Hiểu biết mạch điều khiển nhiệt độ PID: phân tích chi tiết

1. Giới thiệu

Việc điều chỉnh nhiệt độ là một yêu cầu đối với vô số ứng dụng công nghiệp, khoa học và thương mại. Để có hiệu quả hoạt động, tính toàn vẹn của sản phẩm và sự an toàn, cũng như tối ưu hóa sử dụng năng lượng, điều cần thiết để duy trì các điều kiện nhiệt chính xác. Các quá trình hiện đại nhu cầu chính xác và đáp ứng, nhưng các phương pháp kiểm soát nhiệt độ truyền thống thường không đủ. Để giải quyết những hạn chế này, các chiến lược điều khiển tinh vi đã được phát triển, trong đó thuật toán điều khiển tỷ lệ-tích phân (PID) chiếm ưu thế. Thuật toán này được thực hiện một cách rất tinh vi bởi mạch điều khiển nhiệt độ PID. Nó cho phép điều chỉnh chính xác các biến quy trình bằng cách sử dụng thông tin phản hồi được cung cấp từ các cảm biến nhiệt độ. Bài báo dự định là một cuộc khám phá toàn diện mạch điều khiển PID. 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, kiểm tra các phương pháp thực hiện phổ biến 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 quản lý nhiệt.

2. Các thành phần cốt lõi trong mạch điều khiển nhiệt độ PID

Bộ điều khiển PID, bộ so sánh hoặc máy dò lỗi, và bộ truyền động là những thành phần thiết yếu mà phải làm việc cùng nhau. Bộ cảm biến nhiệt độ là một trong những thành phần. Các phần tử khác bao gồm bộ so sánh, dò lỗi, bộ phận PID, bộ truyền động và nguồn điện. Nhiều triển khai thực tế cũng bao gồm một giao diện người-máy cho User' s Tương tác. Những thành phần này đóng một vai trò duy nhất và quan trọng trong quá trình kiểm soát.

Cảm biến nhiệt độ là phần tử cảm biến chính trong mạch. The Temperature Sensor& (bằng tiếng Anh)#39; hàm chính của s là đo chính xác biến quy trình được yêu cầu. Độ chính xác và chất lượng đo lường nhiệt độ ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả của hệ thống kiểm soát. Những mạch này sử dụng một loạt các cảm biến nhiệt độ, tất cả đều có các tính chất độc đáo. Các cặp nhiệt điện là loại phổ biến, vì chúng tạo ra một điện áp tỷ lệ với nhiệt độ. Chúng cũng được biết đến là mạnh mẽ và có một loạt các hoạt động. Máy dò nhiệt độ điện trở, thường được làm từ bạch Kim, có độ chính xác cao và có độ chính xác cao, đặc biệt là trên một phạm vi nhất định. Máy so sánh/máy dò lỗi:

Bộ so sánh là một thành phần quan trọng của hệ thống điều khiển PID. Nó thực hiện chức năng này sau khi cảm biến đã thực hiện các phép đo. Bộ so sánh so sánh nhiệt độ quy trình đo được với nhiệt độ điểm đặt được xác định bởi người sử dụng cuối. Kết quả của việc so sánh này là một tín hiệu lỗi đại diện về mặt toán học sự khác biệt giữa giá trị thực tế và điểm đặt mong muốn. Bộ điều khiển PID sau đó đưa tín hiệu lỗi này vào thiết bị của nó. Tín hiệu lỗi này được truyền trực tiếp vào bộ điều khiển PID.

Bộ điều khiển PID:

Đơn vị này hoạt động như bộ não của mạch điện. Nó chịu trách nhiệm xử lý các tín hiệu lỗi và sinh ra đầu ra điều khiển chính xác. Đơn vị này được thực hiện theo nhiều cách khác nhau, nhưng hai cách tiếp cận chính là phổ biến nhất: mạch kỹ thuật số sử dụng DSPs hoặc vi điều khiển. Logic cơ bản là như nhau bất kể thực thi là thế nào. Nó bao gồm tính toán đóng góp cho ba số hạng PID, tích phân và đạo hàm tỷ lệ.

Số hạng tỷ lệ (P) : số hạng này tạo ra một tín hiệu đầu ra tỷ lệ thuận với độ lớn của sai số. Khâu tỉ lệ sẽ bắt đầu một hành động khắc phục mạnh hơn nếu nhiệt độ lệch khỏi điểm đặt. Khâu tỷ lệ là một phản ứng ban đầu nhanh chóng để đưa nhiệt độ trở lại mục tiêu.

Khâu tích phân (I) : Thuật ngữ tích phân này được dùng để chỉ sự tích lũy lỗi. Khâu tích phân tích hợp các tín hiệu lỗi theo thời gian để tạo ra một tín hiệu điều khiển tăng (hoặc giảm) để đáp ứng miễn là có lỗi, bất kể nhỏ đến đâu. Tích hợp terM' s mục tiêu chính là loại bỏ bất kỳ lỗi trạng thái ổn định nào. Tức là, để đảm bảo nhiệt độ ổn định chính xác tại điểm đặt và không hơi lệch lạc một chút.

Các thuật ngữ dẫn xuất (D) : Một thuật ngữ phái sinh là dự đoán các lỗi tương lai, dựa trên tốc độ thay đổi của tỷ lệ lỗi. Đầu ra điều khiển được thiết kế để chống lại những thay đổi trong lỗi đang xảy ra nhanh chóng. Nó giúp giảm bất kỳ dao động nào có thể xảy ra khi số hạng P-I là quá tích cực. Điều này ngăn cản nhiệt độ vượt quá điểm đặt của nó, và cho phép nó ổn định một cách trôi chảy. Điều này cũng giúp tăng tốc thời gian phản ứng ban đầu bằng cách dự đoán bất kỳ điều chỉnh nào có thể cần thiết.

Sau đó, tín hiệu điều khiển tổng thể này được hình thành bằng cách kết hợp các đầu ra của các phép tính P, D và I. Tín hiệu được sử dụng để đại diện cho nhiệt độ mong muốn thường là một dòng điện hoặc điện áp.

Nó là thiết bị chấp hành thực hiện các lệnh tạo bởi điều khiển PID. Chuyên viên tính toán và kiểm tra#Chức năng chính của S là điều chỉnh nhiệt hoặc nguội vào quá trình để giảm thiểu lỗi phát hiện bởi một bộ so sánh. Trong các mạch điều khiển nhiệt độ, thiết bị truyền động phổ biến là các yếu tố làm nóng điện như cuộn dây điện trở (máy sưởi vết thương dây), làm tăng nhiệt độ quá trình. Các yếu tố làm mát bao gồm thiết bị Peltier (nhiệt điện làm mát) hoặc quạt, làm giảm nhiệt độ quá trình. Ráp trạng thái rắn thường được sử dụng để kiểm soát các yếu tố làm nóng và làm mát này. Các rơ-le trạng thái rắn (SSR) là các chuyển mạch trạng thái rắn điện tử có thể điều khiển công suất để tải một cách chính xác.

Nguồn năng lượng:

Một nguồn cung cấp năng lượng ổn định, đầy đủ và đáng tin cậy là cần thiết cho tất cả các thành phần điện tử trong mạch PID. Các đơn vị cung cấp điện chuyển đổi điện áp chính (ví dụ AC 230V, DC 24V, vv) sang các điện áp DC cần thiết cho các bộ cảm biến, các bộ so sánh, bộ điều khiển PID, bộ truyền động điều khiển (nếu cần) và HMI. Thiết kế cung cấp điện phải mạnh mẽ và có thể xử lý toàn bộ hiện tại được vẽ bởi mạch trong mọi điều kiện.

Giao diện con người - Máy móc

3. Làm thế nàoBộ điều khiển nhiệt độ PIDMạch hoạt động: vòng điều khiển

Dễ dàng nhất để hiểu hoạt động của mạch điều khiển nhiệt độ PID bằng cách sử dụng khái niệm hệ thống vòng kín, cũng có thể được gọi là hệ thống điều khiển phản hồi. Hệ thống liên tục giám sát và điều chỉnh để giảm độ lệch của điểm đặt. Quá trình này là một chu trình không đổi.

A. hệ thống phản hồi:

1. Cảm biến nhiệt độ: Cảm biến đo liên tục nhiệt độ có mặt trong quá trình.

2. Giai đoạn so sánh sau đó xử lý dữ liệu thô về nhiệt độ, thường được biểu diễn dưới dạng thay đổi điện áp hoặc điện trở. Tùy thuộc vào loại cảm biến, quá trình xử lý này có thể liên quan đến điều hòa tín hiệu, chẳng hạn như khuếch đại hoặc tuyến tính hóa.

3. Đầu ra của bộ so sánh là nhiệt độ được đo, ở dạng thích hợp cho điều khiển PID (ví dụ như điện áp).

4. Các đơn vị PID sau đó sẽ sử dụng giá trị đo nhiệt độ này làm đầu vào.

B. Phép tính của PID:

1. Tín hiệu lỗi trong đơn vị điều khiển PID được tính bằng chênh lệch giữa nhiệt độ đo được và nhiệt độ đặt định nghĩa trước (sai số = nhiệt độ đo được - điểm đặt).

2. Thuật toán PID sử dụng lỗi này làm đầu vào chính của nó. Lỗi này được xử lý bởi bộ điều khiển theo thời gian. Nó tính toán sự đóng góp của tích phân và các thuật ngữ vi phân tỷ lệ bằng cách sử dụng logic nội bộ (Kp) của nó, và các thông số điều chỉnh.

3. Tín hiệu điều khiển tổng thể này được tạo ra bởi một bộ điều khiển PID. It' s tổng các kết quả P, D và I. Tín hiệu điều khiển là mức độ hiệu chỉnh mong muốn. Một lỗi tích cực, chẳng hạn như nhiệt độ thực tế > Điểm đặt, thường sẽ dẫn đến các tín hiệu điều khiển dương, chỉ ra sự cần thiết để nhiệt, trong khi một sai số lệch âm, thường sẽ dẫn đến các tín hiệu điều khiển âm, chỉ ra sự cần thiết để làm mát. Cường độ của một tín hiệu điều khiển được xác định bởi độ lớn của nó.

C. Thực tế:

1. Một tín hiệu điều khiển được truyền đến bộ truyền động, mà thường đến từ bộ điều khiển PID dưới dạng điện áp hoặc dòng điện.

2. Tín hiệu này được nhận bởi thiết bị truyền động, sau đó chuyển nó thành hành động vật lý. Thiết bị chấp hành sẽ tăng lượng công suất được chuyển đến lò sưởi nếu tín hiệu từ XÔ viết chỉ ra rằng quá trình cần được làm nóng. Nếu cần làm mát, một thiết bị truyền động có thể kích hoạt một Peltier hoặc quạt. Là một thiết bị trạng thái rắn, SSR cho phép điều chế trơn trợt của nhiệt độ nóng/làm mát dựa trên các tín hiệu điều khiển, dẫn đến điều chỉnh nhiệt độ chính xác hơn.

Hệ thống phản ứng D.

1. Hoạt động chấp hành trực tiếp ảnh hưởng đến nhiệt độ của hệ thống. Khi nhiệt độ hệ thống bắt đầu tăng, nó bắt đầu di chuyển về phía điểm đặt mong muốn.

2. Các cảm biến nhiệt độ liên tục đo giá trị khi nó thay đổi.

3. Chu trình được lặp lại: đo lường, so sánh, tính toán PID, tính toán thực tế.

Giải thích các hiệu ứng P, I và D:

Tương tác giữa các toán hạng P, D và I là những gì xác định hành vi động và sự ổn định trong vòng lặp. Chu kỳ tỷ lệ cho một phản ứng ngay lập tức đó là tỷ lệ thuận với sai số. Điều này giúp giảm độ lệch nhanh, nhưng có thể để lại phần dư. Tích phân loại bỏ các lỗi trạng thái ổn định theo thời gian, bằng cách cộng lỗi. Tuy nhiên, số hạng tích phân có thể giới thiệu độ trễ, nếu sai số đang thay đổi chậm hoặc quá trình windup tích phân xảy ra (khi số hạng tích phân trở nên quá lớn). Bằng cách đảo ngược sai số thay đổi nhanh, nó làm tăng sự ổn định. Thuật ngữ phái sinh hoạt động như một thiết bị giảm xóc, cải thiện tính mượt mà của đáp ứng hệ thống. Điều quan trọng là phải tìm ra sự cân bằng hoàn hảo cho P, I và D (Kp Ki Kd). Đây là cách duy nhất để kiểm soát nhiệt độ nhanh, chính xác và ổn định.

4. Các kỹ thuật thực hiện phổ biến

Bạn có thể cài đặt thuật toán PID bằng những linh kiện điện tử analog hoặc vi xử lý số. Mỗi phương pháp đều có lợi thế và bất lợi riêng.

A Analog Implementation using Op-Amps:

Bộ điều khiển nhiệt độ analog PID được xây dựng bằng cách kết hợp các bộ khuếch đại thuật toán với điện trở và tụ điện. Máy dò lỗi/bộ so sánh thường được hình thành bằng cách sử dụng bộ khuếch đại vi phân và bộ khuếch đại tổng. Các điện trở mạng được sử dụng để tạo ra một bộ phân điện áp tỷ lệ lỗi. I-term sử dụng một bộ tích hợp (thường là một opamp trong một vòng phản hồi với một điện dung), trong đó điện áp đầu ra được sử dụng để tích hợp lỗi. D-term thường được thực hiện với một mạch vi phân, có thể ít phổ biến trong thế giới thực do độ nhạy tiếng ồn của nó. Nó cũng có thể được xấp xỉ bằng cách sử dụng một bộ lọc thông thấp và bộ khuếch đại phái sinh trên các tín hiệu lỗi. Các ứng dụng tương tự đơn giản hơn, nhanh hơn và chính xác hơn cho các ứng dụng đơn giản. Tuy nhiên, chúng cũng có thể nhạy cảm với tiếng ồn điện, dung nạp thành phần và sự trôi dạt nhiệt độ. Điều chỉnh Potentiometer có thể yêu cầu điều chỉnh thủ công, trong khi đạt được độ chính xác cao là khó khăn. Mạch PID tương tự là một giải pháp tốt để điều khiển nhiệt độ đơn giản trong đó hiệu suất ISN' T tới hạn.

B. triển khai kỹ thuật số sử dụng bộ vi điều khiển hoặc bộ xử lý tín hiệu số:

Trong những năm gần đây, các hệ thống điều khiển nhiệt độ PID kỹ thuật số đang được triển khai, thường sử dụng bộ vi điều khiển hoặc bộ xử lý tín hiệu kỹ thuật số. Analog-to-Digital Converters (ADC) được sử dụng để chuyển đổi các giá trị tương tự từ các cảm biến nhiệt độ thành các giá trị kỹ thuật số. Sau đó MCU/DSP thực thi thuật toán PID dựa trên các thường trình phần mềm được lưu trữ trong bộ nhớ của nó. Các phép tính PID kỹ thuật số là các phép toán đơn giản được thực hiện trên các giá trị lỗi kỹ thuật số. Bộ điều khiển sau đó sẽ tạo ra tín hiệu số sau khi tính toán đầu ra P, I và D. Tín hiệu có thể được gửi trực tiếp đến bộ chuyển đổi kỹ thuật số sang analog để tạo ra một điện áp tương tự để điều khiển MỘT SSR hoặc được sử dụng để tạo ra tín hiệu điều chế chiều rộng xung (PWM), đặc biệt hiệu quả để điều khiển SSRs và các thiết bị truyền động khác. Việc thực hiện kỹ thuật số có nhiều ưu điểm so với phương pháp tương tự. ADC/DAC có độ phân giải hữu hạn, cho phép phần mềm dễ dàng sửa đổi và điều chỉnh các thông số PID. Nó cũng cung cấp sự linh hoạt hơn khi kết hợp chẩn đoán hoặc chiến lược kiểm soát tiên tiến. Bộ điều khiển kỹ thuật số cũng dễ dàng kết nối với các hệ thống kỹ thuật số khác để điều khiển và giám sát (ví dụ như máy tính hoặc mạng). Điều quan trọng là phải có kiến thức lập trình và sức mạnh tính toán, nhưng MCUs hiện đại có thể xử lý hầu hết các tính toán PID.

5.Điều chỉnh thông số:

Độ lợi tỷ lệ (Kp). Tham số xác định mức độ đáp ứng của hệ thống đối với sai số. Kp cao hơn có thể dẫn đến các phản ứng nhanh hơn, nhưng nó cũng có thể làm tăng dao động và bất ổn.

Tham số độ lợi tích phân (Ki). Nó là thước đo hiệu ứng tích lũy của các lỗi trước đó. Ki cao hơn có thể giúp loại bỏ lỗi nhanh hơn, nhưng nó cũng có thể làm cho hệ thống phản ứng chậm hơn và nhạy cảm hơn với nhiễu.

Lợi nhuận phái sinh (Kd). Các tham số là một yếu tố dự đoán các lỗi trong tương lai, dựa trên các thay đổi tỷ lệ. Kd làm giảm dao động tốt hơn, nhưng nó cũng có thể nhạy hơn với tiếng ồn trong phép đo. Điều này có thể dẫn đến những hành vi thất thường.

Những phương pháp điều chỉnh chung:

Phương pháp Ziegler Nichols: Nó là một heuristic được sử dụng rộng rãi đòi hỏi hai bước. Đầu tiên, xác định một "lợi ích cuối cùng" (Ku), và một "thời kỳ cuối cùng" (Tu) của hệ thống. Điều này liên quan đến việc tăng dần tỷ lệ tăng (Kp) lên cho đến khi các dao động đạt đến một tần số không đổi (được gọi là chu kỳ cuối cùng). Độ lợi PID được tính bằng cách sử dụng các công thức dựa trên Ku hoặc Tu. Phương pháp này, trong khi tương đối đơn giản, phù hợp nhất cho quy trình bậc nhất, xử lý tốt. Nó có thể cần được điều chỉnh cho thứ tự cao hơn hoặc các triển khai khác, chẳng hạn như kỹ thuật số so với analog.

Phần mềm tự động điều chỉnh: Hầu hết các bộ điều khiển PID kỹ thuật số hiện đại có công thức tự động điều chỉnh được xây dựng. Các thuật toán điều chỉnh các tham số PID tự động bằng cách áp dụng các nhiễu và theo dõi các phản hồi. Người dùng có thể giảm nỗ lực điều chỉnh của họ xuống một lượng đáng kể.

Điều chỉnh bằng tay: Điều này có thể cần thiết trong một số tình huống, đặc biệt là đối với các hệ thống đơn giản, hoặc khi điều chỉnh tự động không có. Nó liên quan đến việc điều chỉnh các giá trị Kd, Ki và Kp lặp lại, dựa trên các phản ứng hệ thống được quan sát, sử dụng các quy tắc ngón tay cái hoặc các phương pháp đồ họa chi tiết.

Bất kể phương pháp nào được sử dụng, điều quan trọng là chọn một Kp, Kd, và Ki bộ mà sẽ dẫn đến một hệ thống điều khiển ổn định, chính xác và đáp ứng, giữ nhiệt độ của quá trình gần điểm đặt của nó, với ít overshoot hoặc dao động.

6. Lợi thế của việc sử dụng mạch điều khiển nhiệt độ PID

Việc áp dụng mạch điều khiển PID có nhiều ưu điểm so với các phương pháp điều khiển khác, đặc biệt là trong các ứng dụng đòi hỏi độ chính xác và độ tin cậy cao.

Độ chính xác cao và điều khiển chặt: bởi vì thuật toán PID có thể tính toán hành động điều chỉnh dựa trên lỗi, nó có thể giữ nhiệt độ của quá trình rất gần với điểm đặt của nó. Điều này cho phép kiểm soát nhiệt độ chính xác hơn nhiều điều khiển on-off (Bang-Bang).

Giảm sự phóng đại và phản ứng nhanh hơn: So với điều khiển bật/tắt, nơi nhiệt độ có thể vượt quá trước khi ổn định điểm đặt, PID có thể làm cho nhiệt độ gần điểm đặt nhanh hơn và có độ lệch ít hơn. Điều này có thể dẫn đến một phản ứng tổng thể nhanh hơn.

Cải thiện sự ổn định và giảm dao động: dẫn xuất trong các thuật toán PID giúp làm giảm các dao động mà có thể được gây ra bởi sự chuyển đổi tích cực xảy ra với các bộ điều khiển đơn giản hơn. Quá trình kiểm soát nhiệt độ trở nên trơn tru và ổn định hơn.

Xử lý nhiễu một cách hiệu quả: Nói chung, các hệ thống PID có thể xử lý nhiễu tốt hơn - những thay đổi không lường trước được đối với môi trường hoặc quá trình. Vòng phản hồi là liên tục, cho phép bộ điều khiển xác định độ lệch trong thời gian thực và thực hiện điều chỉnh tương ứng. Điều này giúp duy trì một hệ thống ổn định.

7. Nhược điểm & Cân nhắc

Mạch PID không phải là không có những thử thách.

Thiết kế, thực hiện và điều chỉnh các bộ điều khiển PID có thể phức tạp hơn nhiều so với các bộ điều khiển On-Off đơn giản. Điều quan trọng là phải hiểu các thuật toán PID và động lực học của quá trình đang được điều khiển.

Yêu cầu điều chỉnh: Điều chỉnh đúng, như đã đề cập ở trên, là điều thiết yếu. Có thể mất rất nhiều thời gian để tìm được các giá trị PID tốt nhất. Chuyên môn thường được yêu cầu. Một sự điều chỉnh sai có thể dẫn đến một hiệu suất tối ưu hoặc không ổn định.

Độ nhạy tiếng ồn: một controller' term tích phân s có thể bị ảnh hưởng bởi nhiễu từ tín hiệu của cảm biến nhiệt độ hoặc bất kỳ phần nào khác của mạch. Bộ điều khiển có thể cần thiết để sử dụng các kỹ thuật lọc để đảm bảo hoạt động đáng tin cậy.

Chi phí của các thành phần: triển khai kỹ thuật số cần vi điều khiển và DSP cũng như ADC và DACs.