Bộ điều khiển nhiệt độ PID: Thiết kế, các thành phần và ứng dụng

Khám phá các thành phần và sử dụng của bộ điều khiển nhiệt độ Arduino PID. Cách lập trình và tạo bộ điều khiển nhiệt độ PID cho riêng mình

1. Giới thiệu

Việc kiểm soát nhiệt độ rất quan trọng trong nhiều ứng dụng, từ các quy trình công nghiệp đến các thiết bị gia dụng. Arduino, được biết đến với tính linh hoạt và sự đơn giản của nó, là một nền tảng tuyệt vời để tạo ra bộ điều khiển nhiệt độ PID (đạo hàm tích phân tỷ lệ). Bài viết này cung cấp hướng dẫn về thiết kế, các thành phần, lập trình và các ứng dụng của một bộ điều khiển nhiệt độ Arduino dựa trên PID. Nó nhắm đến cả những người đam mê và chuyên nghiệp.

2. Điều cơ bản của bệnh VIÊM

Vòng phản hồi PID được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển công nghiệp. Sai số được tính liên tục như sai số trong một điểm đặt mong muốn và được đo. Để giảm thiểu sai số, bộ điều khiển PID sử dụng các chỉnh sửa dựa trên các số hạng tích phân, tỷ lệ và đạo hàm. Các thuật ngữ phái sinh được sử dụng để dự đoán các lỗi trong tương lai. Các bộ điều khiển PID có thể điều chỉnh nhiệt độ một cách chính xác bằng cách điều chỉnh các thông số của chúng.

Các thành phần của một bộ điều khiển nhiệt độ Arduino PID

Bộ điều khiển nhiệt độ PID Arduino bao gồm nhiều thành phần.

Arduino đứng trên bộ vi xử lý Trung tâm thực hiện các thuật toán điều khiển.

Cảm biến nhiệt độ (ví dụ như cặp nhiệt điện và RTDs). Các thiết bị đo nhiệt độ thay đổi và phản hồi cho bộ điều khiển.

Phần tử làm nóng (ví dụ như máy sưởi trở lại) : Các thành phần tạo ra nhiệt để duy trì nhiệt độ mong muốn.

MOSFETs hoặc TRIACs: Các thành phần này được sử dụng để điều khiển điện và bật các yếu tố sưởi ấm dựa trên các tín hiệu điều khiển từ Arduino.

Cung cấp điện và điều chỉnh điện áp: cung cấp công suất không đổi cho mạch để hoạt động ổn định.

3. Thiết kế mạch điện

Thiết kế mạch cho bộ điều khiển nhiệt độ PID Arduino liên quan đến việc tạo ra một sơ đồ, và sau đó lắp ráp tất cả các thành phần cần thiết. Bộ phận Arduino kết nối với bộ cảm biến nhiệt độ và bộ phận sưởi ấm. Nguồn cung cấp điện để làm nóng các yếu tố được điều khiển bởi MOSFETs và TRIACs. Bộ cung cấp điện và bộ điều chỉnh điện áp chịu trách nhiệm đảm bảo hoạt động ổn định. Làm theo một hướng dẫn đơn giản sẽ cho phép bạn xây dựng một bộ điều khiển nhiệt độ Arduino có thể duy trì nhiệt độ chính xác.

4. Lập trình Arduino

Arduino được lập trình bằng cách viết mã (phác thảo) để thực hiện thuật toán PID. Quá trình này được đơn giản hóa bởi thư viện PID trong Arduino IDE. Bản phác thảo sử dụng thuật toán PID để sửa lỗi nhiệt độ sau khi đọc dữ liệu từ các cảm biến. Mã này sau đó có thể được tải lên bo Arduino để cho phép nó kiểm soát nhiệt độ trong thời gian thực. Dưới đây là một bản phác thảo Arduino có thể được dùng để điều khiển nhiệt độ sử dụng PID:

5. Nguyên tắc làm việc

Bộ điều khiển nhiệt độ PID Arduino hoạt động bằng cách liên tục điều chỉnh đầu ra để giảm thiểu sai số giữa nhiệt độ mong muốn và đo được. Các cảm biến nhiệt độ tạo ra một điện áp tỷ lệ với giá trị của nó. Arduino sử dụng tín hiệu này để thực hiện tính toán PID. Đầu ra Arduino điều khiển các yếu tố làm nóng qua MOSFETs và TRIACs để điều chỉnh nhiệt độ. Phản hồi đảm bảo hệ thống cố gắng liên tục để duy trì nhiệt độ mong muốn, bù đắp bất kỳ sự xáo trộn nào.

6. Điều khiển PID

Để đạt được hiệu suất tốt nhất, bộ điều khiển PID phải được điều chỉnh bằng cách điều chỉnh các thông số tích phân, đạo hàm và tỉ lệ của nó. Việc điều chỉnh dây có thể được thực hiện bằng nhiều cách, chẳng hạn như:

Kiểm thử và sai số: Điều chỉnh các tham số trong từng gia tăng nhỏ cho đến khi đạt được kết quả mong muốn.

Phương pháp Ziegler Nichols: Phương pháp tiếp cận có hệ thống bao gồm giảm lợi ích vi phân và lợi nhuận tích phân xuống bằng không, và sau đó tăng độ lợi tỷ lệ lên cho đến khi dao động xảy ra. Tính các thông số PID bằng cách sử dụng cả chu kỳ dao động và độ lợi cuối cùng.

Công cụ phần mềm: sử dụng phần mềm để tự động điều chỉnh dựa trên đáp ứng hệ thống.

Để đạt được điều khiển nhiệt độ tối ưu, cần phải cân bằng ba điều khoản để giảm mức tăng, thời gian ổn định và lỗi trạng thái ổn định. Tìm kiếm sự cân bằng chính xác giữa các hệ thống khác nhau, và bù đắp phi tuyến là những thách thức phổ biến.

7. Áp dụng

Bộ điều khiển nhiệt độ PID Arduino tìm thấy các ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau:

Ứng dụng công nghiệp: được sử dụng để xử lý hóa chất, hệ thống HVAC (thông gió sưởi ấm và điều hòa không khí) và các quy trình sản xuất đòi hỏi kiểm soát nhiệt độ chính xác.

Ứng dụng cho người tiêu dùng: được sử dụng trong hệ thống sưởi, lò và các thiết bị khác cần điều chỉnh nhiệt độ.

Các ứng dụng khoa học: sử dụng trong các thiết bị phòng thí nghiệm như lồng ấp, buồng tự động và buồng môi trường khi cần phải kiểm soát nhiệt độ chính xác cho các thí nghiệm và các nhà nghiên cứu.

Các bộ điều khiển PID Arduino có thể được sử dụng trong một loạt các ứng dụng yêu cầu kiểm soát nhiệt độ chính xác. Hiểu được các nguyên tắc thiết kế và hoạt động của chúng sẽ giúp bạn hiểu chúng hiệu quả thế nào trong việc duy trì nhiệt độ mong muốn. Các bộ điều khiển PID sẽ trở nên quan trọng hơn khi công nghệ được cải thiện.