PID Kontrol Cihazı ile Sıcaklık Kontrolü hakkında makale

I. I. Giriş

ve daha sonra bunları kendi sıcaklık kontrolü zorluklarında uygulayabilmek.

II. Proje Konsepti ve Tasarımı

Bu proje birkaç önemli tasarım hususunu içermektedir.

Öncelikle kontrolün amacını tam olarak tanımlamak önemlidir. Gerekli olan tam düzenleme nedir? Kapalı, küçük bir muhafazadaki sıcaklık veya kap içindeki sıvı sıcaklığı olabilir. Ya da elektronik bir bileşenin yüzey sıcaklığı bile olabilir. Bunun nedeni, kontrollü bir değişkenin veya "yükün" doğasının bileşen tasarımı ve sistem seçimi üzerinde önemli bir etkiye sahip olmasıdır.

İkinci olarak, istenen çalışma aralığını belirlemek gerekir.

Üçüncü tasarım kararı, aktüatör seçimidir. Bu cihaz, istenen sıcaklığa ulaşmak için ısı ekler veya çıkarır. Seçilen aktüatörün kontrol sisteminin çıkış kapasitesi ile uyumlu olması önemlidir.

Dördüncü adım, doğru sıcaklık sensörünü seçmektir. Sensörler, kontrol edilen değişkenin sıcaklığını (veya temsil noktasını) doğru bir şekilde belirleyebilmelidir. En yaygın tipler, sağlam olmasına rağmen çeşitli sıcaklık koşullarında kullanılabilen termokupllardır. Ancak, daha az doğruluk sunarlar. RTD'ler olarak da bilinen Direnç Sıcaklık Dedektörleri, özellikle daha geniş bir aralıkta daha yüksek doğruluk, kararlılık ve doğruluğa sahiptir. Ve yüksek düzeyde hassasiyet gerektiren uygulamalar için termistörler. Bu tiplerin yanı sıra termokupl amplifikatörleri ve entegre sensör modülleri gibi diğer seçeneklerin seçimi, gereken sıcaklık aralığı, gereken doğruluk, gerekli tepki süresi, ilgili maliyet ve modülün kontrolöre entegre edilme kolaylığı dahil olmak üzere çeşitli faktörlere bağlıdır. Bu projede, NTC termometre veya K tipi modül gibi belirli bir sensör tipi seçmeli ve seçiminizi kısaca gerekçelendirmelisiniz.

Bu şema, sensörün denetleyiciye nasıl geri bildirim verdiğini açıklar. Ayrıca, kontrolörün bu verileri nasıl kullandığını ve yükün sıcaklığını etkilemek için aktüatörü kontrol eden çıkış sinyalini nasıl ürettiğini gösterir.

III. Bileşenlerin Seçilmesi ve Tedarik Edilmesi

Bir sonraki adım, gerekli donanımı belirlemek ve seçmektir. Tedarik sırasında hiçbir şeyin gözden kaçırılmamasını sağlamak için, gerekli tüm bileşenlerin bir listesi oluşturulur. Çekirdek bileşenler, mikrodenetleyici olarak da bilinen bir bilgisayarı içerir. Bu, tüm sistemi çalıştıran motordur. Bu' Genellikle mevcut G/Ç bağlantı noktaları (örneğin, Uno, Nano veya Raspberry Pi gibi Arduino kartları veya ESP32 Modülleri) ile birlikte işlem gücü ve kullanım kolaylığı arasındaki denge için seçilir. Diğer bir seçenek, PID algoritmalarını entegre eden ve basitleştirilmiş arayüz seçenekleri sunan bir PID modülüdür. Bununla birlikte, bir Mikrodenetleyici üzerindeki kütüphaneleri kullanarak PID'yi uygulamak da eğitici ve uygulanabilir bir yaklaşımdır.

Doğru geri bildirim için tasarım aşamasında uygun bir sıcaklık sensörünün seçilmesi önemlidir. Sıcaklık aktüatörünü belirtmek de gereklidir. Bu bir Peltier modülü veya dirençli ısıtıcı olabilir. Hobiler genellikle nispeten düşük güçlü aktüatörler kullanırlar, ancak yine de yüklerinin sıcaklık aralığını etkileyebilmeleri gerekir. Her bileşenin doğru voltaj ve akımı aldığından emin olmak için mikrodenetleyici ve sensör için ayrı güç kaynakları gereklidir. Mikrodenetleyici çıkış pinleri, aktüatör tarafından çekilen akımı kaldıramıyorsa, bir röle modülü gerekebilir. Liste ayrıca prototip devre tahtası, bağlantı için atlama kabloları ve sistemi barındırmak için olası bir muhafaza gibi temel bileşenleri de içerir.

Bu bileşenleri tedarik etmek için güvenilir tedarikçiler belirlemeniz gerekir. Adafruit, SparkFun, Digi-Key, Mouser veya Amazon, elektronik bileşenler konusunda uzmanlaşmış çevrimiçi perakendecilerdir. Orijinal ekipman üreticinin web sitelerinde bulunabilir.

IV. Donanım kurulumu ve montajı

Donanım kurulumu, tasarım kavramlarını fiziksel bir konfigürasyona dönüştüren aşamadır. Donanım kurulum aşaması, her bir bileşenin tasarımına göre bağlanmasını içerir. Her bağlantıya, hasarı önlemek ve güvenilirliği sağlamak için bileşen veri sayfalarına bağlı kalmaya vurgu yapılarak ayrıntılı talimatlar verilir.

İlk olarak, sıcaklık sensörü bağlanır. Sensör çıkış pinleri tipik olarak PID modülünün veya mikrodenetleyicinin giriş pinlerine bağlanır (örneğin, analog sensör olması durumunda VCC, GND ve sinyal pinleri veya dijital sensör ile sinyal pinleri). Bazı sensör tipleri ve arayüzleri için (I2C, SPI veya I2C üzerinden iletişim kuran dijital sensörler gibi), pull-up dirençleri veya direnci gerekebilir. Doğru okumalar için doğru kablolamayı kullanmak önemlidir.

Aktüatör daha sonra bağlanacaktır. Motorlar ve röleler gibi endüktif cihazları kullanıyorsanız, rölenin bobin terminalleri boyunca geri dönüş diyotları kullanılabilir. Bu, mikrodenetleyici üzerindeki çıkış pinini sivri uçlara karşı koruyacaktır.

Sistemin bir bütün olarak güçlendirilmesi dikkat gerektirir. Mikrodenetleyici, sensör, aktüatör ve röle modülü (varsa) tümü farklı voltajlar gerektirir (örneğin, aktüatör için 5V, 3.3V veya 12V, 24V veya daha fazlası). Güç kaynağı, tüm bileşenlerin gereksinimlerine uygun olmalı ve özellikle aktüatör için yeterli akımı sağlayabilmelidir. Kısa devreleri önlemek için bağlantılar, konektörler, lehimli bağlantılar veya yalıtımlar kullanılarak güvenli bir şekilde yapılmalıdır. İlk prototipleme ve kolay modifikasyon için breadboard'lar uygun bir seçenek olabilir.

Yazılım, PID Sıcaklık Kontrol Sisteminin beynidir ve aktüatörü kontrol etmek için sensör verilerini eylemlere dönüştürür. Bu yazılımın geliştirilmesi birkaç adım gerektirir. Geliştirme ortamının kurulumu ile başlar. Gerekli yazılım araçları için kurulum talimatları dahildir.

Bunun nedeni, PID algoritmasının kendisinin programın çekirdeğini oluşturmasıdır. Aşağıdaki fonksiyonlar için kod yazılmalıdır.

Sensör verilerini oku: Sensörden sıcaklık değerlerini okumak için kod uygulayın. Bu, bir analog voltajın okunmasını (Arduino'da analogRead() kullanılarak) veya dijital verilerin okunmasını (I2C sensörleri için Wire.beginTransmission(), Wire.requestFrom() vb. kullanarak) içerebilir.

PID'nin uygulanması: PID denklemlerinin koda entegre edilmesi. Kişi kendi PID mantığını yazabilse de, yeni başlayanların PID_v1 gibi bir kütüphane kullanması önerilir. Tüm hesaplamaları dahili olarak yapar ve yapılandırma seçenekleri sunar. Kitaplık, kazanç türlerini (Kp, Ki, Kd), sıcaklık ayar noktasını ve giriş ölçümünü tanımlamanızı gerektirir. Kitaplık hatayı (ayar noktaları ve ölçümlerdeki fark) hesaplar, bu hatayı işlemek için PID kullanır ve ardından bir değer verir.

Çıkış Sinyallerinin Hesaplanması: PID kitaplıklarından gelen ham çıktılar genellikle ölçeklendirme veya yorumlama gerektirir. Örneğin, bir ısı rölesi kullanıyorsanız, bir PWM sinyalindeki görev döngüsünü ayarlamak için PID sinyalini kullanmak gerekebilir. Röleyi tetiklemek için basitçe dijital bir sayı (0 veya 1) da olabilir. Çıktı, bir DAC'ye gönderilen veya doğrudan kontrol edilen bir PWM olan bir numara olabilir.

Aktüatör Kontrolü: Son adımda, aktüatörü kontrol etmek için çıkış sinyali kullanılır. Mikrodenetleyici, PWM için dijital çıkış pinleri veya analog çıkış pinleri ve ayrıca bir röle modülü aracılığıyla kontrol edilebilir.

Temel Hata İşleme Sensör iletişimindeki arızaların veya aktüatörlerin durumunun kontrol edilmesi gibi basit hata işleme uygulayarak, sistem sağlamlığını artırabilirsiniz.

Kodun tam yapısını veya minimum çerçeveyi sağlamak önemlidir. Bu, değişkenlerin işlevini ve amacını açıklayan tüm yorumları içerir. Kodu, okumayı ve bakımı kolaylaştıracak şekilde yapılandırın. Ekran ve kullanıcı arayüzü işlevlerini (örn. bir LCD'de ayar noktalarını, sıcaklığı ve PID'yi gösterme) dahil etmek istiyorsanız, ekran modülünün arayüzü için ek kod ve ayar noktalarını ayarlamak için düğme girişlerini işlemek için gerekli olacaktır.

VI. PID Ayarlama İşlemi

PID parametrelerinin (Oransal (P), Entegre (I) ve Türetilmiş (D) doğru ayarlanması, etkili sıcaklık kontrolü elde etmek için çok önemlidir. Ayarlamadan önce, parametrelerin sistemin davranışını nasıl etkilediğini anlamak önemlidir. Çıktıyı doğrudan etkileyen oransal terim (P), hata ile orantılıdır. (Ayar noktası sıcaklığı ile ölçülen sıcaklık arasındaki fark). Daha yüksek bir değere ayarlanırsa, P terimi hatalara daha güçlü yanıt verecektir. Ancak, çok yüksekse salınıma veya kararsızlığa neden olabilir. İntegral teriminde, geçmiş hatalar zaman içinde birikir. Bu sabit ayarlama, kararlı durum hatasını gidermek için kullanılır. Aşırı I eylemleri salınımlara neden olabilir. Mevcut hatalara dayalı olarak gelecekteki hatayı tahmin eden türev terim (D), salınımları azaltmaya, sistem yanıt sürelerini iyileştirmeye ve kararlılığa katkıda bulunmaya yardımcı olur.

En iyi P, I ve D değerlerini bulmak zor olabilir, bu da genellikle deney ve yakın gözlem gerektirir. PID modülleri ve diğer kontrolörlerle entegre edilebilen otomatik ayarlama rutinleri olmasına rağmen, manuel ayarlama işlemini anlamak önemlidir. Ziegler-Nichols, bir sistemi belirlemek için yaygın bir yöntemdir.#39; Nihai Kazanç ve Nihai Bisiklet Süresi. Bu, salınımlar genlikte tutarlı olana kadar orantılı kazancın arttırılmasını içerir. Ampirik formüllere dayanarak, bu değerler P, I ve D'nin başlangıç değerini belirlemek için kullanılabilir. Bu yöntemin daha küçük projeler veya daha az öngörülebilirliği olan projeler için kullanılması zor olabilir.

Bu proje için pratik manuel ayarlama teknikleri genellikle daha etkili ve uygulanabilirdir. Orantılı ile başlamak yaygındır. Düşük bir P değeriyle başlayın (ör. P=1 ve P=0.1), ardından ayar noktasını değiştirdiğinizde sistemin nasıl tepki verdiğini gözlemleyin. Sistemin salındığını görene kadar P'yi kademeli olarak artırın. Sistemin salınıma başladığı nokta, sonunda ne kazanacağınız hakkında bir fikir verir. Alternatif olarak, ılımlı bir P değeri kullanarak başlayabilir ve ardından gözlemlerinize göre ayarlayabilirsiniz. Aşırı salınımlar olmadan hızlı bir yanıt sağlamak için bir P değeri bulunduktan sonra, integral terimini tanıtabilirsiniz. Ki'yi düşük bir değere ayarlayın, örneğin Ki=0.1 ve sistemin ayar noktasını koruma yeteneğini geliştirip geliştirmediğine ve yavaş kaymayı ortadan kaldırıp kaldırmadığına bakın. Sürüklenme devam ederse, Ki'yi yavaşça artırın. Yeni salınımlara dikkat ettiğinizden emin olun. Türev terim sonuna eklenebilir. Kd'yi düşük bir değere ayarlayın, örneğin Kd=0.01 ve sönümlemenin iyileşip iyileşmediğine bakın. Yinelemeli ayarlama, bir parametreyi teker teker değiştirmeyi ve sistemin nasıl davrandığını gözlemlemeyi içerir. Ardından, daha fazla ayarlama yapılır.

Ayar noktasındaki değişikliklere hızlı bir şekilde yanıt veren dengeli bir sistem bulmak önemlidir. Amaç, sistemin aşırıya kaçmadan ayar noktasına ulaşması, ayar noktası çevresinde sabit bir sıcaklığı koruması ve herhangi bir rahatsızlıktan hızlı bir şekilde kurtulmasıdır. P ile başlayıp I ve D'ye geçmek, salınım, aşma ve yerleşme sürelerini izlemek ve küçük ayarlamalar yapmak dahil olmak üzere çeşitli ayar ipuçları vardır. P, I ve D'nin son değerleri programa kaydedilmelidir. Mikrodenetleyici izin veriyorsa, geçici olmayan depolama da kullanılabilir.

VII. Sistemin Test Edilmesi ve Doğrulanması

Donanım monte edildikten ve PID parametreleri ayarlandıktan sonra, performansın beklendiği gibi olduğundan emin olmak için sistemi titizlikle test etmek önemlidir. Test, temel kontrollerle başlar. Sistemi açın ve mikrodenetleyicinin programı çalıştırdığını doğrulayın. Ayrıca sensör okumalarının ve ekranın doğru olduğunu onaylayın. Bir kontrolör olsa bile' S kontrol sinyali başlangıçta sabit bir seviyeye ayarlanmıştır (örn. tamamen açık, kapalı), aktüatörün uygun şekilde yanıt verip vermediğini kontrol edin.

Birincil testi gerçekleştirmek için, istenen sıcaklığı sistemin arayüzü aracılığıyla ayarlamanız gerekecektir (örn. bir potansiyometre veya varsa yazılım ayarları). Bu sıcaklığı korumaya ve bu sıcaklığa ulaşmaya çalışırken sistemin tepkisini izleyin. Zaman içindeki sıcaklıkların izlenmesi, en iyi şekilde, varsa, yazılım günlüğe kaydetme ve çizim özellikleri kullanılarak yapılır. Temel performans göstergeleri, sıcaklığın ayar noktasına ne kadar hızlı ulaştığını gösteren yükselme süresidir. İdeal yanıt, sistemin nispeten hızlı, pürüzsüz olması ve sıcaklığı ayar noktasına yakın tutmasıdır.

Sisteminizin sağlamlığını daha fazla test etmek için kontrollü bozulmalar uygulayın. Muhafaza sistem tarafından kontrol ediliyorsa, daha soğuk havanın girmesine izin vermek ve sistemin nasıl tepki verdiğini görmek için kısa bir süre açabilirsiniz. Sıcaklıktaki düşüşü algılayabilmeli ve sıcaklığı ayar noktasına getirmek için gerekirse ısıtma çıkışını artırabilmelidir. Sıvı sıcaklığını kontrol ediyorsanız, biraz daha soğuk sıvı ekleyin ve reaksiyonu izleyin.

Günlüğe kaydedilen verileri gözden geçirin (örneğin, zamana karşı sıcaklık grafikleri). Sistemin performansını daha ayrıntılı olarak analiz etmek mümkündür, bu da kalıcı salınımlar veya yavaş yanıtlar gibi sorunların yanı sıra ayar noktalarına ulaşmadaki başarısızlıkları tespit etmeyi çok daha kolay hale getirir. Gözlemler, PID parametresinde küçük ayarlamalar gerektirebilir, ancak en önemli ayarlama genellikle ayarlama aşaması için ayrılmıştır. Test aşaması, sistemin farklı koşullar altında istenen sıcaklığı koruma kabiliyetine güven verir.

VIII. Proje Sonuçları ve Daha Fazla Açıklaman

Bir PID Kontrolörü kullanılarak sıcaklık kontrollerinin uygulanması, temel kontrol prensiplerinin bir göstergesidir. Okuyucu, ilk tasarım ve konseptten bileşen seçimine, donanım montajına, yazılıma, PID ayarına ve sistem testine kadar tüm önemli aşamalarda yönlendirilmiştir. Bu proje, bireylerin sadece bir çalışma sıcaklığı kontrol sistemi kurmalarına izin vermekle kalmadı, aynı zamanda PID teorisini uygulayarak değerli deneyimler kazandılar. Ayarlama doğruysa ve bileşenler doğru seçilmişse, bu sistemin başarılı bir şekilde çalışması bu kavramların somut bir şekilde anlaşılmasını sağlayacaktır.

Projeye yansıtmak' Muhtemelen yol boyunca zorluklarla karşılaştınız. Bu zorluklardan bazıları, kararlı PID ayarı veya sensör entegrasyon sorunlarının elde edilmesinin yanı sıra donanım bağlantılarıyla ilgili sorunların giderilmesinde zorluklar olabilir. Bu tür zorlukların üstesinden gelmeyi öğrenmek, öğrenmenin çok önemli bir parçasıdır. Çoğu durumda, salınımlar ve yavaş yanıtlar gibi yaygın sorunlar, muhtemelen daha küçük ayarlamalar yaparak veya yeni bir noktadan başlayarak PID'yi daha fazla ayarlama ihtiyacını gösterir. Bu sorunları ele alarak ilkeleri daha iyi anlayabilirsiniz.

Projeyi geliştirmek ve keşfetmek için birçok fırsat var. Kontrollü ortam, aktüatör üzerindeki gerilimi azaltacak ve verimliliği artıracak daha fazla yalıtım eklenerek iyileştirilebilir. Daha doğru sıcaklık sensörlerine veya daha yüksek çözünürlüklü mikro denetleyicilere yapılan yükseltmeler doğruluğu artırabilir. Kaskad gibi karmaşık kontrol stratejilerinin uygulanması veya