Understanding PID Temperature Controller 12V: A Detailed Guide (bằng tiếng Anh)

1. Giới thiệu

Bài viết này sẽ mô tả các thành phần của nó, giải thích các nguyên tắc cơ bản chi phối hoạt động của nó trong một hệ thống điều khiển vòng kín, xem xét các vấn đề thực hiện chung, và xem xét quá trình điều chỉnh. Phân tích chuyên sâu này sẽ cung cấp cho độc giả một sự hiểu biết toàn diện về công nghệ và các ứng dụng của nó trong môi trường 12V. Sau đó họ có thể sử dụng nó để thuận lợi cho các hệ thống khác nhau.

2. Điều khiển nhiệt độ PID 12V là gì?

Bộ điều khiển nhiệt độ PID 12V về bản chất là một thiết bị điện tử chuyên biệt được thiết kế để quản lý nhiệt độ của một biến quy trình cụ thể bằng cách sử dụng thuật toán điều khiển PID - tích phân tỷ lệ. Nó là một hệ thống điều khiển vòng kín liên tục theo dõi nhiệt độ để được điều khiển, và thực hiện các điều chỉnh tính toán để nó gần hơn hoặc xa hơn so với nhiệt độ đã đặt. Bộ điều khiển này được thiết kế để hoạt động với nguồn cấp điện 12VOLT DC. Đặc điểm kỹ thuật 12V cho phép nó tương thích với nhiều nguồn điện, pin, hệ thống điện xe và ngân hàng điện di động. III. Bộ điều khiển nhiệt độ PID 12V là gì? Vòng điều khiển giải thích

Bộ điều khiển nhiệt độ PID 12V hoạt động dựa trên các nguyên lý điều khiển vòng kín. Hệ thống hoạt động bằng một chu kỳ không đổi của việc đo, so sánh, tính toán và thực hiện hành động. Đây là các bước chính:

A. Vòng điều khiển cơ bản: 1. Đo lường cảm biến: Quá trình này bắt đầu với một cảm biến nhiệt độ được đặt chiến lược để xác định nhiệt độ chính xác trong hệ thống hoặc môi trường. Bộ cảm biến sẽ chuyển nhiệt độ vật lý thành tín hiệu điện. Điều này thường là sự thay đổi điện áp hoặc sự thay đổi điện trở tỷ lệ với nhiệt độ. Các bộ cảm biến bao gồm các bộ cảm biến nhiệt, máy dò nhiệt độ điện trở và các cặp nhiệt điện.

2. Lỗi tính toán: Tín hiệu điện được gửi đến đơn vị PID. Tín hiệu thô này từ cảm biến sau đó được so sánh với giá trị hoặc điện áp tương ứng với nhiệt độ điểm đặt. Tính chênh lệch giữa nhiệt độ đo được và điểm đặt. Lỗi này được dùng làm dữ liệu đầu vào chính cho thuật toán PID. Sai số sẽ âm nếu nhiệt độ đo được lớn hơn điểm đặt; IT' LL dương tính nếu nhiệt độ đo được thấp hơn.

3. Thực thi thuật toán PID: Tín hiệu lỗi này được xử lý bởi bộ điều khiển PID THAT' S thường được xây dựng trên một vi điều khiển. Hàm cơ bản của nó là thuật toán PID sử dụng 3 thuật ngữ để tính toán hành động điều chỉnh.

Tỷ lệ P-Term: thuật ngữ tạo ra một tín hiệu đầu ra tỷ lệ thuận với độ lớn của sai số. Nó có thể được biểu diễn bằng toán học như đầu ra p_= Kp * lỗi trong đó Kp đại diện cho độ lợi tỷ lệ. Một lỗi lớn hơn dẫn đến kết quả P mạnh hơn. Đó là một phản ứng nhanh cố gắng giảm thiểu sai số. Tuy nhiên, nó có thể để lại các lỗi còn lại nếu khả năng phản ứng nhanh chóng bị hạn chế.

* Cụm từ này được dùng để miêu tả sự tích lũy lỗi theo thời gian. Tín hiệu lỗi được tích hợp (ví dụ: lỗi * DT), và đầu ra tăng hoặc giảm miễn là có lỗi, bất kể nhỏ đến đâu. Đầu ra toán học là bằng với sai số Ki * Dt trong đó Ki đại diện cho lợi tích phân. Đầu ra chủ yếu được sử dụng để loại bỏ các lỗi trạng thái xác định. Nó làm việc không mệt mỏi để đưa nhiệt độ của hệ thống đến điểm đặt của nó ngay cả đối với những sai sót nhỏ mà thời hạn P_có thể không thể chính xác hoàn toàn.

* Đạo hàm D: Nó dự đoán các lỗi tương lai dựa trên tốc độ thay đổi của các lỗi hiện tại. Đạo hàm (d (lỗi/DT) được tính toán và một đầu ra được sinh ra để đối phó với những thay đổi nhanh chóng. Đầu ra d_đầu ra được tính toán toán học như Kd * D (lỗi/dt), trong đó Kd đại diện cho lợi nhuận đạo hàm. D-term hoạt động như một lực làm nguội để giảm dao động có thể xảy ra nếu P hoặc I hoạt động tích cực và gây nhiệt độ vượt quá điểm đặt của nó. Điều này cũng giúp đoán trước sự cần thiết của việc điều chỉnh, có thể dẫn đến một phản ứng ban đầu nhanh hơn.

4. Tạo các tín hiệu điều khiển: trong bộ điều khiển, đầu ra kết hợp từ P, I và D được thêm vào (hoặc trọng số). Điều này dẫn đến các tín hiệu điều khiển hoàn toàn. Tín hiệu chỉ ra mức độ hiệu chỉnh yêu cầu - cho dù là tăng nhiệt hoặc làm lạnh. Tín hiệu này có thể là analog hoặc digital, tùy thuộc vào cách nó được thực hiện.

5. Kiểm soát của thiết bị chấp hành: tín hiệu điều khiển được tạo ra sẽ được gửi đến thiết bị chấp hành chịu trách nhiệm thực hiện các hành động kiểm soát vật lý. Thiết bị chấp hành kiểm soát lượng nhiệt hoặc làm lạnh được áp dụng cho quá trình. Một tín hiệu tích cực có thể tăng công suất cho một yếu tố làm nóng, hoặc bật một hệ thống làm mát, trong khi một tín hiệu âm sẽ làm giảm nhiệt, hoặc bật quạt hoặc nung yếu tố. Các rơ-le trạng thái rắn thường được sử dụng để chuyển công suất trên tải điện trở (điện trở) như các yếu tố làm nóng. Mosfet có thể được sử dụng để kiểm soát các thiết bị Peltier để làm mát hoặc để quản lý tải hiện tại cao hơn vì hiệu quả của chúng.

6. Hành động phản hồi thực hiện bởi các thiết bị truyền động trực tiếp ảnh hưởng đến nhiệt độ của quá trình. Khi nhiệt độ của hệ thống thay đổi, nó là một vòng phản hồi. Bộ cảm biến đo nhiệt độ mới này, và sau đó vòng lặp lại, tạo ra một hệ thống phản hồi liên tục di chuyển nhiệt độ về phía điểm đặt.

B. Importance 12V Power Supply: " 12V" nhãn trên bộ điều khiển, không chỉ là yếu tố thiết kế mà còn là yếu tố quan trọng. Một bộ điều khiển tương thích 12V sẽ rất hữu ích, đặc biệt là trong các ứng dụng như ô tô, điện tử dùng pin, hoặc các sản phẩm tiêu dùng. Để đạt hiệu suất tối ưu, bộ điều khiển, trong đó có vi điều khiển và cảm biến, cần điện áp nội bộ khác nhau. 12V sau đó được đưa vào một bộ điều chỉnh điện áp trong bộ điều khiển. Mạch này, sử dụng các thành phần như các bộ điều chỉnh tuyến tính và các bộ điều chỉnh chuyển mạch có thể tạo ra điện áp thấp hơn cần thiết cho logic nội bộ. Phần năng lượng của bộ điều khiển được thiết kế để giảm xuống an toàn và hiệu quả hoặc điều kiện 12V cho các bộ phận bên trong của nó. Điều khiển cuối cùng (ví dụ PWM, điện áp tương tự, hoặc SSR) sau đó được áp dụng cho các phần tử làm nóng hoặc thiết bị làm mát thông qua giao diện được cung cấp bởi 12V (hoặc bằng tín hiệu điện áp thấp riêng biệt).

IV. Điều khiển nhiệt độ PID 12V có các đặc điểm và thành phần sau:

Hiểu được các tính năng chính của bộ điều khiển PID 12V và các thành phần cụ thể của nó là điều cần thiết để chọn bộ điều khiển tốt nhất. Chúng đồng thời làm việc để cung cấp quy định nhiệt độ chính xác và đáng tin cậy.   Hiểu được các tính năng chính của bộ điều khiển PID 12V và các thành phần cụ thể của nó là điều cần thiết để chọn bộ điều khiển tốt nhất. Chúng đồng thời làm việc để cung cấp quy định nhiệt độ chính xác và đáng tin cậy.

Giao diện cảm biến nhiệt độ:

1. Tương thích: Một giao diện điều khiển phải tương thích với cảm biến nhiệt độ yêu cầu của một ứng dụng. Các loại cảm biến có tác động đáng kể đến độ chính xác, phạm vi và thời gian đáp ứng. Các loại cảm biến được hỗ trợ bởi các bộ điều khiển bao gồm

* Cảm biến kỹ thuật số: ví dụ, DS18B20 cung cấp một đầu ra số chính xác cao, đơn giản hóa tích hợp và dễ dàng tích hợp. Nó là phổ biến để chỉ cần một dây khi sử dụng nhiều cảm biến.

* Cảm biến tương tự: ví dụ, NTC hoặc PTC thermistors, có điện trở thay đổi với nhiệt độ, và RTDs, máy dò nhiệt độ kháng điện trở, (ví dụ PT100 và PT1000) để đo kháng điện trở.

1. Kết nối cảm biến: Điều quan trọng là sử dụng các kết nối vật lý và điện chính xác. Để dễ dàng kết nối các dây cảm biến và cáp nguồn, đầu cuối vít thường được sử dụng. Đầu nối chuối và đầu vít kết hợp với đầu chuối thường được sử dụng để làm cho kết nối dễ dàng hơn, đặc biệt là cho tạo mẫu. Các tiêu chuẩn kết nối cụ thể được yêu cầu cho các cảm biến kỹ thuật số như DS18B20 (ví dụ 1-Wire).

Cung cấp năng lượng B.

1. Đầu vào điện áp: một đầu vào DC 12V tiêu chuẩn được chấp nhận như là tính năng cốt lõi của thiết kế này. Thông thường, đơn vị cung cấp 12V nằm bên ngoài các đơn vị điều khiển. Việc cung cấp điện 12V này thường nằm bên ngoài bộ điều khiển.

1. Xếp hạng công suất: Cả bộ điều khiển và thiết bị truyền động (lò sưởi, chất làm mát) đòi hỏi dòng điện đáng kể. Do đó, cần phải lựa chọn nguồn điện bên ngoài 12V với khả năng hiện tại phù hợp. Điện áp cung cấp điện ổn định, và đặt ở 12VDC. Xếp hạng hiện tại nên cao hơn tổng công suất điều khiển và thiết bị chấp hành tối đa. Điều quan trọng là sử dụng nguồn điện được đánh giá theo tải mong đợi.

C. Options for Actuator Control: Một bộ điều khiển phải có một cách để điều chỉnh bộ truyền động để đáp ứng tín hiệu. Các yêu cầu giao diện được quyết định bởi các lựa chọn của actuator.

1. Solid State Relay (SSR) : Một XÔ viết là một công tắc điện tử có thể được điều khiển thông qua đầu ra của một bộ điều khiển. It' S thường được sử dụng để kiểm soát tải điện trở, chẳng hạn như các yếu tố làm nóng. Một tín hiệu điều khiển được tạo ra bởi bộ điều khiển (thường là điện áp analog hoặc PWM) và điều khiển SSR. Sau đó tín hiệu này được SỬ dụng bởi SSR để cho phép dòng điện chạy vào bộ phận sưởi ấm hoặc điều chế công suất để được cung cấp trơn tru. Điều chế cung cấp điều khiển chính xác hơn so với chỉ đơn giản là bật/tắt.

Cấu hình bộ điều khiển 12V SSR là khá phổ biến. Trong trường hợp này là SSR' nhiệt độ S được điều khiển trực tiếp bởi tín hiệu PWM 12V do bộ điều khiển tạo ra. Xô viết cung cấp năng lượng từ 12V.

1. Bộ điều khiển tạo ra tín hiệu điều khiển điện áp thấp (ví dụ PWM) điều khiển cổng MOSFET, và lần lượt, điều khiển công suất cho tải. Tải như máy sưởi và bộ làm mát thường được kết nối trực tiếp với 12V chân của bộ điều khiển (ví dụ: điều khiển MỘT SSR, MOSFET).

D. Điều khiển logic:

1. Vi điều khiển: một vi điều khiển là trung tâm của một bộ điều khiển PID kỹ thuật số. Thuật toán PID được thực thi bởi một MCU, chẳng hạn như Arduino, ESP32 hoặc STM32. MCU đọc dữ liệu cảm biến và tính toán các thuật ngữ PID. Sau đó nó tạo ra một tín hiệu điều khiển và điều khiển giao diện thiết bị truyền động. MCUs được chọn dựa trên sức mạnh xử lý, chi phí, khả năng I/O và các yếu tố khác.

1. Điều chỉnh PID: để đạt được hiệu suất tối ưu, điều chỉnh các thông số PID là cần thiết: độ lợi tỷ lệ (Kp), độ lợi tích phân (Ki) và độ lợi vi phân (Kd). Controller' s hung hăng được xác định bằng cách điều chỉnh. Một số bộ điều khiển cho phép điều chỉnh bằng cách sử dụng potentiometer hoặc hiển thị. Những người khác có tùy chọn điều chỉnh tự động, và những người khác yêu cầu phần mềm.

(Tùy chọn, nhưng phổ biến) Giao diện người dùng: Một bộ điều khiển cơ bản chỉ có thể bao gồm các thiết bị đầu cuối vít với các chỉ báo tối thiểu. Tuy nhiên, hầu hết các triển khai đều có một HMI để làm cho nó dễ dàng hơn cho người dùng.

1. Màn hình: Một màn hình LCD hoặc một màn hình OLED thường được sử dụng để chỉ ra nhiệt độ tại thời điểm hiện tại, điểm đặt hiện tại và trạng thái của hệ thống.

1. Đầu vào một chiết áp hoặc các nút cho phép người dùng điều chỉnh thủ công các thông số PID và thiết lập nhiệt độ điểm đặt.

1. Hiển thị: LED hiển thị trạng thái của hệ thống và cách bộ điều khiển hoạt động.

F. Kết nối vật lý là rất quan trọng cho việc thiết lập dễ dàng.

1. Thiết bị đầu cuối đinh vít: cung cấp một phương pháp phổ biến và mạnh mẽ để kết nối dây cho cảm biến, điện và đầu ra actuator.

1. Headers/Banana Jacks: cung cấp một cách thuận tiện để kết nối, thường được sử dụng trên mạch tùy chỉnh hoặc bảng phát triển.

1. Cảm biến kỹ thuật số: kết nối theo tiêu chuẩn. Ví dụ, một kết nối 3-dây được sử dụng cho RTDs/thermocouple và DS18B20 Sensor Digital.

3. Sử dụng bộ điều khiển 12V PID

Những lợi thế của việc sử dụng điều khiển nhiệt độ 12V PID

A. Độ chính xác cao: Các thuật toán PID cho phép bộ điều khiển áp dụng và tính toán các điều chỉnh chính xác. Điều này cho phép nó đạt được và duy trì điểm đặt nhiệt độ với độ chính xác cao, thường tốt hơn các bộ điều khiển trên/tắt.

Phép toán ổn định B. : Bằng cách sử dụng thuật toán PID và thuật ngữ dẫn xuất để ngăn chặn sự dao động nhiệt độ xung quanh điểm đặt, hệ thống có thể cung cấp một điều khiển nhiệt độ đáng tin cậy hơn.

C. Hiệu quả trong năng lượng: Các hệ thống PID giảm thiểu mất năng lượng bằng cách kiểm soát chính xác các thiết bị truyền động. Điều này được thực hiện để tránh quá nóng và làm mát chu trình. Điều khiển bộ truyền động làm giảm chính xác các chu trình nhiệt.

Độ tin cậy của các bộ điều khiển PID 12V được thiết kế tốt, đặc biệt là những bộ điều khiển được thiết kế cho môi trường gồ ghề như các ứng dụng ô tô 12V thường được xây dựng với các thành phần đã được lựa chọn cho độ tin cậy và độ ổn định của chúng. Rất dễ dàng để tích hợp nguồn cung cấp 12V vào một loạt các môi trường năng lượng chung.

Tính linh hoạt, cung cấp 12V thì linh hoạt và tương thích với nhiều nguồn điện khác nhau, như pin, phích cắm, hoặc hệ thống điện cho xe. Thông thường, bộ điều khiển xử lý chuyển đổi điện áp riêng của mình.

F. User-Friendly: Hầu hết các bộ điều khiển PID 12V có một giao diện HMI (người-máy), làm cho việc thiết lập đơn giản. Hiển thị nhiệt độ tại hiện tại và hiện tại. Các điều chỉnh điểm đặt và điều chỉnh PID có thể được thực hiện dễ dàng với các nút hoặc chiết áp. Led biểu thị trạng thái hệ thống.

Hiệu quả: Điều khiển độ chính xác làm giảm gradient nhiệt, nâng cao hiệu quả của các quy trình.

VII. Nên suy xét điều gì khi chọn và sử dụng các điều khiển PID 12V

A. Lựa chọn các cảm biến: Chọn cảm biến phù hợp nhất với ứng dụng của bạn (ví dụ thermistor hoặc thermocouple nếu bạn cần độ chính xác cao gần một điểm).

Khả năng tương thích của thiết bị truyền động: một bộ điều khiển có khả năng lái một thiết bị làm nóng/làm lạnh đã chọn (SSR hoặc MOSFET, ví dụ) phải có khả năng làm như vậy dựa trên nhu cầu điện.

C. cung cấp điện: lựa chọn cung cấp điện 12V với công suất đầy đủ hiện tại là rất quan trọng để đảm bảo hoạt động đáng tin cậy. Bộ điều khiển 12V này yêu cầu một bộ điều chỉnh điện áp bên trong.

Điều chỉnh PID: Điều chỉnh rất quan trọng cho hiệu suất. Ziegler Nichrome hoặc các tính năng điều chỉnh tự động như Ziegler là các phương pháp điều chỉnh thủ công phổ biến.

Khối nhiệt: Hiệu suất của bộ điều khiển bị ảnh hưởng bởi khối lượng nhiệt của hệ thống.

F. An toàn để vận hành an toàn, điều quan trọng là phải sử dụng dây chính xác, ngòi nổ và tính năng an toàn như cảnh báo quá nhiệt.

4. A. PID là một cách hiệu quả để duy trì ổn định nhiệt chính xác.

B. Bộ điều khiển nhiệt độ PID 12V này cung cấp độ chính xác và độ tin cậy, làm cho nó lý tưởng cho một loạt các ứng dụng sử dụng nguồn cấp điện tiêu chuẩn 12V.

C. Người dùng có thể tận dụng công nghệ quản lý nhiệt này bằng cách hiểu hoạt động và yêu cầu.