Bộ điều khiển nhiệt độ PID là gì? Sách hướng dẫn toàn diện

I. I. Giới thiệu: Điều khiển chính xác và mệnh lệnh của nó

 Sử dụng, và giải quyết các vấn đề với các thiết bị này nếu bạn hiểu các phương pháp how".

II. Các thành phần cốt lõi được tháo dỡ: Điều khiển PID là gì?

Bộ điều khiển PID duy trì một quá trình biến đổi (như nhiệt độ) trong một điểm đặt với độ chính xác rất cao. It' S quan trọng để hiểu khả năng của các thành phần của nó.

Quá trình: Đây là hệ thống điều khiển. Quá trình trong hoàn cảnh của chúng ta thường là một hệ thống làm mát hoặc sưởi ấm như bồn tắm nước hoặc lò phản ứng hóa học. Chúng tôi quan tâm đến nhiệt độ.

Cảm biến: đo nhiệt độ xử lý. Các cảm biến bao gồm:

Các cặp nhiệt điện được làm từ hai Kim loại đã được nối với nhau tại một điểm (đường kết nối đo lường). Các cặp nhiệt điện tạo ra một điện áp tỷ lệ với sự khác biệt nhiệt độ giữa một kết nối đo lường và giao điểm tham chiếu. Chúng chắc chắn, rẻ tiền và có thể được sử dụng cho một phạm vi nhiệt độ lớn. Bồi thường giao kèo lạnh phải được thực hiện bởi bộ điều khiển.

Máy dò nhiệt độ điện trở: điện trở của chúng thay đổi theo nhiệt độ, giống như máy phát RTG bạch Kim. Các cảm biến này chính xác và ổn định hơn so với các cặp nhiệt điện và they' RE thường được sử dụng cho các ứng dụng trong phòng thí nghiệm hoặc có độ chính xác cao. Điều hòa tín hiệu là cần thiết (ví dụ: sử dụng một mạch tích hợp hoặc Pt100 Module). Có những loại khác, nhưng They' Re ít phổ biến hơn trong các điều khiển PID tiêu chuẩn.

Điều khiển: đó là &QUot; Brain" Của hệ thống. Bộ điều khiển tương tự có truyền thống sử dụng các mạch bao gồm bộ khuếch đại thuật toán và tụ điện để thực thi thuật toán. Hầu hết các bộ điều khiển hiện đại sử dụng kỹ thuật số và bộ vi xử lý (MCU) để tính toán. Nó cho phép tính linh hoạt và khả năng lập trình cao hơn. Bộ điều khiển này lấy tín hiệu cảm biến thô, chuyển nó thành kỹ thuật số (A/D hoặc tương tự g-thành kỹ thuật số), chạy thuật toán và sau đó tạo ra tín hiệu điều khiển.

Phần tử điều khiển cuối cùng (Actuator). Thành phần này là bộ điều khiển cuối cùng và nhận tín hiệu từ bộ điều khiển nhiệt số. Sau đó, nó có hành động vật lý để ảnh hưởng đến nhiệt độ quá trình. Các cơ cấu chấp hành bao gồm:

Trạng thái rắn: Công tắc điện tử mà bật và tắt công suất để làm nóng các yếu tố dựa trên các tín hiệu điều khiển.

Đầu ra của bóng bán dẫn điện: được sử dụng để thay đổi số lượng điện năng được phân phối cho các phần tử sưởi ấm trở lại (ví dụ như một điện trở hoặc cuộn dây sưởi ấm).

Chuyển mạch cơ khí để chuyển mạch công suất cao bằng cách sử dụng một tín hiệu điều khiển công suất thấp (thường kết hợp với các thiết bị chấp hành khác).

Van Solenoids: được sử dụng để điều chỉnh dòng chảy của chất làm lạnh và chất làm nguội trong hệ thống làm mát.

III. Khái niệm cốt lõi: cầu nối khoảng cách giữa nhiệt độ điểm đặt và nhiệt độ quá trình

Một PID Controller' S mục tiêu cơ bản là giảm chênh lệch nhiệt độ giữa nhiệt độ đặt và nhiệt độ thực tế. Sự khác biệt này được gọi là tín hiệu lỗi. Lỗi này được tính toán bởi bộ điều khiển, liên tục theo dõi và đo nhiệt độ của quá trình, so sánh với điểm đặt.

Chu trình đo: sử dụng mạch đầu vào của nó, bộ điều khiển nhận được nhiệt độ sensor' S Báo hiệu. Mạch chịu trách nhiệm điều hòa tín hiệu, khuếch đại và lọc (chẳng hạn như bù nối lạnh trong các cặp nhiệt điện, hoặc tuyến tính hóa của RTDs).

Tính toán lỗi: Trong điều khiển số, bộ xử lý số chuyển tín hiệu điều hòa thành giá trị nhiệt độ. Nhiệt độ đo được so sánh với điểm đặt do người dùng xác định. Kết quả của việc so sánh này là tín hiệu lỗi: điểm đặt = nhiệt độ đo.

Thuật toán PID là trung tâm của trí thông minh điều khiển. Bộ điều khiển sử dụng tín hiệu được tính toán để tạo ra một đầu ra cho bộ truyền động. It' s quan trọng cần lưu ý rằng đầu ra này không chỉ phản ứng với sai số hiện có; Đúng hơn, đó là một phép tính phức tạp có tính đến quá khứ của các lỗi.

IV. Trái tim toán học: Phá vỡ thuật toán PID - Tích phân và đạo hàm tỷ lệ

Thuật toán là sự kết hợp của ba số hạng mà mỗi số hạng phản ứng khác nhau đối với tín hiệu. Điều quan trọng là phải hiểu được các thành phần này để nắm bắt hoàn toàn cách các bộ điều khiển PID đạt được kiểm soát chính xác.

Kiểm soát tỷ lệ với (P) :

Nguyên tắc: Điều khiển tỷ lệ phản ứng ngay lập tức với cường độ hiện tại của tín hiệu lỗi. Tác dụng điều khiển tỷ lệ với sai số.

Biểu diễn toán học: tính đầu ra của thành phần P là: Output_P = lỗi trong đó Kp đại diện cho độ lợi tỷ lệ. Các dải tỷ lệ cũng được sử dụng để biểu diễn đầu ra. Một PB nhỏ hơn chỉ Kp cao hơn. Nếu sai số là 5degC và giá trị Kp là 2, thì đầu ra của thành phần P có thể là 10 đơn vị. (Ý nghĩa thực tế sẽ phụ thuộc vào phạm vi đầu ra cho bộ điều khiển, chẳng hạn như 0-100%, hoặc 0-20mA). Thành phần P là lớn khi ở trên & trên#39; s là một sai lầm lớn. Điều này thúc đẩy thiết bị chấp hành làm việc chăm chỉ để sửa chữa nó.

Lợi ích: phản ứng nhanh chóng với những thay đổi ban đầu về nhiệt độ quá trình hoặc điểm đặt.

Nhược điểm: Điều khiển tỷ lệ chỉ đáp ứng với các lỗi hiện tại, để lại một độ dư. Nếu nhiệt độ điểm đặt là 100degC nhưng nó ổn định khoảng 98degC Bộ điều khiển P dừng áp dụng hiệu chỉnh đầy đủ, tuy nhiên nhiệt độ sẽ không bao giờ đạt đến điểm đặt.

Tích hợp điều khiển:

Quan niệm: Điều khiển tích phân phản ứng theo thời gian với sự tích lũy các lỗi. Mục đích là để loại bỏ sự bù trừ còn lại do hành động P-gây ra, bằng cách liên tục tổng hợp các lỗi.

Biểu diễn toán học: Đầu ra của thành phần I có thể được tính bằng: Output_I = Error * Ki, trong đó Ki là độ lợi tích phân. Khâu tích phân này cộng thêm các sai số theo thời gian, và sau đó áp dụng một hành động điều chỉnh tỷ lệ với tổng đó. Khâu tích phân tăng lên nếu lỗi tiếp tục, buộc các thiết bị truyền động làm việc lâu hơn hoặc khó hơn cho đến khi nó bằng không.

Windup tích hợp: một vấn đề có thể xảy ra nếu một thiết bị truyền động không thể đạt được vị trí mong muốn. (Ví dụ, tiếp sức có thể được bật đầy đủ nhưng nhiệt độ của quá trình là quá thấp). Tích phân windup là một điều kiện mà số hạng tích phân tích được và có thể đạt đến một giới hạn. Nó có thể dẫn đến sự chậm trễ lâu dài nếu cần thiết. Các bộ điều khiển hiện đại sử dụng các kỹ thuật chống windup.

Lợi ích: làm giảm các lỗi liên quan đến kiểm soát tỷ lệ, mà thường gây ra bởi " sự ổn định " (Offset). Điều này dẫn đến sự tuân thủ chính xác hơn nhiều với các điểm đặt.

Bất lợi: có thể gây quá mức khi nhiệt độ cao hơn điểm đặt và có thể làm chậm phản ứng tổng thể nếu hành động tích phân quá mạnh. Điều này cũng cần được điều chỉnh cẩn thận.

Đạo hàm (D) Điều khiển:

Quan niệm: Kiểm soát phái sinh dựa trên tỷ lệ thay đổi trong tín hiệu của sai số. Hệ thống dự đoán các lỗi bằng cách phân tích các lỗi hiện tại phát triển nhanh như thế nào.

Biểu diễn toán học: Đầu ra của thành phần D có thể được tính bằng: Output_D = (Kd * D (lỗi), / DT), nơi Kd là độ lợi đạo hàm, thường liên quan đến thời gian đạo hàm Td. Thuật ngữ này có công nghệ "đánh hơi", "braking"", Ảnh hưởng. Thành phần D thêm điện trở vào hệ thống nếu lỗi tăng nhanh (nhiệt độ tăng quá nhanh về phía điểm đặt). Nếu lỗi giảm nhanh, điều này cung cấp một sự tăng nhỏ để chống lại quán tính hệ thống.

Lợi ích: tăng sự ổn định và giảm sự phóng đại.

Bất lợi: Hành động phái sinh nhạy cảm với tiếng ồn (gây ra bởi nhiễu điện hoặc dự thảo) trong tín hiệu nhiệt độ. Đôi khi cần thiết để lọc tín hiệu đầu vào. Bộ lọc không có tác động nếu có một lỗi hằng số (không quan trọng là lớn đến đâu).

Kết hợp ba phần tử P, I và D. Đây là đầu ra cuối cùng được gửi đến bộ chấp hành. Đầu ra = Output_P plus Output_I + Output_D. Các yếu tố trọng số là điều chỉnh các tham số mà xác định bản chất của một hành động điều khiển. Điều chỉnh là quá trình tìm ra một tổ hợp tối ưu.

Làm thế nào để điều khiển một bộ điều chỉnh nhiệt PID (đưa lý thuyết vào thực hành).

It' S một điều để hiểu các thành phần, nhưng một điều khác để xem chúng tương tác như thế nào trong một hệ thống thực tế. Đây là tổng quan chi tiết về chu trình.

Đo: sử dụng cảm biến được kết nối, bộ điều khiển đo nhiệt độ. Ví dụ, một cặp nhiệt điện sinh ra điện áp mà bộ điều khiển sau đó chuyển đổi thành cách đo nhiệt độ.

Tính toán một phép so sánh được thực hiện giữa nhiệt độ đo được và điểm đặt. Bộ điều khiển tính toán tín hiệu lỗi. Thuật toán tính P, I và D thành phần dựa trên lỗi hiện tại và lịch sử (với I) và tốc độ thay đổi (với D).

Tính toán kiểm soát số lượng đầu ra một tổ hợp của P I D được gửi đến phần tử điều khiển cuối cùng. Có thể là:

Tăng công suất của máy sưởi.

Giảm công suất của máy sưởi.

Một thiết bị làm mát (chẳng hạn như một tủ lạnh hoặc quạt) được kích hoạt.

Điều chỉnh các thùy của van kiểm soát nhiệt độ.

Chu kỳ không đổi: quá trình này được lặp đi lặp lại gần như ngay lập tức (thường là hàng nghìn lần mỗi giây). Bộ điều khiển liên tục theo dõi nhiệt độ và tính toán các hành động cần thiết. Sau đó nó điều chỉnh các cơ cấu chấp hành cho phù hợp. Vòng phản hồi nhanh, đảm bảo rằng nhiệt độ của quá trình ở gần điểm đặt.

Ảnh hưởng của người vận hành trên chế độ lái tay so với chế độ điều khiển tự động

Các bộ điều khiển PID hiện đại cung cấp cả hai chế độ điều khiển tự động (tự động) và thủ công (man) hoạt động để cung cấp cho người vận hành linh hoạt hơn.

Chế độ tự động: Thuật toán PID chạy ở chế độ tự động. Bộ điều khiển gửi đến bộ chấp hành đầu ra cần thiết dựa trên tín hiệu lỗi hiện tại. Nó là chế độ hoạt động mặc định để duy trì nhiệt độ không đổi mà không có sự tham gia của toán tử.

Chế độ hướng dẫn (Manual) : Bạn cũng có thể tìm hiểu thêm về những điều sau đây: Điều khiển bằng tay Người vận hành có thể trực tiếp ảnh hưởng đến tín hiệu đầu ra. Trong hầu hết các trường hợp, tín hiệu đầu ra được điều khiển bởi một nhà điều hành. Định kiến bạn cũng có thể tìm thấy nhiều hơn về giá trị điểm đặt thủ công được nhập. Nó vẫn hiển thị nhiệt độ của quá trình, nhưng bỏ qua nó khi tính toán đầu ra. Chỉ có giá trị thiên vị được nhập bằng tay xác định tín hiệu đầu ra. Các ứng dụng sau đây có thể được hưởng lợi từ chế độ này:

Thực hiện các điều chỉnh chính xác trước khi chuyển sang điều khiển tự động.

Điều khiển trực tiếp thiết bị chấp hành nhiễu loạn.

Thực hiện các nhiệm vụ cụ thể như lên hoặc xuống dốc.

Tạm thời tràn qua điều khiển tự động

VII. Điều chỉnh PID controller (đạt được hiệu suất tối ưu)

Phần khó nhất của việc sử dụng điều khiển PID là tìm sự cân bằng giữa P, I và D. Một điều chỉnh kém có thể dẫn đến phản ứng chậm, dao động hoặc bất ổn. Một sự điều chỉnh tốt sẽ đảm bảo bộ điều khiển chính xác và đáng tin cậy.

Điều chỉnh là gì? Quá trình điều chỉnh là để tìm độ lợi tốt nhất (Kp Ki Kd), hoặc các hằng số điều chỉnh tương đương PB Ti Td cho một quá trình cụ thể.

Điều quan trọng là phải điều chỉnh hệ thống để đạt được các số liệu hiệu suất mong muốn như thời gian đáp ứng, thời gian ổn định, vượt quá tối thiểu và ổn định. Điều này trực tiếp ảnh hưởng đến hiệu quả năng lượng và chất lượng sản phẩm.

Những phương pháp điều chỉnh:

Vòng hở hoặc vòng kín (Ziegler Nichols) : Một điểm khởi đầu điển hình là tăng tỷ lệ độ lợi, cho đến khi hệ thống dao động. Sau đó, sử dụng một số quy tắc bạn có thể tính được độ điều chỉnh ban đầu. Điều quan trọng là phải quan sát hệ thống một cách cẩn thận.

Autotuning Software: Hầu hết các bộ điều khiển hiện đại đi kèm với các chức năng Autotuning. Họ thực hiện các kiểm tra khác nhau (như kiểm tra tiếp sức, hoặc phân tích phản ứng của quá trình), và sau đó tự động tính toán các thông số điều chỉnh được đề nghị. Kinh Thánh đơn giản hóa mọi điều, nhưng có lẽ cần phải hiểu kết quả.

Auto-Tuning Relay: Các bộ điều khiển tiên tiến có thể sử dụng một Relay tích hợp để tạo ra dao động được kiểm soát và sau đó đo các đặc tính của hệ thống để tìm các hằng số điều chỉnh.

Phương pháp phân tích: Các mô hình toán học được sử dụng cho các quy trình đơn giản hơn để xác định các thông số tối ưu. Tuy nhiên, phương pháp này đòi hỏi sự hiểu biết tiên tiến.

Phương pháp đường cong phản ứng quá trình: Điều này bao gồm việc tự thiết lập điểm đặt, vẽ phản ứng quá trình và xác định các thông số để điều chỉnh.

Các yếu tố để xem xét: Việc điều chỉnh một quá trình phụ thuộc nhiều vào động lực của nó (quán tính hoặc hằng số thời gian và độ trễ), cũng như các quá trình cụ thể. Các yếu tố khác như tiếng ồn từ đo lường và các nhiễu khác cũng nên được tính đến. Autotuning hoặc trial-and-error thường được sử dụng để tìm điểm khởi đầu, sau đó là điều chỉnh tốt dựa trên hiệu suất quan sát được.

VIII. Áp dụng bộ điều khiển nhiệt độ PID trong các tình huống thực tế

PID là một điều khiển linh hoạt và chính xác có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng, đặc biệt là khi nhiệt độ ổn định xảy ra.

Nghiên cứu trong phòng thí nghiệm: Máy PCR yêu cầu đi xe đạp nhiệt chính xác. Lồng ấp cần phải ổn định trong nuôi cấy tế bào. Quang phổ kế NMR yêu cầu môi trường được kiểm soát. Nhiệt kế đo chính xác sự thay đổi nhiệt độ.

Công nghiệp chế tạo: Các lò phản ứng hóa học yêu cầu cấu hình nhiệt độ chính xác. Sự tự phối phụ thuộc vào sự triệt sản bằng hơi nước. Các hệ thống CIP/SIP cần được làm sạch và lấp đầy ở nhiệt độ được kiểm soát.