Bộ điều khiển nhiệt độ PID là gì?

1. Giới thiệu

Điều chỉnh nhiệt độ là một yêu cầu cơ bản cho một loạt các ứng dụng trong các môi trường công nghiệp, khoa học và thương mại. Điều kiện nhiệt ổn định không chỉ là một sự lựa chọn, mà còn là một yêu cầu cho nhiều ứng dụng. Họ có thể đảm bảo hiệu quả hoạt động, bảo vệ tính toàn vẹn của sản phẩm hoặc vật liệu, đáp ứng các quy định an toàn, tối ưu hóa sử dụng năng lượng, vv. Hệ thống điều nhiệt trên/tắt không đáp ứng được nhu cầu của Today' S ứng dụng cần kiểm soát tốt và kiên định. Để vượt qua những ràng buộc này, các chiến lược điều khiển tinh vi đã được phát triển, trong đó thuật toán điều khiển tỉ lệ-integral-derivative (PID) là một nền tảng. Thiết bị này, điều khiển nhiệt độ PID, thực hiện thuật toán này và cung cấp một giải pháp hiệu quả, đáng tin cậy cho các bài toán điều chỉnh nhiệt độ. Bài viết sẽ cung cấp một cuộc khám phá sâu về những gì một bộ điều khiển PID là, sử dụng như trọng tâm chính của nó một bộ điều khiển PID điều chỉnh nhiệt độ bên trong một vỏ bọc nhỏ. Bài viết này sẽ cung cấp một khám phá chi tiết về ý nghĩa của bộ điều khiển nhiệt độ PID, sử dụng làm trọng tâm của nó là một ví dụ cụ thể được thiết kế để điều chỉnh nhiệt độ bên trong trong một bao điện tử nhỏ. Bằng cách mổ và xem xét ví dụ cụ thể này, mô tả các hoạt động của nó trong một hệ thống vòng kín, minh họa nó áp dụng và thảo luận về quá trình điều chỉnh của nó, bạn có thể đạt được sự hiểu biết sâu sắc và hữu hình về cách thức mà PID hoạt động trong thực tế. Nó là mục tiêu để cung cấp một cách trình bày chi tiết và rõ ràng mà đáp ứng được E-E-A. T (chuyên môn, chuyên môn và thẩm quyền) tiêu chí trong lĩnh vực kiểm soát nhiệt độ và các hệ thống điều khiển.

2. Giải thuật PID: Tỉ lệ-tích phân-vi phân được giải thích

PID là lõi trí tuệ của các điều khiển nhiệt độ phức tạp. PID Algorithms thM& (bằng tiếng Anh)#Hàm số 39; s lõi là tính một hiệu chỉnh dựa trên việc so sánh trạng thái được đo lường và mong muốn của hệ thống. The Corrective Action& (bằng tiếng Anh)#Mục tiêu của S là giảm thiểu hiệu số, còn được gọi là tín hiệu lỗi. Kiểm tra PID' s thành phần sẽ giúp chúng ta hiểu thuật toán tốt hơn.

Tín hiệu lỗi trước tiên được bắt nguồn bằng một so sánh rất đơn giản nhưng quan trọng. Điểm đặt là nhiệt độ mong muốn của hệ thống. Người dùng có thể đặt nhiệt độ đích. Biến quá trình cũng quan trọng, vì nó là nhiệt độ hiện đang được đo bằng cảm biến trong hệ thống. Sự khác biệt giữa điểm đặt và biến quá trình là tín hiệu sai số: lỗi = biến quá trình điểm đặt. Những error& này#39; cường độ và tín hiệu xác định hành động sửa chữa.

PID tính toán các hành động điều chỉnh dựa trên ba thành phần mà mỗi thành phần góp phần vào một khía cạnh cụ thể của điều khiển.

Khâu tỷ lệ (P) : thuật ngữ này tạo ra một tín hiệu điều khiển tỷ lệ thuận với độ lớn của tín hiệu lỗi. Điều này có thể được biểu diễn bằng toán học bằng đầu ra P_= lỗi * Kp, trong đó Kp là độ lợi tỷ lệ. Độ lợi tỷ lệ này là những gì xác định cường độ của đáp ứng với một sai số. Độ lợi tỷ lệ tăng lên với một sai số lớn hơn, và ngược lại. P-term' hàm chính của s là làm giảm lỗi ngay lập tức. Nó thường dẫn đến những lỗi còn sót lại; Ví dụ, hệ thống có thể không đạt được điểm đặt chính xác và tiếp tục trôi dạt.

Khâu tích phân (I) : thuật ngữ này đề cập đến sự tích lũy lỗi theo thời gian. Tín hiệu lỗi được tích hợp theo thời gian, thường được đại diện bởi đầu ra i_= Ki * Errordt trong đó Ki đại diện cho lợi ích tích phân. Số hạng I liên tục tổng hợp các tín hiệu lỗi. Mục tiêu chính của thuật ngữ I là loại bỏ các lỗi trạng thái ổn định, lỗi nhỏ còn lại bởi thuật ngữ P. Số I tăng kết quả của nó nếu lỗi tiếp tục, bất kể nhỏ đến đâu. Điều này sẽ thúc đẩy thiết bị chấp hành cố gắng và loại bỏ lỗi. Thuật ngữ I có một bất lợi đáng kể nếu có lỗi tái diễn (chẳng hạn như dao động tại điểm đặt) bởi vì tích phân có thể dẫn đến vọt lố hoặc bất ổn.

Các thuật ngữ dẫn xuất (D) : Thuật ngữ này dựa trên tốc độ mà tín hiệu lỗi thay đổi. Đạo hàm được tính toán (d (lỗi/dt), và một đầu ra được tạo ra để đối phó với những thay đổi nhanh chóng. Đầu ra về mặt toán học bằng Kd * D (lỗi/dt), trong đó Kd đại diện cho lợi nhuận phái sinh. D hoạt động như một tác động làm giảm nhiệt. Thuật ngữ D dự đoán các lỗi trong tương lai dựa trên xu hướng hiện tại và làm mịn các tín hiệu điều khiển. Dự đoán làm giảm dao động có thể xảy ra khi số hạng P hoặc I quá mạnh và khiến nhiệt độ dao động quá mức giữa điểm đặt và bên ngoài. D-term cũng giúp tăng tốc độ phản ứng ban đầu vì nó dự đoán sự cần thiết phải chỉnh sửa trước khi chúng trở nên lớn hơn. Thuật ngữ D nhạy với nhiễu có thể xảy ra trong một tín hiệu lỗi và có thể khiến bộ điều khiển hành động thất thường.

Sự kết hợp ba thuật ngữ này thường được thực hiện bằng cách cộng chúng lại để tạo ra tín hiệu cuối cùng. Thiết bị truyền động nhận tín hiệu này để thực hiện hành động cần thiết. Điều quan trọng là cân bằng các số hạng P, D và I và điều chỉnh chúng để đạt được mức độ ổn định và chính xác cần thiết.

3. Điểm khác biệt giữa " controller" Và " nhiệt độ "?

A. các " Controller", ở dạng đơn giản nhất của nó, là một thiết bị so sánh trạng thái của hệ thống với trạng thái mong muốn. Sau đó nó điều chỉnh đầu ra để giảm thiểu sự khác biệt giữa hai trạng thái. Bộ điều khiển được sử dụng để theo dõi mức nhiệt độ và điều chỉnh nhiệt độ hoặc làm lạnh để đạt được nhiệt độ mong muốn.

B. Nhiệt độ là thước đo mức độ nóng hoặc lạnh của một chất, thường sử dụng một cảm biến nhiệt độ. Nó là phép đo mà hệ thống PID sử dụng để điều chỉnh nhiệt độ của quá trình.

Công nghệ dịch chuyển,Bộ điều khiển nhiệt độ PIDVà quot; Do đó là sự kết hợp của những khái niệm này. Nó sử dụng các thuật toán PID, được thực hiện trong một đơn vị điều khiển, để so sánh nhiệt độ đo được (quá trình biến đổi) với một nhiệt độ đặt và sau đó điều chỉnh các yếu tố làm nóng hoặc thiết bị làm mát (thiết bị truyền động), theo đó, để duy trì nhiệt độ đó.

4. Các thành phần quan trọng trong bộ điều khiển PID

Mặc dù sự phức tạp của một hệ thống PID có thể khác nhau, nó thường liên quan đến một số thành phần làm việc cùng nhau. Điều quan trọng là phải hiểu được các thành phần này để nắm bắt đầy đủ ý nghĩa và mục đích của bộ điều khiển nhiệt độ PID.

Giao diện B. của cảm biến nhiệt độ: thành phần chịu trách nhiệm đo một biến quy trình, nhiệt độ của hệ thống. Điều quan trọng là cảm biến có độ chính xác và độ tin cậy cao. Các loại phổ biến nhất là nhiệt nhiệt (còn được gọi là máy dò nhiệt độ trở kháng hoặc RTDs), cặp nhiệt điện và cảm biến kỹ thuật số như DS18B20. Việc lựa chọn cảm biến phụ thuộc vào phạm vi nhiệt độ, độ chính xác và ứng dụng của nó. Thông thường, nó kết nối với logic điều khiển thông qua các giao diện kỹ thuật số như 1-Wire và tín hiệu tương tự.

PID Controller&#Bộ não của S là C. Comparer/Controller logic: chức năng chính của bộ điều khiển là tính toán và sử dụng tín hiệu lỗi, đó là sự khác biệt giữa nhiệt độ điểm đặt và biến quy trình. Nó chứa phần mềm hoặc phần cứng để tính toán số hạng tích phân, đạo hàm và tỷ lệ, sau đó kết hợp chúng thành tín hiệu điều khiển cuối cùng. Logic này có thể được thực hiện trong một vi điều khiển.

Actuator một thiết bị truyền động là một thiết bị có tín hiệu điều khiển từ bộ điều khiển logic và ảnh hưởng trực tiếp đến biến của quá trình (nhiệt độ). Đó là tạp chí Actuator' S chịu trách nhiệm thực hiện hành động điều chỉnh đã tính toán PID. Rôm trạng thái rắn thường được sử dụng trong các hệ thống kiểm soát nhiệt độ để chuyển đổi các yếu tố làm nóng hoặc làm mát. Rái lực cơ học cũng có thể được sử dụng, nhưng CÁC SSR có xu hướng được ưa thích vì tốc độ chuyển mạch nhanh và thiếu các bộ phận chuyển động. Bộ điều khiển gửi tín hiệu đặc biệt tới các thiết bị truyền động. Điều này có thể là tín hiệu điều chế độ rộng xung (PWM), tín hiệu điện áp trực tiếp/dòng điện hoặc chuyển đổi tín hiệu điều khiển tín hiệu XÔ viết. Thiết bị chấp hành điều khiển lượng điện được chuyển đến bộ phận làm mát hoặc sưởi ấm.

5. Hệ thống điều khiển vòng kín

Các hệ thống vòng kín sử dụng phản hồi để điều khiển các biến quá trình. Các hệ thống vòng kín thường được minh họa bằng điều khiển nhiệt độ PID.

Hoạt động này được thực hiện như sau: Cảm biến nhiệt độ gửi thông tin về nhiệt độ đến bộ điều khiển logic. Phép đo này được so sánh với nhiệt độ điểm đặt bởi bộ điều khiển. Sự khác biệt này được gọi là tín hiệu lỗi. Tín hiệu lỗi này được xử lý bởi thuật toán PID, tạo ra một phản ứng điều chỉnh. Thiết bị chấp hành sau đó điều chỉnh nhiệt hoặc làm lạnh. Cảm biến đo nhiệt độ mới sau khi điều chỉnh, và điều này được sử dụng để cung cấp thông tin phản hồi. Bộ điều khiển sử dụng thông tin mới này để xác định hành động điều tiết tiếp theo. Sau đó, chu trình tiếp tục. Hệ thống điều chỉnh liên tục đến nhiệt độ mong muốn bằng cách sử dụng vòng kín này.

Các hệ thống vòng kín được sử dụng để tạo ra một vòng phản hồi trong một bộ điều khiển PID. Bộ điều khiển liên tục so sánh nhiệt độ của biến quá trình (điểm đặt) với nhiệt độ mong muốn (nhiệt độ thực tế) và điều chỉnh máy sưởi/bộ truyền động (actuator), để giảm lỗi.

6. Ví dụ ứng dụng: nghĩa

Rau DIếp#39; S xem xét một trường hợp đơn giản để hiểu rõ hơn bộ điều khiển PID là gì: nó điều chỉnh nhiệt độ trong một vỏ bọc nhỏ.

B. Tưởng tượng rằng một bao điện tử nhỏ chứa các thành phần nhạy cảm bị hư hỏng do nhiệt. Điểm đặt ở 50degC. Bộ điều khiển sử dụng DS18B20 để xác định nhiệt độ bên trong. Dữ liệu cảm biến được gửi đến logic của bộ điều khiển (ví dụ như một vi điều khiển). Vi điều khiển tính toán lỗi. (Nhiệt độ hiện tại ít hơn 50degC). Dựa trên lỗi, PID tính P, I và D. Bộ điều khiển này tạo ra MỘT PWM để đại diện cho hành động khắc phục được tính toán (ví dụ: tăng công suất sưởi ấm). Tín hiệu điều khiển PWM điều chỉnh phần tử làm nóng 12V được kết nối với bao bằng SSR. Hệ thống này đo nhiệt độ liên tục, tính toán lỗi và sau đó điều chỉnh công suất nhiệt. Hệ thống vòng kín đảm bảo rằng nhiệt độ bên trong thiết bị giữ gần 50degC. Đây là ví dụ điển hình về cách mà một bộ điều khiển PID hoạt động. Nó liên tục điều chỉnh một thiết bị truyền động (thành phần làm nóng) để duy trì nhiệt độ thiết lập.

Trong ví dụ này, bộ điều khiển PID được định nghĩa rõ ràng: Nó là một hệ thống PID sử dụng các khâu tích phân và phái sinh tỷ lệ để xác định các điều chỉnh cần thiết cho yếu tố làm nóng. Điều này được thực hiện bằng cách sử dụng một vòng phản hồi liên tục để đo nhiệt độ của lò sưởi và so sánh nó với điểm đặt. Nhiệt độ có thể được điều chỉnh chính xác và nhất quán trong bao bọc.

7. Lợi thế của việc sử dụng bộ điều khiển nhiệt độ PID

Bộ điều khiển PID là một lựa chọn phổ biến trong nhiều ứng dụng đòi hỏi phải kiểm soát nhiệt độ chính xác.

B. Những ưu điểm này dựa trên thuật toán PID#39; S khả năng quản lý tín hiệu lỗi và cung cấp các lợi ích sau.

ĐỘ chính xác C. : Bởi vì thuật toán PID có thể tính toán các hành động điều chỉnh dựa trên các lỗi, nó có thể điều chỉnh nhiệt độ rất chính xác. Độ chính xác cao có nghĩa là bộ điều khiển có thể duy trì các biến quá trình rất gần điểm đặt. Thuật ngữ PID được sử dụng để đạt được điều này: thuật ngữ P cung cấp một sự điều chỉnh ngay lập tức#39; s tỉ lệ với sai số. Thuật ngữ I loại bỏ lỗi trạng thái ổn định theo thời gian. Và D-term dự đoán những thay đổi và ngăn chặn các hiện tượng tăng vọt và dao động. Độ chính xác cao có nghĩa là bộ điều khiển có thể duy trì nhiệt độ trong các dung sai chặt chẽ. Điều này rất quan trọng trong việc bảo vệ các thành phần nhạy cảm và để đảm bảo các hoạt động đáng tin cậy.

Hoạt động ổn định: số hạng D trong thuật toán PID giúp ngăn chặn dao động. Hoạt động ổn định có nghĩa là hệ thống ổn định tại điểm presetpoint, mà không có bất kỳ chu kỳ hoặc biến động quá mức nào. Các D-term dampens đáp ứng và dự đoán những thay đổi, ngăn chặn hệ thống di chuyển cuồng loạn. Hoạt động ổn định có nghĩa là nhiệt độ có thể được duy trì theo khả năng dự đoán và đáng tin cậy.

Hiệu quả năng lượng: Các thuật toán PID cung cấp điều khiển chính xác cho phép bộ điều khiển điều chỉnh chính xác năng lượng sưởi ấm. Hiệu quả năng lượng có nghĩa là bộ điều khiển chỉ áp dụng công suất cần thiết để đạt được và duy trì nhiệt độ mong muốn. Hệ thống giảm sử dụng năng lượng bằng cách tránh việc sưởi ấm không cần thiết. Hiệu quả năng lượng có nghĩa là hệ thống làm giảm năng lượng lãng phí.

F. độ tin cậy: định nghĩa về độ tin cậy là khả năng thực hiện chức năng của bạn một cách ổn định theo thời gian. Ý nghĩa này bị ảnh hưởng bởi các thành phần được lựa chọn cho bộ điều khiển. Đây là ý nghĩa của độ tin cậy: hệ thống sẽ cung cấp điều hòa nhiệt độ đáng tin cậy.

Tính linh hoạt này đề cập đến thực tế rằng bộ điều khiển có thể thích nghi cho các ứng dụng khác nhau, bằng cách thay đổi cảm biến, thiết bị truyền động và điểm đặt của nó. Tính linh hoạt là khả năng sử dụng bộ điều khiển trong các kịch bản khác nhau yêu cầu điều chỉnh nhiệt độ.