Làm thế nào để xây dựng một bộ điều khiển PID

1. Bộ điều khiển PID

Bộ điều khiển PID (Proportional-Integral-Derivative) là một hình thức thường được sử dụng của các hệ thống điều khiển công nghiệp, thường được tìm thấy trong các cơ chế phản hồi vòng điều khiển như bộ điều khiển PID. Chúng phục vụ để duy trì đầu ra mong muốn từ các hệ thống bằng cách giảm thiểu lỗi giữa điểm đặt và mức biến quá trình - thiết yếu khi kiểm soát nhiệt độ, áp suất, dòng chảy hoặc bất kỳ biến quy trình nào khác với độ chính xác. Bộ điều khiển PID đóng một vai trò thiết yếu trong việc giữ các hệ thống ở đầu ra mong muốn trong khi đáp ứng các yêu cầu điểm đặt không có lỗi giữa điểm đặt và các biến quá trình là mức biến điểm đặt là cần thiết. Bộ điều khiển PID hoạt động phần quan trọng của chúng khi yêu cầu điều khiển chính xác là cần thiết trên nhiệt độ, áp suất hoặc dòng chảy hoặc các biến quá trình khác với độ chính xác cần thiết khi kiểm soát nhiệt độ hoặc kiểm soát các biến quá trình khác yêu cầu độ chính xác như điều chỉnh nhiệt độ hoặc áp suất từ việc được thực hiện thông qua các cơ chế phản hồi điều khiển PID được tích hợp để điều khiển các cơ chế phản hồi vòng trong các hệ thống điều khiển công nghiệp nơi có nhiệt độ chính xác. Dòng chảy áp suất hoặc các biến quy trình khác yêu cầu các điều chỉnh chính xác dựa trên các điểm đặt được điều chỉnh so với các điểm đặt của chúng, với sai số tối thiểu giữa điểm đặt và các cài đặt biến quy trình là cần thiết khi chúng yêu cầu điều chỉnh tinh tế các cài đặt điểm đặt của chúng được duy trì trong khi vẫn còn trong độ chính xác điểm đặt khi kiểm soát nhiệt độ. Dòng chảy hoặc dòng chảy áp suất đòi hỏi các điều chỉnh chính xác từ trong các hệ thống vì điều này cho phép điểm đặt được giảm thiểu so với các điểm đặt của chúng với độ chính xác xác định trái ngược với các biến quy trình yêu cầu điều chỉnh chính xác phải nằm trong phạm vi cần thiết

2. Hiểu lý thuyết điều khiển PID

Lý thuyết điều khiển PID bao gồm ba yếu tố, tỷ lệ, tích phân và đạo hàm. Đầu ra tỷ lệ tương ứng trực tiếp với giá trị lỗi hiện tại trong khi tích phân tích các lỗi quá khứ theo thời gian để loại bỏ các lỗi trạng thái ổn định dư trong khi đạo hàm dự đoán các lỗi tương lai dựa trên các dự đoán lỗi tốc độ thay đổi để làm mịn đầu ra kiểm soát và tăng cường ổn định hệ thống. Về mặt toán học thì biểu thức PID sẽ trông như thế này:

$$Rov ở đây u (t) bằng K_p = K_i + u (t), với K_p là tỷ lệ lợi và tích phân K_i và lợi vi phân K_d tương ứng;$$Rov

3. Chọn các thành phần

Trước khi bắt đầu xây dựng một điều khiển PID, IT' S cần thiết để tập hợp các thành phần cần thiết: * Vi điều khiển: Chọn vi điều khiển Arduino hoặc Raspberry Pi vì điều này sẽ phục vụ như bộ não của bộ điều khiển PID.

* Các cảm biến: Chọn cảm biến để ghi lại chính xác các biến quá trình, chẳng hạn như các cảm biến nhiệt độ như cặp nhiệt điện hoặc RTDs hoặc cảm biến áp suất.

* Thiết bị chấp hành: Các thiết bị chấp hành chọn các thiết bị truyền động để điều chỉnh các biến quá trình, chẳng hạn như động cơ, máy sưởi hoặc van.

* Nguồn năng lượng: cung cấp năng lượng cho vi điều khiển và các thành phần khác một cách hiệu quả. Đảm bảo tồn tại nguồn năng lượng đáng tin cậy.

* Phần cứng bổ sung: Khi mua các mặt hàng phần cứng bổ sung như điện trở, tụ điện hoặc kết nối.

Thiết kế và lắp ráp các thiết kế và lắp ráp mạch là rất cần thiết để xây dựng một bộ điều khiển PID. Bắt đầu bằng việc vẽ ra sơ đồ mô tả tất cả các kết nối giữa vi điều khiển, cảm biến, thiết bị truyền động và nguồn điện; Đảm bảo tất cả các bộ phận được kết nối an toàn và tuân thủ các biện pháp phòng ngừa an toàn đối với hành lí, thiệt hại ngắn; Cuối cùng tập hợp trên bảng bánh mì hoặc bảng mạch in (PCB) để giải quyết vĩnh viễn.

4. Lập trình một bộ điều khiển PID

Lập trình bộ điều khiển PID liên quan đến việc viết thuật toán của nó và cài đặt nó trên một nền tảng vi điều khiển như Arduino hoặc Raspberry Pi sử dụng các ngôn ngữ lập trình như C + + cho Arduino hoặc Python cho Raspberry Pi, tương ứng. Nhiều nền tảng vi điều khiển cung cấp các thư viện PID làm cho việc thực hiện đơn giản hơn - ví dụ Arduino' Thư viện PID cung cấp các hàm để thiết lập các điều chỉnh ĐỘ lợi PID cũng như tính toán đầu ra dựa trên lỗi trong thời gian thực.

#Bao gồm / / xác định các biến PID là số đôi: điểm đặt, đầu vào và đầu ra được yêu cầu trong khi các giá trị Kd và Ki đôi (Kp = 2, Ki = 5 và Kd = 1) cũng phải được xác định để tạo myPID (& Input& đầu ra + Setpoint& Kikdd trực tiếp).| DIRECT).

Thiết lập bỏ trống (); Khởi tạo PID myPID.SetMode (tự động); Void Loop (bằng tiếng Anh). Dữ liệu cảm biến đọc bằng analogRead (A0); Tính toán đầu ra PID myPID.Compute ();

Và điều chỉnh thiết bị chấp hành theo đầu ra PID Điều khiển @anaLogWrite (9, đầu ra); Nói tóm lại| @anaLogWrite(9, Output); In summary

Điều chỉnh điều khiển PID điều chỉnh bộ điều khiển PID bao gồm điều chỉnh tỷ lệ, tích phân, và độ lợi phái sinh cho đến khi đạt được hiệu suất tối ưu. Có nhiều kỹ thuật điều chỉnh khác nhau như sử dụng phương pháp Ziegler-Nichols bao gồm việc thiết lập lợi ích dựa trên cách một hệ thống phản ứng với các đầu vào bước - Điều chỉnh thích hợp là rất quan trọng để ổn định và hiệu suất của hệ thống! Bắt đầu giá trị gia tăng nhỏ cho đến khi quan sát phản ứng của hệ thống trước khi tăng dần cho đến khi đạt được mục tiêu hiệu suất mong muốn của bạn.

5. Kiểm tra và hiệu chuẩn

Kiểm thử và hiệu chuẩn là những phần không thể thiếu để đảm bảo một bộ điều khiển PID hoạt động tối ưu. Tạo ra một môi trường bắt chước các điều kiện của quá trình thực tế; Tiến hành kiểm tra ban đầu trên bộ điều khiển; Xem xét kỹ năng thực hiện của nó để thực hiện các điều chỉnh cần thiết; Hiệu chuẩn cảm biến/thiết bị truyền động chính xác để đảm bảo các đo lường/hành động điều khiển chính xác, sau đó ghi lại toàn bộ quá trình này để tham khảo trong tương lai.

Bộ điều khiển PID có các ứng dụng giữa các ngành, từ sản xuất và chế biến thực phẩm đến HVAC (sưởi ấm, thông gió và điều hòa không khí). Bộ điều khiển PID giúp các nhà sản xuất duy trì kiểm soát nhiệt độ chính xác trong các quá trình như đúc nhựa hoặc xử lý Kim loại trong khi bộ xử lý thực phẩm sử dụng chúng để giữ cho nấu ăn và nhiệt độ khử trùng mong muốn phù hợp trong khi HVAC quy định nhiệt độ để thoải mái và hiệu quả năng lượng.

6. Khắc phục và duy trì

Điều khiển PID thông thường, bảo trì và gỡ rối là điều cần thiết để hoạt động tốt, bao gồm giám sát sự cố cảm biến, các vấn đề về dây và thiết lập độ lợi không chính xác. Kiểm tra tất cả các thành phần thường xuyên, thay thế bất kỳ bộ phận bị hao mòn ngay khi chúng được biết đến và cập nhật firmware khi áp dụng - cũng như tái chuẩn hóa thường xuyên để duy trì độ chính xác trong các bài đọc từ cảm biến/thiết bị truyền động để duy trì kết quả chính xác.