm đặt. Mục đích của bài viết này là để giải thích các nguyên tắc cơ bản của PID khi chúng được áp dụng để kiểm soát nhiệt độ và cung cấp một sơ đồ mạch chi tiết làm nổi bật các thành phần chính và các liên kết.

II. Hiểu biết điều khiển PID cho nhiệt độ

A. Điều khiển PID là gì (thiết bị tích hợp có thể lập trình được)?

Điều khiển PID, đại diện cho tỷ lệ-tích phân-vi phân, đại diện cho một dạng cơ bản và rất phổ biến của vòng điều khiển phản hồi. Một vòng điều khiển bao gồm các thành phần liên kết với nhau làm việc cùng nhau để điều chỉnh một biến để phù hợp với điểm đặt được xác định trước. Vòng lặp này được điều khiển bởi bộ điều khiển PID, tính toán các hành động điều chỉnh dựa trên độ lệch giữa các biến thực tế và các giá trị mong muốn. Trong điều khiển nhiệt độ, mục tiêu chính của PID là giảm sai số này. Điều này sẽ cho phép phản ứng nhanh với bất kỳ sự xáo trộn nào và đạt được và duy trì nhiệt độ mong muốn.

B. ba thành phần (P, I và D) :

PID' S hiệu quả là do ba thành phần liên kết với nhau nhưng khác biệt mà mỗi thành phần giải quyết các khía cạnh khác nhau của lỗi theo thời gian. Điều quan trọng là phải hiểu được các thành phần này để có thể hiểu rõ tình trạng PID điều chỉnh nhiệt độ như thế nào.

1. Thuật ngữ tỷ lệ tạo ra một tín hiệu tỷ lệ thuận với độ lớn của sai số. Trong bối cảnh này, lỗi là sự khác biệt giữa nhiệt độ đặt mong muốn và nhiệt độ đo thực tế bởi cảm biến. Nếu E (t), lỗi phụ thuộc thời gian, được định nghĩa bằng toán học là ' P = Kp * e (t), ' Kp, ' Hằng số độ lợi, sau đó có thể được sử dụng để tính tỷ lệ đầu ra ' tr. Đầu ra tỷ lệ tăng với sai số lớn hơn, và ngược lại. Phản ứng ngay lập tức giúp khởi đầu sự sửa chữa và đưa nhiệt độ của hệ thống gần điểm đặt hơn. Nếu bạn chỉ phụ thuộc vào phản ứng tỷ lệ, nó có thể dẫn đến một lỗi trạng thái ổn định. Đây là một lỗi còn lại thậm chí sau khi hệ thống đã ổn định. Đầu ra của bộ điều khiển sẽ không đủ để loại bỏ hoàn toàn lỗi, nhưng chỉ đủ lớn để sửa. Tăng tỉ lệ có thể làm giảm sai số này, nhưng nếu nó được thiết lập quá cao có thể gây ra sự bất ổn hoặc dao động.

2. Tích hợp (I) :

Các số hạng tích phân có thể loại bỏ sai số ở trạng thái ổn định mà không thể loại bỏ bởi một mình các số hạng tỷ lệ. Số hạng tích phân tích hợp liên tục và tính tổng tích lũy của lỗi. Tích hợp đầu ra ' I, ' Thường tỷ lệ thuận với tích phân sai số trong một khoảng thời gian nhất định. Điều này thường được viết dưới dạng I = Ki * e (t), DT Where ' Ki, ' Là tích phân đạt được hằng số. Thời hạn thu được tích phân sẽ tích lũy nếu sai số tiếp tục trong bất kỳ khoảng thời gian nào. Hành động khắc phục này đẩy hệ thống đến gần điểm đặt hơn. Các lỗi trạng thái ổn định chủ yếu là ' Loại trừ#39; Theo thời gian của hành động này, đảm bảo rằng nhiệt độ hệ thống cuối cùng đạt được các giá trị mong muốn. Khâu tích phân là phản ứng chậm và có thể góp phần vào sự phóng đại khi không được điều chỉnh đúng cách.

3. Đạo hàm (D) :

Thuật ngữ phái sinh liên quan đến tốc độ mà lỗi thay đổi. Đạo hàm thời gian được tính toán, và dựa trên tỷ lệ lỗi hiện tại nó có thể dự đoán xu hướng trong tương lai. D thường tỉ lệ thay đổi tỷ lệ sai số, diễn đạt bằng D = Kd * de (T/DT), trong đó có " Kd" Là hằng số độ lợi vi phân. Thành phần phái sinh có thể rất hữu ích để cải thiện sự ổn định và dừng dao động và phóng đại. Thuật ngữ phái sinh, bằng cách điều chỉnh theo độ dốc, có thể thực hiện hành động khắc phục trước khi trở nên quá lớn. Điều này làm giảm phản ứng của hệ thống và đảm bảo sự hội tụ nhanh hơn, ổn định hơn về phía điểm đặt. Đây là một loại điều khiển Yu Jian Xing (dự đoán), giúp làm mịn sự thay đổi nhiệt độ.

C. Vòng điều khiển

Một hệ thống PID hoạt động trong một vòng phản hồi. Trình tự điển hình là: một cảm biến đo nhiệt độ chính xác trong hệ thống. Bộ cảm biến biến nhiệt độ vật lý thành một tín hiệu điện. Điều này thường là điện áp hoặc điện trở thay đổi. Các tín hiệu từ các cảm biến được truyền tới điều khiển PID. Nhiệt độ đo được (biến quá trình hoặc PV) trong bộ điều khiển được so sánh với nhiệt độ điểm đặt (SP) nhập bởi người dùng. Sự khác biệt này chính là sai lầm. (E = PV - SP). Các bộ điều khiển PID tính toán các thuật ngữ P, D và I sử dụng lỗi lịch sử này. Tổng hợp ba phần tử này tạo ra tín hiệu điều khiển đầu ra cuối cùng. Tín hiệu đầu ra được gửi bởi bộ điều khiển sau đó được truyền đến thiết bị chấp hành. Đây là một thiết bị có thể ảnh hưởng vật lý đến nhiệt độ của hệ thống (ví dụ: bật hoặc tắt máy sưởi, thay đổi tốc độ của quạt làm mát). Các hoạt động chấp hành thay đổi nhiệt độ của hệ thống. Vòng lặp đo lường sự thay đổi nhiệt độ và điều chỉnh thiết bị chấp hành cho phù hợp.

III. Biểu đồ của mạch kiểm soát nhiệt độ

A. Nhìn chung:

Sơ đồ mạch là những biểu diễn đồ họa của các thành phần điện tử trong hệ thống PID. Chúng cho thấy đường dẫn tín hiệu và kết nối chức năng. Sơ đồ mạch là một bản thiết kế giúp hiểu cách tất cả các yếu tố tương tác để đạt được sự kiểm soát nhiệt độ mong muốn. Việc thực hiện cụ thể có thể khác nhau tùy thuộc vào các thành phần được sử dụng (ví dụ: một bộ điều khiển analog PID so với một vi điều khiển), nhưng cấu trúc cơ bản giống nhau.

B. Thành phần quan trọng:

Sơ đồ mạch thường bao gồm một số thành phần mà mỗi thành phần đóng một vai trò trong việc kiểm soát quá trình.

1. Cảm biến nhiệt độ là thiết yếu cho việc xác định trạng thái hệ thống hiện tại. Các loại phổ biến nhất là các cặp nhiệt điện (RTDs) và nhiệt điện hệ số nhiệt âm (NTC). Cặp nhiệt điện tạo ra sự thay đổi điện áp tỉ lệ với nhiệt độ. RTDs thay đổi khả năng kháng với nhiệt độ. Và các nhà nghiên cứu nhiệt cho thấy một sự thay đổi điện trở lớn. Việc lựa chọn cảm biến dựa trên phạm vi nhiệt độ, độ chính xác và điều kiện môi trường. Điều hòa tín hiệu là cần thiết vì đầu ra từ cảm biến không thể được sử dụng trực tiếp bởi điều khiển PID.

2. Mạch điều hòa tín hiệu là một bước trung gian quan trọng để chuẩn bị tín hiệu đầu ra của cảm biến cho bộ điều khiển PID. Tín hiệu thô từ các cảm biến như cặp nhiệt điện và nhiệt điện có thể yếu, không tuyến tính hoặc nằm ngoài phạm vi điện áp/dòng điện bình thường. Mạch điều hòa tín hiệu thực hiện các chức năng cần thiết như khuếch đại tín hiệu (chuyển đổi sensor' s đáp ứng từ phi tuyến đến tuyến tính với nhiệt độ), lọc tiếng ồn và có thể chuyển đổi tín hiệu (từ điện áp sang dòng điện, hoặc ngược lại). Một bảng tra cứu, chuyển đổi kỹ thuật số, hoặc một mạch khuếch đại hoạt động có thể được sử dụng để đạt được tuyến tính hóa. Sau đó tín hiệu được trình bày theo định dạng chính xác, ổn định và tương thích cho điều khiển PID.

3. Bộ điều khiển PID (còn được gọi là bộ điều khiển PID) : Bộ não của hệ thống thực hiện các phép tính. Các đơn vị PID có thể được thực hiện bằng các phương pháp khác nhau. Một phương pháp phổ biến là sử dụng một vi điều khiển được trang bị các thư viện phần mềm (như Arduino, Raspberry Pi hoặc PLC chuyên dụng) để thực hiện thuật toán PID. Ngoài ra còn có các mạch điều khiển PID analog độc lập tích hợp tất cả các bộ khuếch đại thuật toán, mạch và các thành phần khác. Bộ điều khiển được đưa ra#39; S tín hiệu điều hòa (đại diện cho PV hoặc biến quá trình) cũng như nhiệt độ đặt mà người dùng đã xác định. Bộ điều khiển tính toán tích phân và các thuật ngữ đạo hàm tỷ lệ bằng cách sử dụng sai số và lịch sử tích lũy của nó (E = PV - SP). Đầu ra điều khiển cuối cùng thường là tín hiệu điện áp (ví dụ trong phạm vi 0-5V, 0-10V, hoặc 4-20mA) hoặc tín hiệu hiện tại (ví dụ giữa 0-20mA và 4-20mA).

4. Thiết bị chấp hành là một thiết bị chuyển đổi tín hiệu điện do PID điều khiển gửi đi thành các hoạt động vật lý ảnh hưởng đến nhiệt độ của hệ thống. Lựa chọn thiết bị chấp hành được dựa trên ứng dụng. Rơ le trạng thái rắn được sử dụng để chuyển đổi các yếu tố làm nóng và tải làm mát. Quạt động cơ cũng có thể được sử dụng để làm mát bằng khí nén. Các van Solenoid kiểm soát dòng chảy chất lỏng để sưởi ấm/làm mát hệ thống. Thiết bị chấp hành là thiết bị nhận và thực thi các lệnh. Nó có thể làm nóng, làm mát hoặc điều chỉnh nhiệt độ.

5. Mạch phải có nguồn cung cấp điện đáng tin cậy và đầy đủ. Cung cấp điện: Đơn vị chuyển đổi điện áp chính (ví dụ AC 230V), thành DC điện áp thấp (ví dụ + 5V (hoặc + 12V hoặc -12V), cho cảm biến, điều hòa tín hiệu, điều khiển PID, và có thể các thành phần giao diện người dùng.

6. Giao diện người dùng (tùy chọn nhưng phổ biến) :) thường được tích hợp để tạo điều kiện theo dõi và vận hành. Nó thường bao gồm các yếu tố như màn hình hiển thị, ví dụ như màn hình LCD, hiển thị nhiệt độ và điểm đặt cũng như tình trạng hệ thống. Các thiết bị đầu vào, như potentiometer, cho phép người dùng điều chỉnh thủ công các thông số PID.

C. biểu đồ giải thích:

Thử tưởng tượng xem một biểu đồ.

Các thành phần này có thể được thể hiện trực quan trong một sơ đồ khối đơn giản. Các khối chính của hệ thống sẽ được đại diện bởi các hộp hình chữ nhật: cảm biến nhiệt độ, mạch điều hòa tín hiệu, bộ điều khiển PID, bộ truyền động và nguồn cung cấp điện. Mũi tên chỉ hướng tín hiệu. Ví dụ, cảm biến sẽ hiển thị một mũi tên hướng về mạch điều hòa. Một bộ điều khiển PID sẽ nhận được một mũi tên từ mạch điều hòa, được dán nhãn &Quot; biến quá trình (PV). Đầu vào đặt cũng sẽ là mũi tên đi vào bộ điều khiển PID có nhãn " Setpoint" Bộ điều khiển PID sau đó sẽ gửi một mũi tên hướng về phía thiết bị truyền động có nhãn " điều khiển Output". Sau đó thiết bị truyền động sẽ hiển thị một mũi tên chỉ ra tác động của nó trên " quy trình " (môi trường điều khiển), và điều này sẽ phản hồi cảm biến nhiệt độ, đóng vòng lặp. Các mũi tên cung cấp điện sẽ kết nối với các khối cần thiết. Hệ thống phản hồi được thể hiện rõ trong hình ảnh này.

D. Tùy chọn) :

Hãy tìm một cách đơn giản để kiểm soát nhiệt độ nước trong bể bằng cách dùng một bộ phận sưởi. Nhiệt độ được đo bằng một cảm biến nhiệt độ, chẳng hạn như một RTD ngập trong nước. Tín hiệu RTD sau đó được gửi đến mạch điều hòa tín hiệu, tuyến tính hóa và chuyển đổi tín hiệu này thành điện áp 0-5V. Điện áp được điều hòa được gửi đến bộ điều khiển PID cùng với điện áp điểm đặt được xác định bởi người sử dụng. Bộ điều khiển này sẽ tính được đầu ra P, I và D. đầu ra của PID sẽ tăng nếu nhiệt độ nước thấp (lỗi > 0,) và một tiếp sức trạng thái rắn có thể được kích hoạt. SSR kích hoạt yếu tố làm nóng để đun nước. Các cảm biến đo nhiệt độ gia tăng của nước, dẫn đến một sai số thấp hơn được xử lý bởi bộ điều khiển PID. Bộ điều khiển PID làm giảm đầu ra khi nhiệt độ nước đạt đến điểm đặt. Điều này dẫn đến một lỗi 0 hoặc gần 0.

IV. Mạch điện (từng bước)

Như chỉ ra trong sơ đồ mạch dưới đây, hoạt động của hệ thống có thể được giải thích bằng một loạt các bước:

Đo nhiệt độ: Cảm biến nhiệt độ liên tục theo dõi nhiệt độ trong hệ thống (ví dụ như không khí bên trong phòng hoặc chất lỏng trong một bồn). Cảm biến tạo ra tín hiệu điện tương ứng với nhiệt độ đo được.

Mạch cho điều hoà tín hiệu: tín hiệu cảm biến thô được gửi đi qua mạch này. Mạch này tuyến tính hóa phản ứng của cảm biến để đảm bảo một mối quan hệ trực tiếp với nhiệt độ thực. Nó cũng lọc bất kỳ tiếng ồn điện nào và biến đổi đầu ra thành một định dạng tiêu chuẩn có thể được sử dụng bởi bộ điều khiển PID (ví dụ như điện áp 0-5VDC).

Tính toán lỗi: đầu vào nhiệt độ được điều hòa, đại diện cho PV (biến quá trình), vào bộ điều khiển PID. Người sử dụng ' s mong muốn nhiệt độ (điểm đặt) đồng thời được bơm vào bộ điều khiển PID. Lỗi (E), được tính toán bởi bộ điều khiển, là sự khác biệt giữa điểm đặt và biến quá trình.

Phép tính PID: Lỗi này được xử lý ngay lập tức bởi bộ điều khiển PID bằng các thuật toán riêng của nó. Bộ điều khiển PID tính toán tỷ lệ dựa trên sai số dòng. Sau đó nó tích hợp lỗi này theo thời gian, giải quyết bất kỳ bộ không liên tục nào (khâu tích phân), trước khi tính toán một khâu đạo hàm dựa trên tốc độ thay đổi. Tín hiệu điều khiển đầu ra cuối cùng được tạo ra bằng cách kết hợp ba thành phần này.

Tạo tín hiệu điều khiển: Tín hiệu điều khiển này được tạo ra bằng cách sử dụng thuật toán PID và được gửi bởi bộ điều khiển đến một bộ truyền động. Tín hiệu đầu ra thường trong một phạm vi nhất định (0-5V), và cho biết mức độ nóng, làm mát mong muốn hoặc hành động khác.

Hoạt động của thiết bị truyền động: nhận tín hiệu. Thiết bị truyền động sẽ kích hoạt máy sưởi nếu tín hiệu chỉ ra sự gia tăng nhiệt độ (ví dụ như một điện áp dương). Bộ truyền động có thể kích hoạt quạt làm mát hoặc tắt lò sưởi nếu tín hiệu đang giảm nhiệt độ.

Điều chỉnh nhiệt độ: Tác động của bộ chấp hành có ảnh hưởng trực tiếp đến nhiệt độ của quá trình. Hệ thống được nung nóng hoặc làm nguội.

Vòng lặp phản hồi: sau hành động của thiết bị truyền động, bộ cảm biến nhiệt độ sẽ đo nhiệt độ. Các biến quy trình được cập nhật dựa trên phép đo mới này.

Sự lặp lại: Bộ cảm biến này sẽ gửi nhiệt độ mới này đến mạch điều khiển PID, và nếu cần thiết đến hệ thống điều khiển tín hiệu. Trên cơ sở thông tin được cập nhật, bộ điều khiển tính toán lỗi E = SP - PV và điều chỉnh điều khiển đầu ra. Bộ truyền động nhận được tín hiệu mới của điều khiển và điều chỉnh hành động. Chu trình đo, tính toán, hành động và nhận thông tin phản hồi được lặp đi lặp lại liên tục. Điều này cho phép hệ thống phản ứng động với những thay đổi nhiệt độ và các xáo trộn khác.

A. tầm quan trọng của việc điều chỉnh:

Thuật toán PID là một bộ khung mạnh. Tuy nhiên, hiệu suất của hệ điều hành PID phụ thuộc vào các thông số của nó được điều chỉnh như thế nào: độ lợi tỷ lệ Kp, độ lợi tích phân Ki và độ lợi đạo hàm Kd. Bộ điều khiển sẽ đáp ứng các lỗi theo một cách nhất định dựa trên các tham số này. Hệ thống điều khiển nhiệt độ có thể thực hiện kém nếu nó không được điều chỉnh chính xác. Điều này có thể là do không đủ nhiệt/làm lạnh, thời gian đáp ứng chậm hoặc quá mức vượt quá điểm đặt. Hệ thống sẽ đáp ứng nhanh chóng và chính xác với nhiệt độ đã đặt. Nó cũng sẽ hoạt động trôi chảy và ổn định.

B. B. Các phương pháp điều chỉnh thông dụng:

Điều chỉnh PID là quá trình xác định các giá trị tốt nhất cho Ki, Kp và Kd. Có nhiều phương pháp, từ các quy tắc cơ bản của ngón tay cái đến các kỹ thuật phức tạp.

Ziegler và Nichols tuning là một phương pháp mà ' S thường được trích dẫn, có thể hữu ích để có được điểm khởi đầu tốt. Phương pháp này bắt đầu bằng cách xác định lợi ích quan trọng (Kc), và thời gian tới hạn (Tcp), cho một hệ thống. Độ lợi tới hạn (Kc) là độ lợi tối đa khiến cho phản ứng của hệ thống đối với một bước đầu vào trở nên không ổn định. Sau đó nó bắt đầu dao động ở một tần số không đổi. Thời gian tới hạn được định nghĩa là khoảng thời gian của một dao động khi đạt tới độ lợi tới hạn này. Ziegler và Nichols cung cấp các công thức thực nghiệm để ước lượng các giá trị tham số PID một khi các giá trị thực nghiệm này đã được xác định:

Để tính giá trị Kp cho điều khiển chỉ tỷ lệ (P) : Kp = 0.5 * Kc

Đối với một bộ điều khiển tích phân tỷ lệ (PI) : Kp 0.45 * Kc, Ki 0.83 * Kc/Tcp

Đối với bộ điều khiển tỉ lệ-tích phân (PID) : Kp 0.6 * Kc, Ki 2 * Kc/Tcp, Kd Kc * Tcp / 8

Giá trị ban đầu của các tham số có thể được điều chỉnh thủ công hoặc bằng cách sử dụng các phương pháp phức tạp hơn.

Điều chỉnh thủ công là một lựa chọn khác. Nó bao gồm việc theo dõi cẩn thận đáp ứng của hệ thống đối với các điều chỉnh nhỏ được thực hiện trong các thông số PID. Thông thường, quá trình bắt đầu với việc điều chỉnh Kp để có được một phản ứng ổn định nhưng nhanh chóng. Sau khi Kp đã được thiết lập ở một mức độ hợp lý, tích phân (Ki), sau đó được điều chỉnh để loại bỏ lỗi trạng thái ổn định. Đạo hàm (Kd), làm giảm dao động, sau đó được điều chỉnh. Phương pháp thử và sai số là một phương pháp đòi hỏi sự kiên nhẫn, và sự hiểu biết về động lực hệ thống.

C. C.

Không phải lúc nào cũng có thể xác định các giá trị chính xác cho Kp, Kd hoặc Ki được yêu cầu cho hiệu suất tốt nhất. Chúng phụ thuộc vào các đặc tính cụ thể của hệ thống. Việc điều chỉnh nhiệt bị ảnh hưởng bởi khối lượng nhiệt (bao nhiêu nhiệt phải được thêm vào hoặc lấy đi) của hệ thống, các hệ số truyền nhiệt và mức độ chính xác mong muốn. Hệ thống có khối lượng nhiệt cao có xu hướng chậm hơn và đòi hỏi độ lợi nhỏ hơn. Các hệ thống với thời gian đáp ứng nhanh có thể chịu được lợi ích lớn hơn. Việc điều chỉnh độ cao thường được yêu cầu nếu điều kiện hệ thống hoặc cấu hình thay đổi.

VI. Điều khiển PID trong các hệ thống nhiệt độ có nhiều ưu điểm

Bộ điều khiển PID là sự lựa chọn tốt nhất cho các nhiệm vụ điều khiển nhiệt độ bởi vì nó mang lại nhiều ưu điểm.

A. Các bộ điều khiển PID có thể đạt được mức độ chính xác rất cao trong việc kiểm soát nhiệt độ. Hệ thống có thể theo dõi và duy trì điểm đặt với độ lệch tối thiểu bằng cách sử dụng các thuật ngữ PID.

Độ ổn định B. : Đặc biệt, thuật ngữ phái sinh đóng một vai trò quan trọng trong việc cải thiện độ ổn định của vòng. Điều này giúp dự đoán các lỗi và thực hiện các hành động điều chỉnh trước, giảm dao động. Hệ thống sẽ phản ứng theo cùng một cách ngay cả khi nhiễu xảy ra hoặc nếu điểm đặt thay đổi.

C. Flexible: Thuật toán PID có thể được sử dụng để giải một loạt các bài toán liên quan đến điều khiển nhiệt độ, từ các hệ thống sưởi đơn giản ở nhà đến các quá trình công nghiệp đòi hỏi kiểm soát nhiệt độ nghiêm ngặt. Các thông số Kp, Ki và Kd có thể dễ dàng điều chỉnh cho hiệu suất tối ưu trong các điều kiện hoạt động khác nhau.