Làm thế nào để thực hiện một bộ điều khiển nhiệt độ PID dựa trên phần mềm

1. Định nghĩa điều khiển PID dựa trên phần mềm

Điều hòa nhiệt độ chính xác là một yêu cầu cho một loạt các ứng dụng. Từ các thí nghiệm nhạy cảm trong phòng thí nghiệm yêu cầu sự ổn định microkelvin, đến các quá trình công nghiệp với dung sai chặt chẽ hoặc môi trường phức tạp đòi hỏi tính chất vật liệu phù hợp trong in 3D. Để đạt được và duy trì một cách chính xác hồ sơ nhiệt độ, cần có một chiến lược phức tạp. Trong số những phương pháp hiệu quả nhất có sẵn, thuật toán điều khiển PID (tỉ lệ-tích phân) nổi bật như là một kỹ thuật nền tảng. Phương pháp toán học, được thiết kế để giảm sự khác biệt giữa giá trị điểm đặt mong muốn và quá trình variable&#Giá trị thực tế 39; s là nền tảng của hầu hết các hệ thống kiểm soát nhiệt độ. Thông thường, mộtBộ điều khiển nhiệt độ PIDSử dụng phần cứng chuyên dụng, thường là một bộ vi xử lý, để thực hiện thuật toán và quản lý vòng điều khiển trong thời gian thực. Một giải pháp linh hoạt và mạnh mẽ hơn liên quan đến việc triển khai logic PID trong phần mềm chạy trên các máy tính có mục đích chung, các vi điều khiển chuyên dụng hoặc phần cứng được thiết kế đặc biệt cho các tác vụ máy tính. Bộ điều khiển nhiệt độ PID dựa trên phần mềm sử dụng sự linh hoạt và sức mạnh tính toán của phần mềm cho chức năng quản lý. Thuật toán PID được thực thi trên một bộ xử lý giao tiếp với các bộ cảm biến nhiệt độ và bộ truyền động thông qua các thông tin liên lạc kỹ thuật số. Điều khiển PID dựa trên phần mềm rất cần thiết cho các kỹ sư, nhà nghiên cứu và người có sở thích, những người muốn tự động hóa nhiệt độ tinh vi và thích nghi được. Hướng dẫn này khám phá các khía cạnh cơ bản của việc thực hiện một hệ thống kiểm soát nhiệt độ dựa trên phần mềm.

2. Các thành phần cốt lõi cho hệ thống phần mềm PID

Sự thành công của một hệ thống PID dựa trên phần mềm phụ thuộc vào aXie Tong (synergistic effort) giữa phần cứng và phần mềm logic thực thi thuật toán điều khiển nhiệt độ. Đầu tiên là bộ vi xử lý. Cái này &ot; brain" Của hệ thống thực hiện các phép tính PID. Trong các hệ thống như vậy, vi điều khiển thường được sử dụng, vì chúng cung cấp một sự cân bằng tốt sức mạnh tính toán, khả năng đầu vào/đầu ra và hiệu quả chi phí. Các nền tảng như Arduino, Raspberry PI và ESP32 là các nền tảng phổ biến để triển khai điều khiển PID. Họ nói:#39; RE đặc biệt phù hợp với các dự án có yêu cầu xử lý hạn chế hoặc yêu cầu chương trình dễ dàng. Chúng có thể bị giới hạn về tốc độ và độ phức tạp khi so sánh với các lựa chọn mạnh mẽ hơn. Một PC đa năng, hoặc máy chủ có thể cung cấp hiệu năng cao hơn. Các hệ thống này thường chạy trên môi trường phần mềm như MATLAB/Simulink (các thư viện sử dụng như SciPY, hoặc các gói điều khiển chuyên dụng cho PID), C + + hoặc nền tảng đồ họa, như LabVIEW. Chúng thường được trang bị các công cụ mô phỏng mạnh mẽ và hình dung phức tạp, làm cho chúng lý tưởng cho các hệ thống phức tạp, xử lý dữ liệu thông lượng cao, hoặc nghiên cứu. Ngoài ra, IT' S đáng đề cập rằng nhiều bộ điều khiển Logic có thể lập trình hiện đại hoặc hệ thống điều khiển phân tán kết hợp các nền tảng phần mềm mạnh mẽ cho phép triển khai và điều chỉnh thuật toán PID. Đây là một khía cạnh khác của kiểm soát phần cứng dựa trên phần mềm. Phần mềm phải thực hiện các tính toán nhanh chóng, bất kể nền tảng nào được chọn, đặc biệt là nếu bạn cần điều khiển thời gian thực.

Thứ hai, giao diện là rất quan trọng giữa cảm biến nhiệt độ và phần mềm. Độ phân giải ADC (ví dụ 10-bits, 12-bits, 16-bits) và tỷ lệ lấy mẫu là những gì xác định cách đo chính xác nhiệt độ. Ngoài ra, các cảm biến với đầu ra kỹ thuật số là một mã trực tiếp (như cảm biến DS18B20 trên 1-Wire) có thể đơn giản hóa giao diện bởi vì phần mềm sẽ có thể đọc nó. Điều hòa tín hiệu có thể là cần thiết trong tất cả các tình huống, ví dụ, để khuếch đại một cảm biến với cường độ tín hiệu thấp hoặc loại bỏ nhiễu từ ADC trước khi số hóa.

Thứ ba, giao diện để điều khiển các thiết bị chấp hành là rất cần thiết. Cần phải dịch phần mềm và#39; S Điều khiển đầu ra, thường dưới dạng điều chế độ rộng xung (PWM), thành một lệnh thực tế cho điều chỉnh nhiệt độ. Vi điều khiển hoặc máy tính tạo ra tín hiệu số có thể sử dụng kỹ thuật số để chuyển đổi Analog (DAC), tạo ra một điện áp tương tự phù hợp cho các thiết bị như Solid State Relays để chuyển mạch điện AC/DC, các yếu tố làm nóng tuyến tính tương tự. Các rông cơ học có thể bị mòn bởi các công tắc cơ học. SSR có thời gian chuyển đổi nhanh hơn và ít có khả năng bị mòn hơn. Phần mềm cũng có thể điều khiển một rơle gắn kết với một rơle công suất cao có thể chuyển nguồn sang máy sưởi hoặc bộ làm mát. Điều khiển trực tiếp sử dụng mục đích chung đầu vào/đầu ra (GPIO), chân và bóng bán dẫn như MOSFETs có thể được sử dụng cho các tải rất nhỏ. Logic phần mềm nên bao gồm tất cả các bước cần thiết để chuyển đổi tín hiệu PID thành tín hiệu điều khiển chính xác được sử dụng bởi thiết bị truyền động.

Các hệ thống dựa trên phần mềm hiện đại với PID thường bao gồm khả năng giao tiếp và mạng, mặc dù chúng không được yêu cầu nghiêm ngặt để kiểm soát cơ bản. Nó cho phép giám sát nhiệt độ từ xa, điều chỉnh các thông số hoặc điểm đặt, cũng như dữ liệu ghi nhiệt độ. Việc sử dụng các giao diện như USB để kết nối trực tiếp với máy tính, Ethernet để kết nối với một mạng hoặc giao thức không dây như Wi-Fi và Bluetooth để tạo điều kiện tương tác với người dùng từ xa hoặc để tích hợp vào các hệ thống điều khiển lớn hơn là có thể. Những kết nối này nâng cao tính tiện dụng và thực tiễn của các hệ thống dựa trên phần mềm, đặc biệt là trong các kịch bản như nghiên cứu, giám sát công nghiệp hoặc kiểm soát phân tán.

3. Môi trường phần mềm: Đặt nó lên bước đầu tiên trong việc triển khai các hệ thống PID dựa trên phần mềm là thiết lập nền tảng phần mềm.

Bước tiếp theo là cài đặt phần mềm. Bước đầu tiên là thiết lập môi trường phát triển tích hợp, hoặc IDE. Điều này cho phép bạn viết, biên dịch và tải mã lên cho nền tảng tùy chọn của bạn (ví dụ: Arduino IDE với PlatformIO, Visual Studio Code, MATLAB R202X với các phần mở rộng thích hợp, Python, với các thư viện liên quan). Việc cài đặt hệ điều hành và các khung hoặc thư viện cần thiết là rất quan trọng nếu bạn đang sử dụng PC. Ví dụ, việc cài đặt Python sẽ yêu cầu Python, cũng như các thư viện như numpy và Scipy. MATLAB cũng yêu cầu lắp đặt các hộp công cụ thích hợp. Điều quan trọng là phải đảm bảo rằng tất cả các trình điều khiển phần cứng (như kết nối USB cho máy tính và MCUs), được cài đặt chính xác. Giai đoạn chuẩn bị là nền tảng cho việc thực hiện PID và tích hợp hệ thống.

Mật mã PID là điều quan trọng nhất phải làm. Cách tiếp cận thuận tiện nhất đối với nhiều người dùng là sử dụng các thư viện PID hiện có, đặc biệt là những người mới tại lập trình hệ thống điều khiển. Có nhiều thư viện có sẵn trong các ngôn ngữ và nền tảng lập trình khác nhau. Chẳng hạn thư viện Pid Python cung cấp giao diện dễ sử dụng để hiện thực các bộ điều khiển PID. Arduino có nhiều bản phác thảo ví dụ chứng minh điều khiển PID. MATLAB/Simulink cung cấp các khối được xây dựng trước cho điều khiển PID trong hộp công cụ hệ thống điều khiển. Các thư viện này đơn giản hóa quá trình thực hiện bằng cách trừu tượng hóa nhiều chi tiết cấp dưới và cung cấp chức năng đáng tin cậy, kiểm tra. Những thư viện này mạnh mẽ nhưng thường yêu cầu người dùng cung cấp các đọc cảm biến, lệnh truyền động và các đầu vào khác. Mã PID tùy chỉnh thường được yêu cầu cho các nhu cầu phức tạp hơn hoặc để hiểu rõ hơn việc thực hiện. Nó liên quan đến cấu trúc của phần mềm để nó có thể đọc dữ liệu cảm biến, tính toán lỗi, sử dụng công thức PID cho đầu ra điều khiển và tạo ra tín hiệu. Mã hóa thủ công vòng lặp phức tạp hơn, nhưng cho phép tùy chỉnh hoàn chỉnh cho phần cứng và ứng dụng.

4. Thuật toán PID được cài đặt trong phần mềm

Các hệ thống PID dựa trên phần mềm cũng chỉ tốt như việc thực hiện chúng. Logic cơ bản của phương trình là đơn giản, mặc dù nó có vẻ phức tạp. Đây là công thức chuẩn thời gian rời rạc PID THAT' S thường được sử dụng để triển khai kỹ thuật số: Output (T).. Tín hiệu đầu ra sẽ được tính riêng biệt (ví dụ mỗi 10 mili giây). Đầu tiên, thuật ngữ tỷ lệ, hoặc P, trực tiếp đề cập đến sai số. Đây là sự khác biệt về nhiệt độ giữa điểm đặt và nhiệt độ đo được. Độ lợi tỷ lệ (Kp) xác định độ lớn của đáp ứng với sai số. Kp cao hơn có thể dẫn đến thời gian phản ứng nhanh hơn, nhưng quá nhiều nó có thể gây ra sự bất ổn. Thông thường, công thức là P_term = error * Kp. Tích phân (I) là số hạng thứ hai giải quyết các lỗi dai dẳng không thể được loại bỏ bằng tỷ lệ. Lỗi được tích phân (tổng hợp) theo thời gian bằng cách sử dụng công thức sau: I_term = error (t). Lợi tích phân (Ki) xác định tốc độ cộng thêm vào tổng và, do đó, đáp ứng của hệ thống trong trường hợp sai số trạng thái ổn định. Nếu sai số không được sửa, nó có thể làm cho số hạng tích phân lớn lên mãi mãi. Hiện tượng này được gọi là không thể tách rời theo chu kỳ. Nhiều triển khai phần mềm bao gồm các cơ chế ngăn chặn điều này xảy ra, như giới hạn giá trị tối đa của một khâu tích phân. Đạo hàm bậc ba (D) giúp dự đoán lỗi trong tương lai dựa trên tỷ lệ thay đổi. Sự giảm tốc độ này làm giảm dao động, và tăng sự ổn định. Kd là độ lợi phái sinh xác định mức độ nhạy của hệ thống đối với bất kỳ thay đổi nào trong lỗi. Kd được nhân với tốc độ thay đổi lỗi. Công thức có thể trông như D_term = (error (T), error (T-1),)/DT trong đó DT biểu diễn khoảng thời gian giữa các mẫu. Việc thực hiện thuật ngữ phái sinh là một quá trình tinh tế, vì các tính toán phái sinh thô rất nhạy cảm với tiếng ồn của cảm biến, có thể dẫn đến các hành động kiểm soát không thể đoán trước. Nó phổ biến để đề nghị các tính toán đạo hàm lọc (ví dụ như sử dụng trung bình trượt). Công thức này được thực hiện trong phần mềm bằng cách đọc giá trị lỗi, sau đó tính toán các thuật ngữ (P, I, D) bằng cách sử dụng lợi nhuận hiện tại (Kp. Em à. Kd), cộng chúng lại để thu được đầu ra cuối cùng và sử dụng đầu ra này để điều khiển bộ truyền động bên trong vòng lặp. Phần mềm phải quản lý các biến trạng thái cho cả tích phân (lịch sử tổng hợp) và các thuật ngữ phái sinh (giá trị lỗi trước).

Là một khái niệm về thời gian liên tục, thuật toán PID phải được sửa đổi để triển khai kỹ thuật số. Quá trình thích nghi này được gọi là sự rời rạc hóa. Phần mềm phải lấy mẫu dữ liệu hệ thống theo định kỳ. Các thuật toán PID sau đó hoạt động trên các mẫu rời rạc. Euler' phương pháp s là một trong những phương pháp đơn giản. Vòng lặp phần mềm là nền tảng cho việc triển khai. Bộ điều khiển thường thực hiện một vòng lặp đi lặp lại ở tỷ lệ lấy mẫu được xác định trước. Trong vòng lặp này, phần mềm tính toán lỗi, đọc giá trị cảm biến, tạo ra tín hiệu điều khiển, sau đó tính toán đầu ra PID. Vòng lặp cần đủ nhanh cho các hành động điều khiển cần thiết trong thời gian thực, rất quan trọng khi nó đi đến hoạt động ổn định. Phần mềm này thực hiện tất cả các chức năng đã được thực hiện trước đây bởi bộ điều khiển phần cứng.

Để phần mềm PID hoạt động chính xác, cần phải điều chỉnh một tập các thông số: độ lợi tỷ lệ (Kp), độ lợi vi phân (Kd), và độ lợi tích phân (Ki). Giá trị chính xác là rất quan trọng để đạt được hiệu suất mong muốn. Quá trình điều chỉnh bao gồm việc chọn các giá trị Kp, Kd và Ki thích hợp để giảm lỗi. Tùy thuộc vào người dùng và hệ thống để xác định phương pháp điều chỉnh nào họ sẽ sử dụng. Có rất nhiều phương pháp điều chỉnh thủ công, bao gồm các quy tắc Ziegler Nichols (mặc dù chúng có thể lý thuyết hơn) và phương pháp Heuristic nơi người dùng điều chỉnh thu được bằng cách quan sát đáp ứng hệ thống. Các quy tắc Ziegler Nichols là một cách để thực hiện ước tính ban đầu về lợi ích, dựa trên các đặc điểm hệ thống. Các quy tắc này có thể được ước lượng. Các phương pháp thực tế bao gồm điều chỉnh thủ công các thông số độ lợi tuần tự và quan sát cách chúng phản ứng với những thay đổi. Thông thường, độ lợi tỷ lệ (Kp), được điều chỉnh trước tiên. Tăng dần Kp cho đến khi bạn nhận được một hệ thống phản ứng nhanh nhưng không có dao động đáng kể. Nếu bạn muốn có thời gian đáp ứng tốt, hoặc có thể chấp nhận được quá mức, thì đây là mục tiêu bạn nên nhắm đến. Sau khi P đã được thiết lập, một số hạng tích phân được thêm vào (Ki). Bắt đầu với Ki = 0, hoặc giá trị thấp, tăng chậm cho đến khi bất kỳ sai số trong trạng thái ổn định nào bị loại bỏ (chênh lệch nhiệt độ giữa đo và điểm đặt dừng thay đổi). Tăng Ki chậm, bởi vì quá nhiều tăng có thể làm cho hệ thống dao động. Đạo hàm (Kd), sau đó được thêm vào. Bắt đầu với giá trị Kd thấp (thường bằng 0) và sau đó thực hiện các điều chỉnh nhỏ. Nó được thiết kế để giảm bất kỳ dao động nào gây ra bởi P hoặc I. Tăng Kd làm mịn phản ứng và giúp dự đoán thay đổi, nhưng quá nhiều có thể gây bất ổn hoặc làm chậm hệ thống xuống một cách không cần thiết.

Việc điều chỉnh tông không phải lúc nào cũng dễ dàng và đòi hỏi nhiều sự quan sát và kiểm thử. Ngay cả những thay đổi nhỏ trong các thông số cũng có thể tác động đáng kể đến hành vi của hệ thống. Dao động quá mức, dao động và phản ứng chậm là tất cả các vấn đề phổ biến. để đạt được một hệ thống điều chỉnh tốt#39; S quan trọng phải kiên nhẫn và thử nghiệm cẩn thận.

5. Tích hợp phần cứng và phần mềm

Để kiểm soát và giao tiếp phù hợp, điều quan trọng là lập trình phần cứng với phần mềm. Đọc sensor' s nhiệt độ dữ liệu là điều đầu tiên cần làm trong vòng lặp. Mã phải giao tiếp với thiết bị ngoại vi ADC để cấu hình nó đúng (độ phân giải và điện áp tham chiếu), sau đó đọc các giá trị thô. Giá trị thô này được chuyển đổi thành đơn vị nhiệt độ có ý nghĩa (ví dụ như Fahrenheit hoặc Celsius) bằng cách sử dụng các thông số hiệu chuẩn của cảm biến. Mật mã này sẽ đọc đầu ra của một bộ cảm biến số.

Sau đó, phần mềm sẽ tính toán lỗi. Đây là sự khác biệt đơn giản giữa nhiệt độ điểm đặt và nhiệt độ đo được. Lỗi này sau đó được sử dụng bởi khối PID để tính toán tín hiệu điều khiển đầu ra bằng cách sử dụng các giá trị độ lợi PID (Kp Ki Kd). Đầu ra PID thô có thể là điện áp, dòng điện hoặc chu kỳ làm việc PWM. Nó cũng có thể là tín hiệu số biểu thị trạng thái điều khiển. Đầu ra PID thô phải được chuyển đổi thành một bộ điều khiển truyền động. Ví dụ, mã hóa các tham số PWM nếu MỘT XÔ viết được điều khiển bởi PWM thông qua một MCU. Khi sử dụng chuyển tiếp, mã sẽ kiểm soát GPIO kết nối với mô-đun. Phần mềm phải đảm bảo rằng thiết bị truyền động được gắn vào đúng kênh đầu ra. Phần mềm phải quản lý thời gian cho vòng lặp. Vòng lặp sẽ chạy tại thời điểm lấy mẫu không đổi Ts thời gian của vòng điều khiển rất quan trọng cho việc điều khiển ổn định. Trong vòng lặp này, bộ điều khiển tính toán lỗi, tạo ra đầu ra PID và sau đó đọc cảm biến. Điều quan trọng là phải chọn thời gian lấy mẫu dựa trên cả phản ứng kiểm soát mong muốn và các đặc điểm giữa thiết bị truyền động và cảm biến.

Vòng lặp phần mềm có thể kiểm tra sự cố của cảm biến hoặc các vấn đề liên lạc giữa các thiết bị truyền động. Đây là một thủ tục xử lý lỗi đơn giản, nhưng nó có thể phức tạp tùy thuộc vào giao diện phần cứng được sử dụng. Điều quan trọng là phải cài đặt vòng lặp một cách chính xác.

6. Lợi ích của PID dựa trên phần mềm

Điều khiển PID dựa trên phần mềm cung cấp những lợi ích rõ rệt thu hút nhiều người dùng. Sự linh hoạt là lợi ích quan trọng nhất. Giao diện phần mềm cho phép điều chỉnh dễ dàng các thông số PID. Điểm đặt có thể được thay đổi động. Tính linh hoạt này rất cần thiết cho các hệ thống hoạt động trong nhiều môi trường khác nhau hoặc yêu cầu điều chỉnh thường xuyên. Một ưu điểm khác của nó là khả năng điều chỉnh. Phần mềm cho phép điều chỉnh lặp dựa trên quan sát. Phần mềm cũng tạo điều kiện ghi dữ liệu, cho phép theo dõi điểm đặt nhiệt độ theo thời gian. Những dữ liệu này là vô giá về mặt phân tích, giải quyết vấn đề và tối ưu hóa hiệu suất. Phần mềm có thể dễ dàng tích hợp với các công cụ trực quan cung cấp phản hồi thời gian thực. Các chức năng tiên tiến: phần mềm cho phép thực hiện các chiến lược điều khiển phức tạp vượt ra ngoài PID. Nó có thể tích hợp với các hệ thống khác như hệ thống giám sát và môi trường mô phỏng, trong khi kết hợp các tính năng như báo thức tiên tiến hoặc điều khiển trễ hysteresis. Phần mềm có thể thực hiện các tính toán nhanh hơn so với vi điều khiển và do đó cho phép nhiều thuật toán phức tạp hơn. Hiệu quả chi phí là có thể, ngay cả với một thiết lập phức tạp. Điều này có thể xảy ra cho các giải pháp tùy chỉnh, hoặc khi sử dụng phần cứng có sẵn sẵn, chẳng hạn như Arduinos và máy tính. A.

Cũng nên xem xét những nhược điểm. Giới hạn quan trọng nhất là sự hạn chế thời gian thực. Vòng lặp phần mềm phải có khả năng đáp ứng nhanh chóng với bất kỳ thay đổi nào đối với các biến quy trình. Vòng lặp trên vi điều khiển phải được chạy trong thời gian lấy mẫu và chu kỳ. Mã đó thiếu chữ viết, sử dụng nhiều tài nguyên hoặc chọn tỷ lệ lấy mẫu thấp