Thí nghiệm với bộ điều khiển PID để điều khiển nhiệt độ

Dữ liệu liên quan tới Meta tại Wikispecies Understanding Temperature Control with PID: A Step by Step Experimental Guide Description Meta: Learn PID Temperature Control using Hands-on experiments. Hướng dẫn này cung cấp lời giải thích chi tiết về lý thuyết, cấu hình, điều chỉnh (hướng dẫn Ziegler Nichols), kiểm thử và phân tích để giúp bạn học điều khiển quá trình.

1. Giới thiệu

Độ chính xácKiểm soát nhiệt độLà thiết yếu trong nhiều ngành công nghiệp và vì mục đích khoa học. Điều này rất quan trọng để duy trì chất lượng sản phẩm và tăng cường hiệu quả trong nhiều môi trường, từ chế biến thực phẩm và hóa học đến các thiết bị gia dụng và nghiên cứu trong phòng thí nghiệm. Trong số các chiến lược điều khiển hiệu quả và được sử dụng rộng rãi để đạt được mức độ chính xác và ổn định này là điều khiển tỷ lệ-tích phân (PID). PID Controller' s đầu ra được điều chỉnh động dựa trên sự khác biệt giữa một điểm đặt mong muốn (mục tiêu) và một biến quy trình thực tế. Điều này đạt được bằng cách kết hợp ba hành động kiểm soát khác nhau, cụ thể là tích phân tỷ lệ và đạo hàm. PID là một kỹ năng quan trọng để có cho bất kỳ kỹ sư hoặc kỹ thuật viên làm việc trong tự động hóa.

Siemens Step 7 là một nền tảng lập trình mạnh và nổi bật mà Siemens đã phát triển cho các bộ điều khiển Logic có thể lập trình của họ. Các PLC là các đơn vị xử lý cốt lõi của các hệ thống tự động hóa. Chúng thực hiện logic điều khiển, quản lý tín hiệu đầu vào/đầu ra và thực hiện các chức năng khác. Môi trường Bước 7 cung cấp một nền tảng tích hợp cho sự phát triển, cấu hình và triển khai các chiến lược điều khiển. Điều này bao gồm các bộ điều khiển PID. Hướng dẫn này nhằm cung cấp một lời giải thích từng bước một và toàn diện về cách thực hiện và thử nghiệm một hệ thống kiểm soát nhiệt độ dựa trên ĐƯỜNG kính. Toàn bộ quá trình sẽ được đi qua, từ lý thuyết nền tảng đến cấu hình phần cứng và phần mềm, điều chỉnh PID và kiểm thử thực tế. Thí nghiệm này nhằm mục đích cung cấp một sự hiểu biết thực tế và rõ ràng về điều khiển nhiệt độ PID, do đó công nghệ quan trọng nhưng phức tạp này có thể được hiểu. Thí nghiệm này sẽ mang lại cho người học những kinh nghiệm có giá trị trong điều khiển PID, điều chỉnh thực tế và làm thế nào để phân tích hiệu suất của hệ thống.

2. Lý thuyết nền: Điều khiển PID nhiệt độ

Điều quan trọng là phải hiểu các nguyên tắc cơ bản của PID khi chúng liên quan đến điều chỉnh nhiệt độ trước khi tiến hành. Hiểu cách hệ thống điều khiển PID#39; các thành phần S hoạt động trong một vòng lặp rất quan trọng để hiệu quả của nó.

Một vòng điều khiển phản hồi, tại cốt lõi của nó là một khái niệm tự động hóa. Vòng điều khiển phản hồi bao gồm một số yếu tố làm việc cùng nhau để giữ một biến trong một phạm vi cụ thể. Vòng lặp để kiểm soát nhiệt độ thường bao gồm một cảm biến đo nhiệt độ hiện tại (PV hoặc biến quá trình); Một bộ điều khiển chứa thuật toán PID; Một thiết bị chấp hành điều khiển nhiệt độ bằng cách làm nóng hoặc làm lạnh; Và một quá trình đại diện cho hệ thống thực tế (ví dụ như bồn tắm nước hoặc lò nướng). Bộ điều khiển so sánh liên tục nhiệt độ đo PV với điểm đặt mong muốn SP. Sai số là sự khác biệt giữa hai giá trị (E = PV - SP). Lỗi này sau đó được sử dụng để tính toán một tín hiệu đầu ra sẽ được gửi đến bộ chấp hành để thay đổi nhiệt độ.

Ba hoạt động điều khiển chính được tích hợp vào bộ điều khiển PID:

Điều khiển (P) tỷ lệ: Thành phần tạo ra một kết quả kiểm soát tỷ lệ thuận với sai số hiện tại. Nếu nhiệt độ giảm xuống 5 độ dưới điểm đặt thì P-action sẽ cung cấp một phần của công suất tối đa, theo tỷ lệ với chênh lệch 5 độ. Kp độ lợi tỷ lệ được sử dụng để xác định độ nhạy của đáp ứng. Giá trị Kp cao hơn dẫn đến đáp ứng mạnh hơn với sai số, có thể dẫn đến điều chỉnh nhanh hơn. Một giá trị Kp quá cao có thể làm cho hệ thống không ổn định, và làm cho nó dao động. Kp thấp có thể làm cho một hệ thống phản ứng chậm và có lỗi dai dẳng trong trạng thái ổn định, có nghĩa là nhiệt độ không bao giờ đạt đến mục tiêu của nó.

Tích phân điều khiển (I) : Thành phần tích phân này điều chỉnh sai số ở trạng thái ổn định thường bị bỏ lại phía sau bởi điều khiển tỷ lệ thuần túy. Thành phần nguyên sẽ tính toán lỗi tích lũy và sau đó điều chỉnh đầu ra phù hợp. Hành động tích phân tăng (hoặc giảm) kiểm soát đầu ra cho đến khi lỗi đã được loại bỏ. Hằng số thời gian tích phân Ti chi phối tốc độ của đáp ứng tích phân. Hằng số thời gian tích phân (Ti) nhỏ hơn, có nghĩa là thuật ngữ phát triển các hiệu ứng của nó nhanh hơn. Điều này giúp giảm thiểu những sai lầm nhỏ nhanh hơn. Những hành động quá tích cực có thể dẫn đến sự bất ổn. Điều này đặc biệt đúng khi một hành động bắt đầu hoặc khi hoàn cảnh thay đổi.

Đạo hàm điều khiển (D) : Thành phần dự đoán các sai sót trong tương lai bằng cách phân tích tốc độ sai số thay đổi. Thành phần đo lường tỷ lệ sai số tăng hoặc giảm và có hành động điều chỉnh tỷ lệ thuận với tỷ lệ đó. Bằng cách phản tác dụng thay đổi xảy ra nhanh chóng trong lỗi, hành động phái sinh có thể giúp làm giảm dao động. Hành động phái sinh cũng giúp cải thiện phản ứng ban đầu. Hằng số thời gian dẫn xuất (Td), ảnh hưởng đến sức mạnh của hành vi phái sinh. Khả năng dự đoán được nâng cao bởi Td lớn hơn, nhưng bộ điều khiển có thể nhạy hơn với nhiễu trong phép đo. Điều này có thể gây ra những thay đổi thất thường nếu việc điều chỉnh bộ điều khiển không được thực hiện một cách cẩn thận.

Phương trình này thường được sử dụng để biểu diễn đầu ra của một điều khiển PID.

Đầu ra = Kp * E + (Ki/Td) * E DT + Kd * dE/dt

Ở đâu:

Đầu ra sẽ gửi tín hiệu đến thiết bị truyền động.

E (SP-PV) là một lỗi.

Kp đại diện cho độ lợi theo tỷ lệ.

Ki đại diện cho lợi ích tích hợp.

Kd đại diện cho độ lợi dẫn xuất (thường được biểu thị là Td).

E Dt là sai số tích phân theo thời gian.

DE/DT là tỉ lệ thay đổi trong sai số.

Trong vô số ứng dụng, điều khiển PID được sử dụng để duy trì nhiệt độ chính xác, bao gồm hệ thống sưởi, tủ lạnh, lò và lồng ấp. Điều chỉnh là quá trình xác định giá trị tối ưu cho các thông số Kp, Kd và Ki. Các bộ điều khiển PID không được điều chỉnh đúng có thể có thời gian đáp ứng chậm, overshoot, trạng thái ổn định hoặc dao động nguy hiểm. Ziegler Nichols điều chỉnh liên quan đến việc xác định thời kỳ quan trọng và độ lợi của hệ thống. Việc điều chỉnh bằng tay dựa trên các quan sát và điều chỉnh các thông số dựa trên hành vi. Điều quan trọng là phải hiểu các cơ sở lý thuyết này để thiết kế và thực hiện một thí nghiệm kiểm soát nhiệt độ PID.

Thiết lập thí nghiệm

Đối với một cuộc thử nghiệm được lên kế hoạch tốt, điều quan trọng là xem xét giao thức an toàn, vật liệu và thiết bị liên quan. Phần này giải thích cấu hình và các bộ phận cần thiết để tiến hành thí nghiệm điều khiển nhiệt độ bằng bộ điều khiển PID.

Vật liệu và thiết bị cần thiết cho một thí nghiệm phụ thuộc vào mức độ phức tạp và nguồn lực của nó. Một thiết lập điển hình có thể bao gồm các yếu tố sau.

Điều khiển nhiệt độ bộ điều khiển nhiệt độ có thể là một mô-đun PID hoặc một PLC với PID được xây dựng trong. Bộ điều khiển này là bộ não của hệ thống và sẽ thực hiện thuật toán PID.

Cảm biến nhiệt độ: Cảm biến đo nhiệt độ. Các lựa chọn phổ biến nhất là cặp nhiệt điện, chẳng hạn như Type K hoặc Type J, máy dò nhiệt độ kháng, như PT100 và PT1000 hoặc thermistors. Sự chọn lọc dựa trên phạm vi nhiệt độ, độ chính xác và thời gian đáp ứng. Các cảm biến phải hoạt động với các kênh đầu vào trên bộ điều khiển.

Thiết bị chấp hành một thiết bị chấp hành là một thiết bị vật lý ảnh hưởng đến nhiệt độ của một tải. Các tùy chọn để làm nóng bao gồm các mô-đun Peltier có thể được sử dụng để làm nóng hoặc làm mát, hoặc các vales solenoid kiểm soát dòng chảy của nước nóng. Một Peltier hoặc quạt có thể được sử dụng để làm mát. Nó phải có công suất cần thiết để kiểm soát nhiệt độ của quá trình và được kiểm soát bởi tín hiệu đầu ra từ bộ điều khiển.

Nhiệt độ tải: Môi trường hoặc vật chứa được điều khiển bởi nhiệt độ. Một cốc nước hoặc bồn chứa, một khối được làm từ Kim loại, hoặc một thùng chứa rỗng là tất cả các ví dụ. Tải đại diện cho quá trình được điều khiển.

Nguồn cung cấp năng lượng: Nguồn cung cấp năng lượng đầy đủ phải được sử dụng để cấp nguồn cho thiết bị truyền động, cảm biến (nếu cần điện bên ngoài) và bộ điều khiển. Họ phải cung cấp điện áp phù hợp và đủ dòng điện cho mỗi linh kiện.

Thu thập/đo lường dữ liệu: các công cụ cần thiết để giám sát System' s Hiệu suất. Nhiều mét có thể được sử dụng để đo điện áp hoặc dòng điện hoặc phần mềm được kết nối với bộ điều khiển và cảm biến (ví dụ qua USB hoặc Ethernet), để ghi dữ liệu và hiển thị xu hướng. Bạn có thể sử dụng phần mềm như LabVIEW hoặc Python, với các thư viện liên quan (ví dụ như pySerial và Numpy), cũng như Step 7' s công cụ giám sát.

Phần mềm khi sử dụng PLC hoặc vi điều khiển, bạn sẽ cần môi trường phát triển phần mềm cần thiết để biên dịch và tải mã điều khiển của bạn lên. Ví dụ, bước 7 cung cấp các khối chức năng cho các điều khiển PID (FB41 và FB42), có thể được cấu hình trong môi trường phần mềm.

Các kết nối được thể hiện trong một sơ đồ khối đơn giản. Nó cho thấy cảm biến nhiệt độ được kết nối với một kênh đầu vào của bộ điều khiển, thiết bị truyền động kết nối với tải (thông qua kênh đầu ra), và cuối cùng bộ điều khiển kết nối với thiết bị truyền động. Nhiệt độ của tải được gọi là biến quá trình, điểm đặt được gọi là điểm đặt và đầu ra điều khiển được thao tác các biến mà là những gì ảnh hưởng đến thiết bị truyền động.

Bất kỳ thí nghiệm nào liên quan đến các thành phần điện hoặc thao tác nhiệt độ phải được thực hiện với sự an toàn trong tâm trí. Các biện pháp phòng ngừa an toàn là:

Các thủ tục khoá/Tagout (LOTOs) nên được tuân theo trước khi sửa đổi hoặc truy cập phần cứng.

Mang găng tay chống nhiệt, kính an toàn và thiết bị bảo vệ cá nhân khác.

Để ngăn chặn sốc điện hoặc mạch ngắn, đảm bảo rằng tất cả các kết nối và cáp điện được bảo đảm đúng cách.

Biết được nhiệt độ tối đa mà các thành phần và tải có thể đạt đến một cách an toàn và thực hiện các biện pháp phòng ngừa cần thiết (ví dụ như tắt máy ở nhiệt độ cao) nếu cần thiết.

Phải hiểu cách tắt hệ thống an toàn trong trường hợp khẩn cấp.

Quy trình

Quá trình này mô tả việc thực hiện và thử nghiệm từng bước một của hệ thống điều khiển nhiệt độ PID. Người đọc được hướng dẫn thông qua việc lắp ráp phần cứng và phần mềm, điều chỉnh của bộ điều khiển, cũng như kiểm thử.

Lắp ráp hệ thống: Bắt đầu bằng cách kết nối các thành phần với bộ điều khiển theo cấu hình đã chọn của bạn. Bộ cảm biến nhiệt độ phải được kết nối vật lý với đầu vào của bộ điều khiển, bộ truyền động phải được gắn vật lý vào đầu ra và nguồn cung cấp điện cần để đi đến tất cả các thành phần. Tất cả các kết nối phải được bảo mật và nối dây đúng cách. Ví dụ, nếu bạn đang sử dụng một bảng Arduino, hãy đảm bảo rằng cảm biến (thermistor hoặc khác) được kết nối với pin đầu vào analog và sau đó phần tử làm nóng với transistor/mosfet thích hợp và điện trở giới hạn dòng để pin đầu ra kỹ thuật số.

Cấu hình phần mềm

Môi trường phần mềm đã chọn sẽ mở (ví dụ: Bước 7, Arduino IDE hoặc Python). Các dự án hoặc không gian làm việc mới có thể được tạo ra.

Tạo cấu trúc dự án bằng cách sử dụng bước 7, sau đó thêm các ký hiệu cho các điểm đặt nhiệt độ, đầu vào cảm biến, thiết bị truyền động đặt, các thông số PID, (Kp Ki Kd) và cấu hình phần cứng.

Sau đó, thêm các khối hàm PID (ví dụ FB41 và FB42) vào chương trình. Thiết lập các thông số của nó như tín hiệu đầu vào và đầu ra kiểu, phạm vi, và vi phân (ví dụ 0-10V cho analog, 4-20mA hoặc 0-32000 số nguyên).

Thiết lập kênh cảm biến đầu vào để điện áp hoặc dòng điện được thu nhỏ đúng với giá trị nhiệt độ chính xác.

Thiết lập kênh đầu ra của bộ chấp hành tới giá trị PID được tính toán để khớp với phạm vi điện áp hoặc phạm vi dòng điện mà bộ chấp hành yêu cầu.

Phần mềm sẽ yêu cầu bạn nhập một giá trị như là điểm đặt nhiệt độ ban đầu. Nhiệt độ mục tiêu là thứ bạn muốn duy trì.

Kiểm thử ban đầu: thực hiện kiểm thử ban đầu sau khi cấu hình của phần mềm và phần cứng để xác minh rằng giao tiếp giữa hai người đang hoạt động.

Hãy kích hoạt hệ thống, đảm bảo rằng các biện pháp phòng ngừa an toàn đã được tuân thủ.

Đọc nhiệt độ hiển thị bằng tay. Nếu bạn đo nó với một đa kế, nhiệt độ đọc có khớp với nhiệt độ của cảm biến không?

Thiết lập đầu ra bằng tay (ví dụ, nếu bạn có thể, bằng cách gửi một điện áp hoặc cài đặt một chân lên cao/thấp). Bộ chấp hành sẽ đáp ứng sự mong đợi của quý vị.

Điều chỉnh giai đoạn PID: Trong giai đoạn này, các thông số PID (Kp) được thiết lập. Có hai cách thông thường:

Tính toán khoảng thời gian dao động và hiệu quả cuối cùng bằng cách sử dụng phương pháp Ziegler Nichols. Thiết lập độ lợi phái sinh (Kd), và độ lợi tích phân (Ki), thành không. Tăng dần độ lợi tỷ lệ (Kp), cho đến khi bạn thấy sự dao động của hệ thống với chu kỳ Pu. Đây là giá trị Ku. Ziegler Nichols có thể được sử dụng để ước lượng các giá trị ban đầu của Kp, Kd, và Ki (ví dụ Kp = 0, 6 * Ku, Kp/Ti = 2 * Ku, Kd = 0, 5 * Ku/Pu, và Kp = 0,125 * Ku, ví dụ). Ziegler Nichols làm việc tốt nhất trên hệ thống thứ nhất.

Điều chỉnh thủ công: Bắt đầu với các giá trị ban đầu của Kp, Kd và Ki. Những điều này có thể dựa trên quy tắc của kinh nghiệm hoặc kinh nghiệm trong quá khứ. Thay đổi điểm đặt trong một bước nhỏ (ví dụ, thay đổi nhiệt độ SP sang mục tiêu mới) và xem phản ứng của hệ thống. Đạt được thời gian phản hồi tốt mà không làm quá mức bằng cách điều chỉnh Kp. Giới thiệu Ki, bắt đầu với một giá trị thấp để giảm các lỗi trạng thái ổn định. Finaly, cộng Kd vào phương trình (bắt đầu với giá trị thấp), để giảm dao động. Nhiều lần, quá trình này yêu cầu lặp đi lặp lại.

Kiểm thử hệ thống: Sau khi điều chỉnh ban đầu, thực hiện các kiểm tra kỹ lưỡng hơn để đánh giá hiệu suất của hệ thống của bạn trong các điều kiện khác nhau.

Kiểm tra đáp ứng bước: thay đổi điểm đặt theo các bước (ví dụ: di chuyển từ 25degC lên đến 50degC). Phần mềm có thể được sử dụng để ghi lại nhiệt độ theo thời gian. Đo lường và quan sát các chỉ số hiệu suất chính, bao gồm: thời gian tăng, thời gian vượt đỉnh, thời gian ổn định và lỗi trạng thái ổn định.

Kiểm tra nhiễu động: tạo nhiễu loạn trong hệ thống. Ví dụ, nếu bạn đang dùng bồn nước nóng, hãy thay một lượng lớn bằng nước mát hoặc ngược lại. Hãy quan sát cách nó phản ứng. Lưu ý tốc độ nó đạt đến điểm đặt và nếu nó ổn định. Chú ý đến các dữ liệu phản hồi. Mô phỏng này mô phỏng một kịch bản thực tế nơi điều kiện quá trình có thể thay đổi đột ngột.

Ghi dữ liệu: giữ các bản ghi tỉ mỉ của tất cả các dữ liệu trong các giai đoạn điều chỉnh và thử nghiệm. Bao gồm các giá trị tham số PID (Kp Ki Kd) được chọn, các điểm đặt, đo nhiệt độ (bước và nhiễu), cũng như bất kỳ quan sát nào. Nó được khuyến cáo sử dụng các tính năng vẽ đồ thị của phần mềm để hiển thị bộ điều khiển và đầu ra nhiệt độ theo thời gian. Điều này cung cấp một hình ảnh biểu diễn tuyệt vời.

Phân tích và kết quả dữ liệu

Đề mục: Ghi lại dữ liệu, vẽ đồ thị, phân tích phản ứng bước (KPIs, Impact of Gains), phân tích phản ứng xáo trộn, thảo luận về trải nghiệm điều chỉnh.

Nội dung:

Để đánh giá PID Controller' hiệu suất và hiệu quả, số liệu thu thập được phải được phân loại và phân tích. Phần này được dành để diễn giải kết quả.

A. A.

Dữ liệu cần được trình bày một cách hệ thống. Các bảng có thể được tạo ra để theo dõi các thông số của PID (Kp Ki Kd), điểm đặt, phản ứng nhiệt độ (PV) cũng như đầu ra bộ điều khiển (MV). Sử dụng các tính năng xu hướng của phần mềm như Bước 7 Comfort và WinCC Comfort để tạo các đồ thị đồ họa hiển thị đường cong nhiệt độ và tín hiệu điều khiển.

B. B. trình bày các kết quả

Tạo ra những biểu đồ rõ ràng để minh họa rõ ràng hiệu quả của hệ thống của bạn. Trong một đồ thị phản ứng bước điển hình, nhiệt độ được vẽ (trục y-), theo thời gian (trục x). Để so sánh dễ dàng, bạn có thể vẽ biểu đồ cả phản ứng nhiệt độ và điểm đặt mong muốn trên cùng một đồ thị. Một đồ thị của phản ứng xáo trộn sẽ cho thấy sự thay đổi nhiệt độ theo thời gian. Hãy đảm bảo rìu và tiêu đề phản ánh chính xác thí nghiệm. Ví dụ: " phân tích bước: điều khiển nhiệt độ bằng bộ điều khiển PID điều khiển."

C. phân tích phản ứng từng bước một

Phân tích đáp ứng bước được sử dụng để đánh giá khả năng của hệ thống để nhanh chóng và chính xác đạt được điểm đặt. Hiệu suất được định lượng bằng cách sử dụng các chỉ số hiệu suất chính.

Thời gian tăng: thời gian đo nhiệt độ để đầu tiên đạt đến điểm đặt. Nói chung, thời gian tăng ngắn hơn cho thấy phản ứng nhanh hơn.

Độ lệch nhiệt độ tối đa từ điểm đặt. Quá mức có thể gây thiệt hại cho thiết bị hoặc quy trình.

Thời gian thiết lập: Một khoảng thời gian cần thiết để duy trì nhiệt độ trong phạm vi quy định của độ chịu đựng xung quanh điểm đặt. Hệ thống sẽ ổn định nhanh hơn nếu thời gian quyết định ngắn hơn.

Lỗi trạng thái ổn định: Chênh lệch giữa nhiệt độ cuối cùng và điểm đặt, sau khi hệ thống ổn định. Các lỗi nhỏ hơn cho thấy một bộ điều khiển tốt hơn.

Tính toán CÁC KPI sử dụng biểu đồ phản ứng bước. Thảo luận về những giá trị và cách chúng liên hệ với việc điều chỉnh. Phải chăng hệ thống được đặc trưng bởi thời gian tăng nhanh, sự vượt mức tối thiểu, và lỗi trạng thái ổn định thấp? Tác động của các thông số PID này lên KPI là gì? Ví dụ, việc tăng Kp có thể làm giảm các lỗi trạng thái ổn định nhưng làm tăng khả năng phóng đại. Hành động phái sinh (Kd), nếu nó xảy ra, có khả năng dao động giảm.

D. phân tích phản ứng với rối loạn:

Độ bền của hệ thống được kiểm tra trong phân tích này. Sau khi bị xáo trộn, nhiệt độ quay trở lại điểm đặt? Người ta tin rằng một hệ thống được thiết kế tốt có độ lệch thấp với phục hồi nhanh chóng. Thảo luận về kết quả và mối quan hệ của họ đối với quá trình điều chỉnh. Chiếc PID Controller& là gì#39; khả năng giảm thiểu nhiễu loạn?

E. Discussion on Tuning Experience (bằng tiếng Anh)

Hãy xem xét khía cạnh thực tế của việc điều chỉnh một bộ điều khiển PID. Mô tả quá trình điều chỉnh và bất kỳ khó khăn nào gặp phải. Liệu việc điều chỉnh thủ công là cần thiết hay là phương pháp Ziegler Nichols phù hợp với điểm khởi đầu? Điều chỉnh là một chủ đề hay để thảo luận