Principles of PID Temperature Controller Design: Implementation and tuning. (bằng tiếng Anh)

Meta Description (Learn how to create a PID Temperature Controller) (bằng tiếng Anh). Hướng dẫn này sẽ bao gồm các yêu cầu hệ thống, lựa chọn phần cứng (cảm biến và bộ điều khiển), phần mềm thực hiện, điều chỉnh PID, cũng như các chủ đề khác.)

I: Giới thiệuĐiều khiển nhiệt độ PID

II. Thuật toán PID: Hiểu nó

Hệ thống điều khiển PID dựa trên một vòng phản hồi. Khái niệm này đã được sử dụng trong kỹ thuật điều khiển hệ thống trong nhiều năm. Vòng lặp liên quan đến việc đo một biến quá trình (trong trường hợp này là nhiệt độ), so sánh giá trị với điểm đặt mong muốn và lỗi tính toán. Lỗi này sau đó được sử dụng để thay đổi đầu vào cho hệ thống (ví dụ như công suất của một thành phần sưởi ấm) để giảm lỗi. PID tăng cường các vòng lặp cơ bản, kết hợp các hành động điều khiển khác nhau mà từng địa chỉ các khía cạnh khác nhau của các tín hiệu lỗi. Số hạng tỷ lệ (P) tạo ra một tín hiệu tỷ lệ thuận với độ lớn của tín hiệu lỗi tức thời. Điều này được định nghĩa là sự chênh lệch nhiệt độ giữa điểm đặt và nhiệt độ đo được. Một lỗi lớn hơn sẽ dẫn đến một tín hiệu đầu ra lớn hơn. Mục đích chính của nó là để sửa các biến và di chuyển nó gần hơn đến điểm đặt của nó. Tuy nhiên, sự phụ thuộc duy nhất vào kiểm soát tỷ lệ có thể dẫn đến một sai số trạng thái ổn định. Nhiệt độ cuối cùng có thể không chính xác khớp với điểm đặt do sự chậm trễ của hệ thống và các điều kiện không thay đổi.

Lợi tích phân (Ki) là khâu tích phân chỉnh sửa sai này. Độ lợi tích phân (Ki), một phép đo tốc độ mà bộ điều khiển có thể sửa lỗi này, xác định xem nó có bị sửa hay không. 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 bộ truyền động, đẩy các biến quá trình gần điểm đặt hơn. 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 sẽ dẫn đến một phản ứng chậm hơn.

Đạo hàm (D) là một thuật ngữ cung cấp các hành động sửa chữa dựa trên tốc độ thay đổi lỗi. Thuật ngữ 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 quá tải hoặc không ổn định do sự thay đổi nhanh chóng và tiếng ồn.

Quá trình ba bước này cho phép kiểm soát nhiệt độ chính xác cao. Bộ điều khiển có thể phản ứng với các lỗi hiện tại một cách kịp thời, dự đoán các lỗi và học từ các lỗi trước đó. Cơ sở thuật toán này rất cần thiết để hiểu được các khả năng của các hệ thống điều khiển nhiệt độ PID và việc thực hiện chúng trong các ứng dụng khác nhau.

III. Đặc tả và yêu cầu của dự án

Điều quan trọng là phải xác định rõ mục tiêu của dự án và các yêu cầu về hiệu suất của nó trước khi thiết kế bộ điều khiển PID. Bước đầu tiên là xác định mục đích của bộ điều khiển. Mục đích chính của bộ điều khiển là được xác định. Ví dụ, nó có thể duy trì một nhiệt độ hằng số trong một phạm vi hoặc điều khiển nhiệt độ thay đổi theo một điểm đặt hoặc cấu hình. Mục tiêu này sẽ trực tiếp ảnh hưởng đến các yêu cầu của bộ điều khiển. Việc thiết lập các số liệu hiệu suất, chuyển mục tiêu kiểm soát thành mục tiêu định lượng cũng rất quan trọng. Các số liệu được sử dụng để xác định các đặc tính hệ thống mong muốn. Độ chính xác của hệ thống là mối quan tâm hàng đầu. Điều này đề cập đến dung sai nhiệt độ mong muốn hoặc độ lệch tối đa từ các điểm đặt. Một hệ thống có thể yêu cầu khả năng chịu đựng + -0.5degC. Thời gian trả lời xác định hệ thống sẽ đạt đến điểm đặt của nó nhanh như thế nào sau một sự thay đổi. Có thể là thời gian để đạt được điểm đặt trong dung sai được quy định sau khi thay đổi. Một thước đo quan trọng khác là độ ổn định, đề cập đến khả năng của bộ điều khiển để giữ điểm đặt trong khi hiển thị không dao động quá mức. Sự suy giảm là phản ứng của hệ thống. Khả năng của hệ thống để giữ điểm đặt bất chấp các nhiễu động bên ngoài như biến động về tải hoặc thay đổi nhiệt độ được gọi là sự thải gián đoạn. Điều này đặc biệt quan trọng đối với môi trường công nghiệp nơi điều kiện thường không thể dự đoán được. Các bộ điều khiển PID phải có khả năng đáp ứng biên độ yêu cầu, được xác định bởi độ chính xác, thời gian đáp ứng, sự ổn định và loại bỏ nhiễu.

Các yêu cầu phần cứng để xây dựng hệ thống là hữu hình. Ví dụ, bộ điều khiển PID điển hình cho nhiệt độ yêu cầu: Bộ cảm biến đo được biến quá trình; Một bộ điều khiển để tính các phương trình PID; Một thiết bị chấp hành thay đổi nhiệt độ và nguồn cung cấp điện để cung cấp năng lượng điện. Các thành phần này nên được lựa chọn theo các số liệu hiệu suất được xác định và bối cảnh dự án tổng thể. Một cảm biến có độ chính xác cao là cần thiết cho một số ứng dụng. Điều quan trọng là bộ điều khiển có đủ sức mạnh xử lý để liên lạc với cả cảm biến và thiết bị truyền động. Khả năng xử lý năng lượng của thiết bị chấp hành phải khớp với công suất và ứng dụng đầu ra. Hạn chế ngân sách cũng là một yếu tố quan trọng cần xem xét trong giai đoạn yêu cầu. Chi phí của các thành phần, thời gian cần thiết cho phát triển và bảo trì trong tương lai phải được cân nhắc theo yêu cầu hiệu suất và nhu cầu ứng dụng.

Đơn vị điều khiển, cũng như môi trường phát triển được quy định bởi các yêu cầu phần mềm điều này cung cấp tính linh hoạt và tính năng lớn hơn. Môi trường phát triển được xác định bởi bộ điều khiển. Trong trường hợp vi điều khiển, môi trường phát triển tích hợp như Arduino IDE và PlatformIO thường được sử dụng. Các gói phần mềm được yêu cầu cho PLC. Phần mềm phải bao gồm thuật toán PID và thực hiện đọc cảm biến, điều khiển truyền động, cũng như giao diện người dùng có thể. Có các thư viện phát triển và các công cụ có sẵn cho các nền tảng khác nhau. Các yêu cầu này cung cấp một nền tảng vững chắc cho thiết kế, và đảm bảo rằng hệ thống là có thể trong các ràng buộc nhất định.

Actuator là bộ phận nhận một lệnh đầu ra và chuyển nó thành một hành động vật lý 5. 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 nhiều yếu tố khác nhau, chẳng hạn như công suất yêu cầu, phạm vi nhiệt độ và loại truyền nhiệt. Các mô-đun Peltier có thể được sử dụng để nóng hoặc nguội tùy thuộc vào hướng của dòng chảy hoặc quạt làm tăng tản nhiệt có thể được chọn nếu cần làm mát. Nó rất quan trọng để phù hợp với actuator' S khả năng xử lý công suất với đầu ra của bộ điều khiển, nguồn cung cấp điện cũng như công suất yêu cầu. Tài liệu tham khảo. (Liên kết đến dữ liệu thành phần và ghi chú ứng dụng, ví dụ: liên kết đến trang web với ví dụ về các yếu tố làm nóng).

Nguồn cung cấp là cần thiết để cảm biến công suất, bộ điều khiển và thiết bị truyền động an toàn và hiệu quả. 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. Tham chiếu liên kết đến trang web về lựa chọn nguồn cung cấp trong điện tử. Nguồn cung cấp điện cần cung cấp đủ dòng điện và điện áp thích hợp (5V, 12V hoặc 24V), để đáp ứng các yêu cầu công suất của các thành phần được kết nối. ĐỀ cập: