Bộ điều khiển nhiệt độ PID UK: Understanding and implementation Proportional-Integral-Derivative Control

Khám phá UK' SĐiều khiển nhiệt độ PIDCác hệ thống. Tìm hiểu về các nguyên lý của điều khiển nhiệt độ PID, các bộ phận của nó và cách nó được sử dụng trong các ngành công nghiệp khác nhau. Tìm hiểu cách hiện thực và điều chỉnh để đạt hiệu suất tối đa.)

I. giới thiệu

Nó cũng quan trọng để đảm bảo hiệu quả và an toàn cho các thiết bị gia dụng. Trong số những phương pháp tinh vi và được áp dụng rộng rãi nhất để đạt được độ chính xác này là thuật toán điều khiển PID (Proportional-Integral-Derivative). Bài viết này khám phá các hệ thống kiểm soát nhiệt độ vùng PID ở Anh. Bài báo bắt đầu bằng việc giải thích các nguyên tắc cơ bản làm nền tảng cho các điều khiển PID. Sau đó nó chuyển sang quá trình quan trọng để điều chỉnh PID và các phương pháp để kiểm tra và đánh giá hiệu suất hệ thống. Bài báo kết luận bằng cách xem xét UK' s cụ thể ứng dụng PID, lợi ích và xu hướng. OvervGiai đoạn thực tế của định nghĩa dự án và đặc tả. Chi tiết hơn, quá trình lựa chọn và tích hợp các thành phần phần cứng chính được thảo luận. Sau đó nó được giải thích làm thế nào thuật toán PID có thể được cài đặt trong nền tảng phần mềm được chọn. Bài báo cũng examinIew dự định cung cấp cho người đọc một sự hiểu biết sâu sắc về PID Controllers' Các khía cạnh thiết kế, vận hành và thực hiện. Nó cũng chứng minh ứng dụng thực tế của nó bằng cách sử dụng phương pháp từng bước áp dụng cho các môi trường Vương quốc Anh.

II. Thuật toán điều khiển PID: Hiểu nó

PID' S hiệu quả và áp dụng rộng rãi là do sự tích hợp của ba hành động kiểm soát khác nhau mà từng giải quyết một khía cạnh cụ thể của lỗi kiểm soát. Ba hành động, tích phân tỷ lệ và đạo hàm, được tích hợp tuần tự.

Thành phần tỷ lệ (P) tạo ra một tín hiệu đầu ra có liên quan trực tiếp đến độ lớn của tín hiệu lỗi hiện tại. Tín hiệu lỗi có thể được định nghĩa là sự khác biệt giữa nhiệt độ đặt dự định và nhiệt độ thực sự đo bằng cảm biến. Một lỗi lớn hơn sẽ dẫn đến một tín hiệu đầu ra cao hơn. Mục đích chính của nó là để sửa các biến và di chuyển nó gần hơn đến điểm đặt. Cam kết kiểm soát tỷ lệ một mình có thể dẫn đến một lỗi trạng thái ổn định. Nhiệt độ cuối cùng có thể không khớp với điểm đặt chính xác do sự chậm trễ của hệ thống và các điều kiện không thay đổi.

Độ lợi tích phân (Ki) xác định tốc độ điều chỉnh lỗi này. Độ lợi tích phân (Ki), một phép đo tốc độ mà bộ điều khiển có thể sửa lỗi này, được xác định bởi tốc độ mà nó tăng nhanh như thế nào. Số hạng tích phân được dùng để tính tổng tổng lỗi tích lũy. Khâu tích phân sẽ tăng (hoặc giảm) tín hiệu đầu ra nếu sai số tiếp tục. Điều này làm tăng ảnh hưởng của thiết bị truyền động để đẩy các biến quy trình gần hơn với điểm đặt. Hệ thống sẽ đạt đến nhiệt độ điểm đặt nếu bộ chấp hành có thể xử lý bất kỳ đối thủ nào. Độ lợi tích phân (Ki), là thời gian bộ điều khiển phản ứng với lỗi, xác định độ lớn mà nó phản ứng với. Một Ki cao hơn sẽ dẫn đến việc loại bỏ sớm hơn các sai số ổn định trạng thái, trong khi Ki nhỏ hơn dẫn đến các phản ứng dần dần hơn.

Nó cung cấp các hành động sửa chữa dựa trên tốc độ thay đổi của lỗi. Các thành phần phái sinh dự đoán độ lệch trong tương lai bằng cách xem một sai số tăng hoặc giảm nhanh như thế nào. Hạn đầu ra phái sinh sẽ tạo ra một tín hiệu điều chỉnh lớn nếu sai số nhanh chóng tăng hoặc giảm. Điều này giúp giảm dao động và cải thiện sự ổn định. Nó đặc biệt có lợi cho các hệ thống dễ bị bất ổn hoặc bắn quá mức do những thay đổi nhanh chóng.

Quá trình ba bước này cho phép PID học hỏi từ các sai số trước đó và dự đoán những sai số tương lai. Kết quả là việc kiểm soát nhiệt độ rất chính xác và ổn định. Cơ sở thuật toán này rất cần thiết để hiểu được các khả năng của các bộ điều khiển PID và việc thực hiện thích hợp của chúng trong các ứng dụng ANH.

III. Bộ phận của hệ thống điều khiển nhiệt độ PID

Mỗi thành phần của một hệ thống điều khiển PID chức năng đóng một vai trò riêng biệt trong vòng lặp. Lựa chọn và tích hợp các thành phần này để đạt được hiệu suất và độ tin cậy mong muốn.

Các loại phổ biến là cặp nhiệt điện (còn được gọi là RTDs), nhiệt và nhiệt. Mỗi loại đều có đặc tính riêng. Các cặp nhiệt điện loại K rất mạnh và có phạm vi nhiệt độ rộng. Chúng có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng công nghiệp của Anh. RTDs (thông thường là PT100 và PT1000) cung cấp độ chính xác và ổn định cao hơn ở nhiệt độ thấp. Do đó, chúng được ưa thích trong các ứng dụng chính xác như thiết bị phòng thí nghiệm hoặc ngành công nghiệp dược phẩm ở Anh. Các nhiệt kế này được sử dụng cho phạm vi nhiệt độ nhất định vì độ nhạy cao của chúng. Chúng cũng tương đối rẻ. Lựa chọn cảm biến bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như phạm vi đo lường cần thiết, đặc điểm kỹ thuật chính xác, hiệu quả chi phí, thời gian đáp ứng và môi trường hoạt động. Để đảm bảo độ chính xác và độ tin cậy, điều quan trọng là phải tuân thủ các tiêu chuẩn được công bố bởi Viện Tiêu chuẩn Anh. Các cảm biến thường yêu cầu điều hòa tín hiệu như bộ khuếch đại, các mạch forLeng Jie DianBu Chang (bồi thường giao điểm lạnh) cho các cặp nhiệt hoặc giao diện, như bộ chuyển đổi G-to-digital, và giao thức truyền thông kỹ thuật số, ví dụ I2C hoặc SPI, cho RTDs, và thermistor.

Bộ điều khiển thực hiện các phép tính PID Các vi điều khiển như Arduino (Uno, Nano, Mega, vv) thường được sử dụng trong các dự án của Anh do hiệu quả chi phí, dễ sử dụng và hỗ trợ cộng đồng rộng lớn. Arduino IDE là một công cụ đơn giản và thân thiện với người dùng để tải mã. Nếu bạn cần nhiều năng lượng xử lý hơn hoặc kết nối tốt hơn, THÌ ESP32 với Bluetooth và Wi-Fi, hoặc Raspberry PI, với khả năng xử lý cao hơn, có thể là sự lựa chọn tốt nhất. Ngoài ra, PLC, thường được sử dụng trong các thiết lập công nghiệp của Anh, có thể được sử dụng. Chúng cung cấp độ tin cậy và khả năng mở rộng cao hơn. Nó phụ thuộc vào mức độ phức tạp của dự án, bạn muốn chức năng gì, và ngân sách của bạn. Điều quan trọng là bộ điều khiển có đủ đầu vào/đầu ra (I/O), để giao tiếp hiệu quả với cả cảm biến và thiết bị truyền động.

Cơ cấu chấp hành là phần chuyển hóa đầu ra lệnh từ bộ điều khiển thành các hành động vật lý làm thay đổi nhiệt độ của quá trình. Bộ truyền động điều khiển nhiệt độ phổ biến nhất là phần tử làm nóng. Đây có thể là một dây sưởi ấm điện trở, làm nóng phim hoặc máy làm nóng hộp. Nó tạo ra nhiệt bằng cách truyền dòng điện qua nó. Một yếu tố làm nóng được chọn dựa trên một số yếu tố, bao gồm công suất yêu cầu, phạm vi nhiệt độ và liệu nhiệt sẽ được chuyển đến rắn, lỏng hoặc không khí. Các mô-đun Peltier có thể được sử dụng để nóng hoặc lạnh phù hợp với hướng của dòng chảy hiện tại, và quạt làm tăng tản nhiệt là các tùy chọn để làm mát. Nguồn cung cấp điện và đầu ra kiểm soát phải phù hợp với actuator' S khả năng xử lý quyền lực. Nguồn cung cấp điện cung cấp năng lượng cần thiết để cảm biến năng lượng, bộ điều khiển và thiết bị truyền động an toàn. Cung cấp điện nên cung cấp điện áp đúng (5V, 12V hoặc 24V), và đủ dòng điện, để đáp ứng các yêu cầu về công suất của tất cả các thành phần. Để vận hành an toàn, đáng tin cậy, điều quan trọng là phải sử dụng các đầu nối và dây được lắp đặt đúng cách. Đối với cảm biến và mạch kỹ thuật số, nền tảng là rất quan trọng để hoạt động đáng tin cậy.

Mặc dù không cần thiết cho các hoạt động cơ bản của hệ thống, giao diện người dùng có thể cải thiện khả năng chẩn đoán và sử dụng. Màn hình thường bao gồm màn hình LCD hoặc OLED để hiển thị trạng thái hệ thống, nhiệt độ hiện tại, điểm đặt và giá trị lỗi. Chiết áp được sử dụng để điều chỉnh thủ công các thông số, chẳng hạn như điều chỉnh độ lợi của PID. Nút có thể được sử dụng để thiết lập các chế độ đặt và switch. Các chỉ số trạng thái như LED có thể chỉ ra sức mạnh, tình trạng lỗi hoặc trạng thái chấp hành. Một hệ thống đơn giản có thể hoạt động mà không có giao diện, nhưng một hệ thống cơ bản được khuyến cáo để kiểm thử và điều chỉnh hệ thống.

Một vỏ bọc thích hợp sẽ bảo vệ các thành phần phần cứng chống lại các yếu tố môi trường như bụi, độ ẩm và thiệt hại vật lý. Điều này có thể góp phần vào độ tin cậy và độ bền của hệ thống. Điều quan trọng là phải chọn một vỏ bọc ở Anh phù hợp với nhu cầu của đơn xin của bạn.

Thiết kế và triển khai phần mềm

Bước tiếp theo là cài đặt thuật toán PID trong phần mềm đã chọn. Nó liên quan đến việc viết mã để đọc dữ liệu cảm biến, tính toán đầu ra PID và điều khiển thiết bị truyền động. Nền tảng phần mềm có tác động đáng kể đến quy trình phát triển.

Nền tảng phần mềm cung cấp một loạt các tùy chọn. Tại Arduino' s ease-of-use, cộng đồng hỗ trợ lớn, và sự sẵn có của các thư viện, vi điều khiển như Arduino rất phổ biến trong các dự án DIY. Arduino IDE đơn giản hóa quá trình viết mã và tải lên nó. Các nền tảng như ESP32, có tích hợp Wi-Fi/Bluetooth và nhiều điện toán hơn cho các dự án phức tạp (và điện toán đa năng), cũng là tùy chọn. Python trên một vi điều khiển hoặc máy tính với các thư viện thích hợp như Numpy, Autotune, có thể thích hợp cho các dự án yêu cầu sự mạnh mẽ và mở rộng. Một số dự án có thể sử dụng các gói điều khiển PLC hoặc PID thương mại. Nó phụ thuộc vào mức độ phức tạp của dự án, liệu lập trình viên có kinh nghiệm với nền tảng và bạn cần chức năng nào. Điều quan trọng là bộ điều khiển có đủ đầu vào/đầu ra (I/O), để giao tiếp hiệu quả với cảm biến và thiết bị truyền động.

Thiết kế phần mềm thường bao gồm nhiều mô-đun. Đầu tiên, module sẽ đọc dữ liệu từ bộ cảm biến. Nếu bạn đang sử dụng Arduino, điều này có thể liên quan đến việc đọc giá trị tương tự bằng ADC từ RTD hoặc nhiệt cặp đôi. Các mã cho cảm biến kỹ thuật số có thể đọc dữ liệu bằng cách sử dụng các giao thức như I2C hoặc SPI (ví dụ: cảm biến RTD). Mã phải chứa các công thức hiệu chuẩn thích hợp để chuyển đổi dữ liệu cảm biến thô sang cách đọc nhiệt độ có ý nghĩa (ví dụ degC hoặc ° F).

Việc thực hiện PID là cốt lõi của thiết kế phần mềm. Trong cấu trúc mã, các tham số của PID (Kp Ki Kd) được định nghĩa. Những thứ này sẽ được điều chỉnh trong giai đoạn điều chỉnh. Thuật toán xác định độ chênh lệch (điểm đặt và nhiệt độ đo) để tính sai số. Mã dùng sai số này để tính toán sự đóng góp của tích phân, đạo hàm, và tỷ lệ. Biểu thức tỷ lệ được tính bằng sai số Kp +. Khâu tích phân được tính bằng cách cộng các lỗi theo thời gian. Thuật ngữ này có thể được ngăn chặn để phát triển quá lớn bằng cách sử dụng một kỹ thuật tăng tốc tích hợp. Phương pháp phổ biến nhất là sử dụng tổng chạy, trong đó lỗi được cộng theo thời gian và sau đó là đặt tối đa. Một biến được sử dụng để lưu trữ lỗi trước đó. Thuật ngữ phái sinh được sử dụng để ước tính tỷ lệ thay đổi lỗi và IT' s được tính bằng Kd * (error - previous_error). Lỗi trước đó có thể được lưu trữ dưới dạng một biến.

Tổng này thể hiện đầu ra của bộ điều khiển. Tín hiệu đầu ra phải được ánh xạ vào tín hiệu điều khiển thiết bị truyền động.

Mã để điều khiển thiết bị truyền động chuyển đầu ra tính toán từ bộ điều khiển thành một tín hiệu mà thiết bị truyền động hiểu được. Mã, ví dụ, sử dụng đầu ra được tính toán để xác định chu kỳ làm việc của PWM để điều khiển các phần tử làm nóng bằng cách sử dụng MOSFET. Giá trị này thường là từ 0 đến 255 cho một Arduino. Mã sẽ sử dụng đầu ra được tính toán (thường là giá trị từ 0 đến 255 cho một Arduino) để xác định trạng thái của pin kỹ thuật số. Chức năng lập bản đồ này phù hợp với phạm vi đầu ra của bộ điều khiển đến các yêu cầu của thiết bị truyền động.

Mã cho giao diện người dùng phải xử lý đầu vào (ví dụ: thiết lập điểm đặt thông qua một nút hoặc chiết áp), và hiển thị thông tin liên quan trên mô-đun hiển thị (ví dụ: nhiệt độ hiện tại, lỗi điểm đặt).

Trình tự này được lặp lại ở một khoảng xác định trước bởi vòng điều khiển chính (ví dụ như sử dụng vòng lặp trên Arduino, hoặc cấu trúc tương tự) để đạt được một vòng phản hồi liên tục. Khai báo các biến để giữ thông tin cảm biến và các thông tin khác, chẳng hạn như giá trị điểm đặt, lỗi hoặc lỗi trước đó, tính toán kỳ tích phân, thành phần phái sinh, đầu ra cuối cùng, v.v. Các mô đun có thể đạt được bằng cách sử dụng các chức năng (ví dụ: một để đọc các cảm biến, một cho các tính toán PID, và một cho một mã chấp hành truyền động).

Giai đoạn phát triển ban đầu rất quan trọng để kiểm thử và gỡ lỗi. Câu lệnh in có thể được bao gồm trong mã (ví dụ, serial.print () cho Arduino) hiển thị giá trị cảm biến, số lỗi và kết quả tính toán để cho phép điều chỉnh thủ công. Trong phiên bản cuối cùng, chúng sẽ được gỡ bỏ hoặc thay thế bằng một chức năng hiển thị thích hợp.

V. V. Cài đặt và lắp ráp hệ thống

Sau khi lựa chọn các thành phần phần cứng và viết mã phần mềm, giai đoạn sau là lắp ráp và thiết lập vật lý cho hoạt động. Cần chú ý đến các chi tiết để đảm bảo an toàn và hoạt động đúng.

Kết nối các thành phần là bước đầu tiên trong việc lắp ráp một hệ thống. Kết nối các thành phần bắt đầu với các cảm biến. Các cảm biến thường được kết nối với đầu vào analog hoặc chân kỹ thuật số của một bộ điều khiển. Các chân đầu ra bộ điều khiển (ví dụ: chân analog cho PWM hoặc chân kỹ thuật số cho chuyển mạch chuyển mạch) được kết nối với các cơ cấu chấp hành. Các chân cung cấp điện phải được kết nối với đầu vào năng lượng điều khiển và nhu cầu về sức mạnh cảm biến. Thông tin an toàn quan trọng: kiểm tra lại mối quan hệ của bạn trước khi bạn sử dụng quyền lực. Hệ thống dây không chính xác có thể làm hỏng các bộ phận. Tất cả các kết nối phải được cách ly và bảo mật. Đối với cảm biến và mạch kỹ thuật số, nền tảng là cần thiết cho hoạt động đáng tin cậy.

Các thành phần nên được lắp đặt trong một vỏ bọc phù hợp. Nó có thể ở dạng một hộp dự án, hoặc thậm chí một thiết lập được thiết kế tùy chỉnh. Bệ phóng bảo vệ các thành phần chống lại tình cờ tiếp xúc hoặc điều kiện môi trường. Điều quan trọng là đặt bộ điều khiển trong một khu vực có đầy đủ luồng không khí. Dây cáp và tay áo có thể được sử dụng để quản lý gọn gàng các dây.

Mã phần mềm có thể được biên dịch trên máy tính hoặc tải về vi điều khiển. Mã phải không có lỗi. Các kiểm tra đơn giản liên quan đến việc kết nối ba thành phần quan trọng nhất: bộ điều khiển, cảm biến và thiết bị truyền động. Sau đó chúng được kiểm tra để xác minh chức năng cơ bản như bộ điều khiển có thể đọc cảm biến hoặc điều khiển thiết bị truyền động.

VI. Quá trình điều chỉnh PID

Sự điều chỉnh chính xác của bộ điều khiển PID là điều cần thiết để đạt được hiệu suất bạn mong muốn. Hệ thống có thể không ổn định (quá nhiều bản giao hưởng), chậm phản ứng, hoặc không đạt được điểm đặt mong muốn. Điều chỉnh là quá trình tìm kiếm các giá trị cho tỷ lệ Kp, tích phân Ki và các thông số Kd phái sinh để tối ưu hóa hành vi hệ thống. Quá trình này được lặp đi lặp lại, điều chỉnh các thông số để đáp ứng với các phản hồi hệ thống.