Bộ cảm biến nhiệt độ điều khiển PID

Tôi. I. giới thiệu

Trước sự ra đời của các thuật toán điều khiển tinh vi như PID (tỉ lệ-tích phân)., các phương pháp đơn giản hơn thường được sử dụng để điều chỉnh nhiệt độ. Đơn giản nhất là một hệ thống tắt mà bật máy sưởi khi nhiệt độ giảm xuống dưới ngưỡng, và tắt nó xuống khi ngưỡng được đáp ứng. Phương pháp này rất đơn giản, nhưng nó có thể dẫn đến sự biến đổi nhiệt độ lớn, dao động nhiều lần xung quanh điểm đặt. Hệ thống không thể phân biệt giữa các thay đổi nhiệt độ và các sai số của các độ lớn khác nhau. Nó chỉ phản ứng khi nhiệt độ qua một ranh giới đã định. Một phương pháp phức tạp hơn là kiểm soát tỷ lệ theo đó tỷ lệ nhiệt độ bị thay đổi liên quan đến độ lệch nhiệt độ từ mục tiêu. Phương pháp này có xu hướng sai số ổn định, có nghĩa là nhiệt độ đạt được ở cuối quá trình có thể thấp hơn điểm đặt một chút. Bộ sưởi phải chạy liên tục để bù đắp cho sai lầm này. Các phương pháp tiếp cận đơn giản hơn thiếu tinh tế và ổn định cho các ứng dụng đòi hỏi kiểm soát nhiệt độ chặt chẽ.

C. C. Giới thiệu điều khiển vòng kín: Một chiến lược mạnh mẽ cho điều khiển PID

Điều khiển PID nổi lên như một dung dịch hiệu quả và tinh vi để điều chỉnh nhiệt độ. Bộ điều khiển PID là chìa khóa trong điều khiển quá trình hiện đại và IT' s được sử dụng trên nhiều ngành vì tính linh hoạt và mạnh mẽ của nó. Hệ thống vòng kín là cơ sở cho hoạt động của nó. Điều này bao gồm việc liên tục đo lường các biến quá trình thực tế -- trong bối cảnh này, nhiệt độ -- so sánh nó với nhiệt độ đặt mong muốn, tính toán sai số giữa hai, và sau đó tạo ra một tín hiệu đầu ra hoạt động trên một bộ truyền động để giảm thiểu sai số này. PID' s " tỷ lệ al& quot;; " Integral" Và " Derivatives" Làm việc cùng nhau để thực hiện điều này, và cung cấp một mức điều khiển vượt xa các phương pháp đơn giản như on-off. PID là sự lựa chọn tốt nhất khi các ứng dụng đòi hỏi mức độ chính xác cao, độ ổn định và khả năng đáp ứng.

D. Cảm biến nhiệt độ: đầu vào cơ bản để điều khiển PID chính xác

Bộ cảm biến nhiệt độ là một thành phần quan trọng của bộ điều khiển PID. Cảm biến là phần tử cảm giác cơ bản cung cấp dữ liệu thời gian thực yêu cầu của bộ điều khiển. Sensor' s chức năng chính là chuyển đổi tính chất vật lý của năng lượng nhiệt -- nhiệt độ -- thành tín hiệu điện có thể được đo và xử lý bởi hệ thống điều khiển. PV hiện tại được đại diện bởi tín hiệu điện này. Nó có thể ở dạng biến đổi điện áp, thay đổi điện trở, tần số hoặc giá trị kỹ thuật số. Bộ điều khiển PID sẽ không thể thực hiện các phép tính mà không có một cảm biến nhiệt độ chính xác. Chất lượng, độ chính xác và ổn định có liên quan trực tiếp đến hiệu quả và hiệu suất của hệ thống PID. Chọn cảm biến nhiệt độ đúng, và đảm bảo nó được tích hợp chính xác là các bước quan trọng để thành công một hệ thống điều khiển nhiệt độ PID.

E. Mục đích của bài viết này là để giải thích mối quan hệ giữa cảm biến nhiệt độ và bộ điều khiển PID cho việc quản lý nhiệt hiệu quả.

Bài báo này#Mục tiêu chính của S là khám phá mối quan hệ giữa cảm biến nhiệt độ và bộ điều khiển PID. Mục tiêu của chúng ta là giải thích tại sao các cảm biến nhiệt độ là thiết yếu đối với các bộ điều khiển PID và chúng hoạt động cùng nhau như thế nào. Bài này sẽ giải thích những nguyên tắc cơ bản của PID, bao gồm các số hạng P, I và D. Bài này sẽ kiểm tra các cảm biến nhiệt độ khác nhau thường được sử dụng với các hệ thống điều khiển PID và thảo luận về những ưu điểm và những giới hạn của chúng. Bài viết cũng khám phá các thực tế của việc tích hợp các cảm biến nhiệt độ với các bộ điều khiển PID, bao gồm điều hòa tín hiệu, giao thức truyền thông và tính toán các biến quá trình (PV). Hiểu được sự tổng hợp này sẽ giúp người đọc hiểu rõ hơn về các chiến lược kiểm soát phức tạp được sử dụng trong các hệ thống quản lý nhiệt. Họ nói:#39; LL cũng được chuẩn bị hơn để thiết kế, cài đặt và khắc phục các hệ thống này.

II. Hiểu biết điều khiển PID cho điều hòa nhiệt độ

PID dựa trên ý tưởng về một vòng phản hồi điều khiển. Vòng lặp được tạo thành từ các thành phần liên kết với nhau làm việc cùng nhau để giữ cho biến quá trình, trong trường hợp này nhiệt độ, tại một điểm đặt. Cấu trúc cơ bản bao gồm: 1) Cảm biến: Đo nhiệt độ hiện tại, hoặc PV (biến quá trình), và chuyển đổi nó thành tín hiệu điện. Điểm mốc: Nó là mục tiêu hoặc nhiệt độ mong muốn theo định nghĩa của người dùng hoặc các quy trình. Điều khiển: Nó là thuật toán PID thực tế, có thể được thực hiện trong một bộ điều khiển công nghiệp chuyên dụng hoặc vi điều khiển. Bộ điều khiển nhận được các phép đo cảm biến (PV), so sánh chúng với các điểm đặt (SP), tính toán lỗi (E = SPD - PV), sau đó xác định một tín hiệu điều khiển thích hợp dựa trên các điều khoản PID. Thiết bị chấp hành. Khi nhận tín hiệu từ bộ điều khiển, thành phần này chuyển lệnh thành hành động vật lý sẽ ảnh hưởng đến biến quá trình. Các thiết bị truyền động trong một hệ thống điều khiển nhiệt độ thường là một thành phần sưởi ấm (như điện trở hoặc khối sưởi ấm) được điều khiển bằng cách điều chỉnh công suất hoặc yếu tố làm mát. Đầu ra này sau đó ảnh hưởng đến nhiệt độ được đo bằng các cảm biến. Vòng khép kín - các đo lường của cảm biến - & GT; Tính sai -> Controller tính toán -> Thiết bị chấp hành phản ứng -> Nhiệt độ thay đổi -> Được đo lại bằng cảm biến - tạo thành một chu trình liên tục, tự điều chỉnh.

1. Tỷ lệ: Đáp ứng với lỗi hiện tại (sự khác biệt trong điểm đặt và biến quá trình).

Thuật ngữ này tạo ra một kết quả kiểm soát tỷ lệ thuận với sai số hiện tại giữa điểm đặt (SP) và các biến quá trình (PV). Nó có thể được biểu diễn bằng toán học như đầu ra p_= Kp * E, trong đó Kp đại diện cho hằng số lợi nhuận tỷ lệ. Thuật ngữ tỷ lệ là System' S Phản ứng khi phát hiện nhiệt độ hiện tại cách điểm đặt bao xa. Tín hiệu điều khiển mạnh hơn khi sai số lớn hơn. Điều này báo hiệu một nỗ lực mạnh mẽ hơn để đưa nhiệt độ đến gần điểm mong muốn hơn. Nếu nhiệt độ của căn phòng thấp hơn mong muốn, đầu ra sẽ lớn và có thể được yêu cầu sưởi ấm nhiều hơn. Ngược lại, khi nhiệt độ gần điểm đặt mong muốn, hiệu suất tỷ lệ là nhỏ. Mặc dù điều khiển tỷ lệ là một đáp ứng cần thiết và ban đầu, nó có thể dẫn đến các sai số ổn định. Hệ thống có thể giải quyết khỏi điểm đặt chính xác của nó theo thời gian vì nỗ lực kiểm soát không đầy đủ.

Fu Zhi Dai Ma 2 (Bằng tiếng Anh). * * tích phân) : * * Loại bỏ các lỗi trạng thái không đổi theo thời gian. Khái niệm tích phân giải quyết các lỗi trạng thái ổn định có thể được để lại mà không được sửa chữa bởi tỷ lệ. Điều này được thực hiện bằng cách cộng các lỗi theo thời gian, và sau đó nhận một sửa dựa trên giá trị đó. It' s được biểu diễn bằng toán học đầu ra i_= E dt * Ki, trong đó E DT là sai số tích phân của thời gian. Khâu tích phân bổ sung vào đầu ra của bộ điều khiển miễn là có lỗi, bất kể nhỏ đến đâu. Phép cộng không đổi làm cho thiết bị truyền động thực hiện các điều chỉnh liên tục (ví dụ như tăng nhẹ nhiệt độ), cho đến khi lỗi đã được loại bỏ. Điều hữu ích là bù đắp cho sự trôi và rối loạn trong một thời gian dài mà các điều kiện tỉ lệ có thể không thể vượt qua được. Nếu số hạng tích phân trở nên quá lớn, điều này có thể gây ra dao động và bất ổn, đặc biệt nếu có sự thay đổi nhanh trong sai số. 3. * * dẫn xuất (D) : * * Dự đoán các lỗi trong tương lai dựa trên tỷ lệ thay đổi. Đạo hàm là một thành phần dự đoán hành động. Thuật ngữ phái sinh tính toán tỷ lệ thay đổi lỗi (dE/DT), và sau đó sử dụng thông tin đó để dự đoán lỗi trong tương lai. It' s được biểu diễn bằng toán học đầu ra d_= dE/dt * Kd, trong đó Kd đại diện cho hằng số lợi nhuận phái sinh. Nó làm giảm đáp ứng của hệ thống, đặc biệt là khi lỗi thay đổi nhanh chóng. Sản lượng phái sinh sẽ âm nếu nhiệt độ tăng nhanh và hệ thống ở bên bờ của việc bắn quá điểm đặt. Điều này giúp ngăn chặn sự cường điệu. Trong trường hợp ngược lại, nếu nhiệt độ giảm nhanh chóng, đạo hàm sẽ tạo ra kết quả tích cực, khuyến khích sự nóng lên để trả lại nhanh hơn. Hành động dự báo này cải thiện thời gian đáp ứng, ổn định hệ thống và giảm overshoot và undershoot. Độ lợi đạo hàm phải được điều chỉnh cẩn thận, vì đạo hàm quá nhiều có thể gây nhiễu để đi vào tín hiệu điều khiển.

C. PID cải thiện kiểm soát nhiệt độ: độ chính xác, độ ổn định và thời gian đáp ứng nhanh hơn so với các phương pháp cơ bản.

Bộ điều khiển PID cung cấp nhiều lợi thế cho các phương pháp điều khiển nhiệt độ khác, chẳng hạn như điều khiển tỷ lệ on-off và cơ bản, đặc biệt là khi độ chính xác, khả năng đáp ứng và độ ổn định là quan trọng. Kết hợp các số hạng P, I và D cho phép bộ điều khiển đáp ứng thích hợp Hiện tại Nhiệt độ, để điều chỉnh Trước đây Những sai lầm thông qua hội nhập và hội nhập Tiên đoán Các xu hướng tương lai sử dụng sự khác biệt. Sức mạnh tổng hợp có một số lợi ích.

Đầu tiên, Tăng độ chính xác Có thể đạt được bằng tích phân. Nó loại bỏ các lỗi ở trạng thái ổn định thường không được giải quyết bằng các phương pháp đơn giản hơn. Thuật ngữ phái sinh làm giảm dao động, ngăn chặn sự phóng đại, và cải thiện Sự ổn định, đặc biệt là trong các tình huống tải trọng hoặc thay đổi sự xáo trộn. Thời gian đáp ứng nhanh hơn Thường có thể, bởi vì bộ điều khiển có thể điều chỉnh tích cực (độ lợi P cao hơn), trong khi vẫn duy trì sự ổn định (D-term). Hệ thống PID cũng mạnh và có thể được sử dụng trong một loạt các điều kiện. Điều này làm cho nó lý tưởng cho các quá trình năng động, trong đó nhu cầu sưởi ấm có thể thay đổi. PID là điều khiển ưa thích cho các ứng dụng đòi hỏi độ chính xác và độ tin cậy.

D. Các thông số quan trọng: lỗi (đầu ra), điểm đặt, quá trình biến (PV),

Điều quan trọng là phải hiểu được các thuật ngữ được sử dụng trong hệ thống điều khiển vòng PID nếu bạn muốn nắm rõ nó hoạt động như thế nào. Các thông số chính bao gồm:

· điểm mốc: Điểm đặt là nhiệt độ mà hệ thống nhằm duy trì. Đây là nhiệt độ cố định được thiết lập bởi một toán tử hoặc một quá trình logic.

• Biến quá trình (PV), : Đây là nhiệt độ đo được thu được bằng cảm biến nhiệt độ. Bộ điều khiển PID liên tục giám sát giá trị đầu vào.

· lỗi: Số lượng cơ bản được tính bởi bộ điều khiển. Sai số (E) là sự khác biệt giữa điểm đặt và biến quá trình. Sai số dương cho thấy nhiệt độ thực sự thấp hơn điểm đặt. Sai số âm bản là ngược lại. Sai số 0 giống nhau.

• Bộ điều khiển đầu ra: Tín hiệu được tạo bằng thuật toán PID dựa trên các số hạng được tính toán, P, I và D. Tín hiệu đầu ra sẽ được gửi tới bộ chấp hành. Output& này#39; S Nature (Điện áp hoặc dòng điện) phụ thuộc vào cách bộ điều khiển và bộ truyền động được cấu hình. Đầu ra này thường là một chu kỳ làm việc trong các hệ thống Arduino sử dụng PWM.

III. Vai trò quan trọng của cảm biến nhiệt độ là gì?

A. Chức năng của cảm biến nhiệt là chuyển đổi năng lượng nhiệt (nhiệt độ) thành tín hiệu điện có thể được sử dụng. )

Bất kỳ nhiệt độ nào, thưa ông#39; chức năng chính của S là chuyển đổi tính chất nhiệt vật lý của xung quanh nó thành tín hiệu điện. Việc chuyển đổi có thể được thực hiện theo nhiều cách khác nhau. Ví dụ, RTDs và thermistor, tạo ra các thay đổi điện trở có thể được đo bằng cầu Wheatstone. Một số cảm biến tạo ra một điện áp biến đổi thay đổi theo nhiệt độ. Tùy thuộc vào nhiệt độ, một số cảm biến như cặp nhiệt điện tạo ra điện áp ở điểm tiếp xúc giữa hai Kim loại. Một số cảm biến kỹ thuật số ra tín hiệu tần số (ví dụ như một số RTDs hoặc DS18B20), trong khi những người khác cung cấp một từ ở định dạng kỹ thuật số đại diện cho nhiệt độ. Dữ liệu nhiệt này không thể được sử dụng trực tiếp bởi bộ điều khiển PID. Nó yêu cầu một đầu ra điện, mà sau đó nó xử lý (ví dụ thông qua ADCs cho cảm biến analog), để có được một giá trị số (PV) đại diện cho nhiệt độ.

B. Tầm quan trọng của phép đo chính xác: Tác động trực tiếp đến hiệu suất PID (tính toán PID phụ thuộc vào đầu vào chính xác).

Các cảm biến nhiệt độ có tác động đến hiệu suất hệ thống tổng thể. Thuật toán PID dựa trên PV để xác định lỗi và sau đó tính E = SP - PV. Bất kỳ tiếng ồn hoặc thiếu chính xác nào do bộ cảm biến nhiệt độ đưa ra sẽ được khuếch đại. Bộ điều khiển PID sẽ thực hiện các điều chỉnh sai nếu cảm biến thường xuyên báo cáo một lần đọc hơi cao hơn hoặc thấp hơn. Điều này dẫn đến một hệ thống được kiểm soát tốt khỏi điểm đặt mong muốn của nó. Thời gian phản ứng, hoặc cảm biến phản ứng nhanh như thế nào khi thay đổi nhiệt độ, cũng đóng một phần. Có thể một cảm biến chậm sẽ không cung cấp cho các bộ điều khiển PID phản hồi cần thiết để quản lý các quá trình với những thay đổi nhanh chóng. Do đó, rất quan trọng để chọn một cảm biến có các đặc điểm chính xác, đáp ứng và độ phân giải. Điều này sẽ cho phép bạn đạt được kiểm soát nhiệt độ chính xác và đáng tin cậy với PID.

C. Kiểm soát nhiệt độ: Độ chính xác của cảm biến và các yêu cầu độ phân giải

Các cảm biến nhiệt độ có thể được phân loại theo chúng Chính xác Cho thấy thiết bị cảm biến này sát với nhiệt độ như thế nào. Nghị quyết Mô tả những thay đổi nhiệt độ nhỏ mà bộ cảm biến có thể phân biệt được. Cả độ chính xác và độ phân giải đóng một vai trò trong việc kiểm soát nhiệt độ PID đáng tin cậy. Điều này đặc biệt đúng đối với các ứng dụng đòi hỏi sự khoan dung chặt chẽ. Các yêu cầu về độ chính xác phụ thuộc nhiều vào các ứng dụng cụ thể. Ví dụ, độ chính xác cần thiết để kiểm soát nhiệt độ trên một máy in 3D có thể thấp như + -1degC trong khi độ chính xác cần thiết để duy trì nhiệt độ trong lồng ấp có thể chỉ cần + -0.5degC. Độ phân giải của một cảm biến thường được biểu thị bằng bit. Ví dụ, nếu các cảm biến đầu ra 1024 giá trị rời rạc, độ phân giải sẽ là 10 bit. Một độ phân giải cao hơn sẽ cung cấp một mức điều khiển tốt hơn nhưng phải được kết hợp với một bộ điều khiển có thể xử lý độ chính xác được thêm vào. Để đảm bảo rằng hệ thống PID hoạt động hiệu quả, các thông số kỹ thuật của cảm biến được lựa chọn phải phù hợp với yêu cầu của nhiệm vụ.

D. Chọn một cảm biến: phạm vi nhiệt độ, chính xác và thời gian đáp ứng. Chi phí, điều kiện môi trường. Các yêu cầu giao diện.

Khi chọn cảm biến nhiệt độ phù hợp, điều quan trọng là phải xem xét một số yếu tố.

1. Phạm vi nhiệt độ: Cảm biến phải có khả năng đo trong phạm vi nhiệt độ hoạt động hạn chế của ứng dụng. Một cảm biến bị ảnh hưởng quá mức có thể dẫn đến tổn thương vĩnh viễn.

2. độ phân giải và độ chính xác: Như đã thảo luận trước đây, độ chính xác của cảm biến phải đáp ứng nhu cầu của ứng dụng. Ngoài ra, các cân nhắc hiệu chuẩn phải được tính đến.

3. Thời gian trả lời: Các cảm biến nên phản ứng nhanh chóng với phản hồi, cho phép chúng theo kịp tốc độ với tốc độ làm nóng/làm mát. Một phản ứng chậm có thể cản trở hiệu suất của PID.

4. Giá: Các hạn chế ngân sách thường ảnh hưởng đến quyết định này, vì chúng cân bằng hiệu suất và giá cả.

5. Điều kiện môi trường: Cảm biến phải đáp ứng các yêu cầu của môi trường hoạt động của chúng (ví dụ: độ ẩm, rung, ánh sáng mặt trời trong mặt trời trực tiếp). Một số cảm biến mạnh hơn các cảm biến khác.

6. Các yêu cầu về giao diện: Các tín hiệu đầu ra cảm biến (điện áp analog/dòng hoặc truyền thông serial kỹ thuật số), phải tương thích (ví dụ: Arduino ADC' S cho cảm biến analog và thư viện phần mềm cho cảm biến kỹ thuật số) với bộ điều khiển. Phần này mô tả các loại cảm biến phổ biến nhất, cùng với các đặc điểm của chúng.

E. Giao diện cảm biến: Nếu được yêu cầu bởi các loại cảm biến hoặc bộ điều khiển, điều hòa tín hiệu được thực hiện (khuếch đại và lọc tín hiệu, bồi thường giao điểm lạnh, CJC).

Có thể cần phải xử lý các tín hiệu cảm biến trước khi chúng được đọc bởi bộ điều khiển. Điều này sẽ đảm bảo rằng các phép đo được thực hiện là chính xác. Quá trình này được gọi là Điều hoà tín hiệu. Điều này có thể liên quan đến việc sử dụng một mạch khuếch đại hoạt động để tăng điện áp của cảm biến analog như nhiều RTDs và một số cảm biến bán dẫn hoặc sử dụng tụ điện để lọc nhiễu. Cảm biến kỹ thuật số yêu cầu xử lý ít hơn nhưng có thể liên quan đến các giao thức cụ thể để liên lạc (ví dụ như Một-wire hoặc I2C/SPI) cần phải được hỗ trợ bởi cả bộ điều khiển cũng như thư viện thích hợp. Bồi thường giao kèo lạnh Là một ví dụ then chốt. It' S cần thiết để đo lường cặp nhiệt chính xác. CJC là cần thiết vì các cặp nhiệt điện được thiết kế để đo Điểm khác biệt Giữa một đầu mối đo lường và đầu mối tham chiếu. Mối nối tham chiếu thường không phải là hằng số. Nhiệt độ của đường đo được đo (thường với một cảm biến riêng biệt), và một hệ số hiệu chỉnh áp dụng cho phép đo cặp nhiệt. Tầm quan trọng của việc biết thông số cảm biến và thực hiện các sửa đổi cần thiết được nhấn mạnh trong chủ đề này.

F. Công nghệ cảm biến nhiệt độ phổ biến cho điều khiển PID: bộ khuếch đại cặp nhiệt, nhiệt kế số, cảm biến độ ẩm (ví dụ DHT11/22) và nhiệt kế số.

Kết hợp với các hệ thống điều khiển PID, một số công nghệ cảm biến được sử dụng. Chúng có sức mạnh riêng, phù hợp với các ứng dụng khác nhau.

1. Cặp nhiệt điện Được sử dụng rộng rãi cho phạm vi nhiệt độ tuyệt vời, từ nhiệt độ đông lạnh đến nhiệt độ cực cao. đo sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai điểm. Để đo chính xác, cần phải có một cảm biến như MAX6675 (để cung cấp bồi thường kết nối lạnh và đầu ra kỹ thuật số).

2. RTDs: RTDs rất chính xác và ổn định trong một phạm vi nhiệt độ lớn. Điện trở thay đổi tương ứng với nhiệt độ. Ví dụ, họ yêu cầu một cầu nối và một ADC (hoặc bộ khuếch đại IC chuyên dụng), MAX31865. Ngoài ra còn có các RTDs kỹ thuật số, đơn giản hóa giao diện.

3. Cảm biến nhiệt: Cảm biến nhiệt rất phổ biến vì giá thấp và nhạy cảm cao.