Understanding a PID Temperature Controller Example: A Practical Guide (bằng tiếng Anh)

I. giới thiệu

II. Thuật toán PID: nền tảng của điều khiển chính xác

Thuật toán PID là thành phần trí tuệ cốt lõi của bất kỳ bộ điều khiển nhiệt độ tinh vi nào. Hàm cơ bản của nó nằm trong việc tính toán một hành động khắc phục dựa trên sự so sánh liên tục giữa trạng thái hệ thống mong muốn và trạng thái đo lường thực tế. Hành động khắc phục này được thiết kế để giảm thiểu sự khác biệt, được gọi là tín hiệu lỗi. Thứ nhất, tín hiệu lỗi được bắt nguồn từ một so sánh đơn giản nhưng quan trọng. Hệ thống có nhiệt độ mong muốn, được gọi là điểm đặt. Đây là nhiệt độ mục tiêu mà người dùng muốn duy trì. Cũng quan trọng không kém là biến quy trình, đó là nhiệt độ thực tế hiện được đo bằng cảm biến bên trong hệ thống. Tín hiệu lỗi về cơ bản là sự khác biệt giữa điểm đặt và biến quá trình: lỗi = điểm đặt - biến quá trình.

Thuật toán PID tính toán các hành động sửa chữa dựa trên ba thành phần riêng biệt, mỗi thành phần đều có một khía cạnh cụ thể của điều khiển:

Số hạng tỷ lệ (P) : số hạng tỷ lệ tạo ra một đầu ra kiểm soát tỷ lệ thuận với độ lớn của tín hiệu lỗi hiện tại. Về mặt toán học, điều này có thể được biểu diễn dưới dạng đầu ra p_= Kp * lỗi, trong đó Kp đại diện cho độ lợi tỷ lệ. Độ lợi tỷ lệ xác định hệ thống phản ứng với sai số mạnh như thế nào. Một lỗi lớn hơn dẫn đến một đầu ra điều khiển tương ứng lớn hơn, và ngược lại. Vai trò chính của P term là cung cấp một phản ứng ngay lập tức để giảm lỗi. Tuy nhiên, nó thường để lại một phần thừa errorIntegral (I) Term: phần tích phân đề cập đến sự tích lũy lỗi theo thời gian. Nó tích hợp tín hiệu sai số trong một khoảng thời gian, thường được biểu diễn như đầu ra i_= Ki * ∫ error DT, trong đó Ki là độ lợi tích phân. Số hạng I tổng hợp các tín hiệu lỗi một cách liên tục. Mục đích chính của nó là để loại bỏ lỗi trạng thái ổn định - lỗi nhỏ mà thuật ngữ P có thể để lại. Nếu lỗi vẫn tồn tại, ngay cả khi nhỏ, số hạng I sẽ tăng dần đầu ra của nó, điều khiển bộ truyền động tiếp tục cố gắng và loại bỏ hoàn toàn lỗi. Một hạn chế đáng kể của số I là nếu sai số thay đổi hướng thường xuyên (ví dụ, dao động xung quanh điểm đặt), số hạng tích phân có thể tích lũy một đầu ra lớn, có khả năng dẫn đến bất ổn hoặc overshoot.

Phái sinh (D) Thuật ngữ: Thuật ngữ phái sinh tập trung vào tỷ lệ thay đổi tín hiệu lỗi. Nó tính đạo hàm của sai số (d (lỗi)/DT) và tạo ra một đầu ra ngược lại với những thay đổi nhanh. Về mặt toán học, đầu ra d_= Kd * d (lỗi)/dt, trong đó Kd là độ lợi đạo hàm. Thuật ngữ D đóng vai trò như một lực làm suy giảm. Nó dự đoán các lỗi trong tương lai dựa trên xu hướng hiện tại và giúp làm mịn tín hiệu điều khiển. Sự dự đoán này giúp giảm các dao động có thể xảy ra nếu các số hạng P và I quá mạnh, làm cho nhiệt độ dao động quá cao trên và dưới điểm đặt. Số hạng D cũng góp phần vào một phản ứng ban đầu nhanh hơn bằng cách dự đoán nhu cầu sửa chữa trước khi sai số trở nên lớn hơn. Tuy nhiên, thuật ngữ D có thể nhạy với nhiễu trong tín hiệu lỗi, có khả năng khiến bộ điều khiển phản ứng thất thường.

Ba thuật ngữ này được kết hợp, thường bằng cách tổng hợp chúng, để tạo thành tín hiệu điều khiển cuối cùng.

III. Chọn ví dụ: " điện tử gia nhiệt bao quanh Controller"

IV. Các thành phần lõi của ví dụ: Bộ điều khiển bao bọc điện tử nóng

Thứ hai, bộ so sánh/phát hiện lỗi/bộ điều khiển Logic.

Thứ ba, CNSP hoạt động như một công tắc điện tử, được điều khiển bởi microcontroller' s PWM đầu ra. Sự lựa chọn của SSR dựa trên khả năng xử lý tín hiệu điều khiển (PWM từ vi điều khiển) và chuyển đổi yếu tố làm nóng 12V hiệu quả. Xô viết được kết nối với microcontroller' S đầu ra pin và mạch yếu tố làm nóng.

1. Các cân nhắc về cung cấp điện: Nguồn cung cấp điện trong ví dụ này là nguồn cung cấp điện 12V DC. Nó cung cấp năng lượng cho vi điều khiển và XÔ viết. Bản thân bộ điều khiển vi điều khiển yêu cầu điều chỉnh điện áp bên trong để hoạt động chính xác (thường là 5V hoặc thấp hơn), trong khi nguồn cung cấp 12V cung cấp năng lượng cho tải (phần tử làm nóng) qua XÔ viết.

V. Cách ví dụ hoạt động: hoạt động của bộ điều khiển điện tử được nung nóng

Thứ nhất, cảm biến DS18B20 liên tục đo nhiệt độ bên trong và gửi giá trị kỹ thuật số đến vi điều khiển. Cảm biến này cung cấp các biến quy trình. Vi điều khiển so sánh đoạn đọc nhiệt độ nhận được này với điểm đặt do người dùng xác định (nhiệt độ mong muốn). So sánh này cho ra tín hiệu lỗi (biến quá trình điểm đặt). Độ lớn của lỗi này quyết định mức độ nóng là cần thiết.

Tiếp theo, vi điều khiển thực hiện các phép tính P, I, và D dựa trên lỗi này. Số hạng tỷ lệ (P) tạo ra một phản ứng ngay lập tức tỷ lệ thuận với sai số hiện tại. Phần tích phân (I) tích lũy lỗi theo thời gian, làm việc để loại bỏ bất kỳ lỗi còn lại nhỏ nào. Thuật ngữ Derivative (D) dự đoán nhiệt độ thay đổi, giúp ngăn hệ thống không bắn quá điểm đặt.

VI. Ứng dụng: duy trì nhiệt độ tối ưu trong một bao điện tử nóng

Vi điều khiển và SSR điều chỉnh năng lượng của nó dựa trên phản hồi được cung cấp bởi cảm biến DS18B20, tạo ra một hệ thống vòng kín liên tục điều chỉnh công suất nhiệt để duy trì nhiệt độ mục tiêu chính xác và ổn định.

VII. Điều chỉnh ví dụ: Kp, Ki, và Kd

1. Điều chỉnh tỷ lệ (P) : Điều chỉnh thuật ngữ P chủ yếu ảnh hưởng đến System' s đáp ứng tốc độ và mức độ tích cực mà nó phản ứng với lỗi. Một tăng P cao hơn dẫn đến phản ứng nhanh hơn nhưng có thể dẫn đến sự bất ổn. Một độ lợi P thấp hơn là êm hơn nhưng có thể để lại một lỗi trạng thái ổn định.

1. Điều chỉnh tích phân (I) : Điều chỉnh thuật ngữ I rất quan trọng để loại bỏ lỗi trạng thái ổn định. Nó tích hợp lỗi theo thời gian, từ từ điều khiển bộ truyền động tiến xa hơn đến lỗi 0. Tuy nhiên, nếu hệ thống dao động, thuật ngữ I có thể xây dựng và gây ra sự phóng đại đáng kể.

1. Điều chỉnh dẫn xuất (D) : Điều chỉnh thuật ngữ D giúp làm giảm dao động gây ra bởi các thuật ngữ P và I tích cực. Nó dự đoán những thay đổi và tạo ra một lực chống lại. Tuy nhiên, nó có thể nhạy cảm với tiếng ồn của cảm biến.

Các tính năng điều chỉnh tự động cũng có thể có trên một số bộ điều khiển. Quá trình điều chỉnh là rất quan trọng cho hiệu suất và độ ổn định tối ưu.

VIII. Ưu điểm và nhược điểm của bộ điều khiển ví dụ

A. ưu điểm: