Makale: PID Kontrol Cihazı Kullanarak Sıcaklık Kontrolü: Devre Şeması ve Açıklama

I. I. Giriş

Sıcaklık kontrolüDoğruluk, birçok farklı sektördeki sayısız uygulama için bir gerekliliktir. Sıcaklığı doğru bir şekilde düzenleme yeteneği, endüstriyel üretim süreçlerinde en uygun koşulların korunmasından veri merkezlerine ve laboratuvar ortamlarında stabilitenin sağlanmasından yerleşim alanlarının konfor ve güvenliğine kadar çok çeşitli uygulamalar için gereklidir. Kötü bir sıcaklık kontrolü, ürün kalitesinin düşmesine, ekipmanın hasar görmesine, aşırı enerji kullanımına ve deney sonuçlarının tehlikeye girmesine neden olabilir. Gelişmiş sıcaklık kontrolü elde etmek için en etkili ve yaygın olarak kullanılan yöntemler arasında Oransal-İntegral-Türev (PID) kontrolü yer alır. Teknik, sıcaklık gibi bir sistemdeki bir değişkeni bir ayar noktası değeri içinde tutmanın güvenilir bir yoludur. Bu makalenin amacı, sıcaklık kontrolüne uygulandıkları şekliyle PID'nin temel ilkelerini açıklamak ve ana bileşenleri ve ara bağlantıları vurgulayan ayrıntılı bir devre şeması sağlamaktır.

II. Sıcaklık için PID Kontrolünü Anlama

A. PID Kontrolü (Programlanabilir Entegre Cihaz Kontrolü) Nedir?

Orantılı-İntegral-Türev anlamına gelen PID kontrolü, temel ve oldukça yaygın bir geri besleme kontrol döngüsü biçimini temsil eder. Bir kontrol döngüsü, bir değişkeni önceden belirlenmiş ayar noktasına uyacak şekilde ayarlamak için birlikte çalışan birbirine bağlı bileşenlerden oluşur. Bu döngü, gerçek değişkenler ve istenen değerler arasındaki sapmalara dayalı olarak düzeltici eylemleri hesaplayan PID kontrolörü tarafından kontrol edilir. Sıcaklık kontrolü bağlamında, PID'nin birincil amacı bu hatayı azaltmaktır. Bu, herhangi bir rahatsızlığa hızlı bir tepki verilmesini ve istenen sıcaklığın elde edilmesini ve korunmasını sağlayacaktır.

B. Üç bileşen (P, I ve D):

PID ' Etkililiği, her biri zaman içindeki hatanın farklı yönlerini ele alan birbirine bağlı ancak farklı üç bileşeninden kaynaklanmaktadır. PID'nin sıcaklığı nasıl düzenlediğini tam olarak anlamak için bu bileşenleri anlamak önemlidir.

1. Orantılı terimi, hatanın büyüklüğü ile doğru orantılı bir sinyal üretir. Bu bağlamda hata, istenen ayar noktası sıcaklıkları ile sensör tarafından ölçülen gerçek sıcaklıklar arasındaki farktır. Eğer e(t), zamana bağlı hata, matematiksel olarak şu şekilde tanımlanır: ' P = Kp* e(t), ' Kp,' Kazanç sabiti, daha sonra çıktı orantılı & hesaplamak için kullanılabilir#39;S. Orantılı çıktı daha büyük bir hatayla artar ve bunun tersi de geçerlidir. Anında reaksiyon, düzeltmeyi başlatmaya ve sistemin sıcaklığını ayar noktasına yaklaştırmaya yardımcı olur. Yalnızca orantılı yanıta güvenirseniz, kararlı durum hatasına yol açabilir. Bu, sistem stabilize olduktan sonra bile kalan artık bir hatadır. Kontrolörün çıktısı, hatayı tamamen ortadan kaldırmak için yeterli olmayacak, ancak yalnızca düzeltme için yeterince büyük olacaktır. Artan oransal kazanç bu hatayı azaltabilir, ancak çok yükseğe ayarlanırsa kararsızlığa veya salınımlara neden olabilir.

2. İntegral (I):

İntegral terimler, yalnızca orantılı terimlerle ortadan kaldırılamayan kararlı durumdaki hatayı ortadan kaldırabilir. İntegral terimi sürekli olarak entegre olur ve hatanın kümülatif toplamını hesaplar. İntegral çıkışlar ' I,' genellikle belirli bir zaman aralığı için hatanın integrali ile orantılıdır. Bu genellikle I = Ki* e(t), dt where & olarak yazılır.#39; Ki,' integral kazanç sabitidir. İntegral kazanç terimi, hata herhangi bir süre devam ederse birikecektir. Bu düzeltici eylem, sistemi ayar noktasına yaklaştırır. Kararlı durum hataları esasen ' elendi' Zamanla, bu işlem ile sistem sıcaklıklarının sonunda istenen değerlere ulaşmasını sağlar. İntegral terim yavaş tepki verir ve düzgün bir şekilde ayarlanmadığında aşmaya katkıda bulunabilir.

3. Türev (D):

Türev terimi, hatanın değişme hızı ile ilgilidir. Zaman türevi hesaplanır ve mevcut hata oranına dayanarak gelecekteki eğilimi tahmin edebilir. D genellikle hata oranı değişimi ile orantılıdır ve D = Kd* de(t/dt) ile ifade edilir, burada "Kd" türev kazanç sabitidir. Türev bileşeni, kararlılığı artırmak ve salınımları ve aşmayı durdurmak için çok yararlı olabilir. Türev terim, eğime göre ayarlanarak, çok büyük hale gelmeden önce düzeltici önlem alabilir. Bu, sistemin tepkisini azaltır ve ayar noktasına doğru daha hızlı, daha kararlı bir yakınsama sağlar. Bu, sıcaklık değişimlerini yumuşatmaya yardımcı olan bir tür Yu Jian Xing kontrolüdür (öngörülü).

C. Kontrol Döngüsü

Bir PID sistemi bir geri besleme döngüsü içinde çalışır. Tipik sıralama şudur: Bir sensör, sistem içindeki sıcaklığı doğru bir şekilde ölçer. Sensör, fiziksel sıcaklığı bir elektrik sinyaline dönüştürür. Bu genellikle voltaj veya direnç değişiklikleridir. Sensörlerden gelen sinyaller PID kontrolüne beslenir. Kontrolörde ölçülen sıcaklık (Proses değişkeni veya PV), kullanıcı tarafından girilen ayar noktası sıcaklığı (SP) ile karşılaştırılır. Bu fark hatadır. (E = PV - SP). PID denetleyicileri bu hata geçmişini kullanarak P, D ve I terimlerini hesaplar. Üç terimin bu toplamı, nihai çıkış kontrol sinyalini üretir. Kontrolör tarafından gönderilen çıkış sinyali daha sonra aktüatöre iletilir. Bu, sistemin sıcaklığını fiziksel olarak etkileyebilen bir cihazdır (örn. bir ısıtıcıyı açmak veya kapatmak, soğutma fanlarının hızını değiştirmek). Aktüatör hareketi sistemin sıcaklığını değiştirir. Döngü, sıcaklıktaki değişimi ölçer ve aktüatörü buna göre ayarlar.

III. Sıcaklık Kontrol Devresinin Şeması

A. Genel Bakış:

Devre şemaları, bir PID sistemindeki elektronik bileşenlerin grafiksel temsilleridir. Sinyal yollarını ve işlevsel bağlantıları gösterirler. Devre şeması, istenen sıcaklık kontrolüne ulaşmak için tüm elemanların nasıl etkileşime girdiğini anlamaya yardımcı olan bir plandır. Spesifik uygulama, hangi bileşenlerin kullanıldığına bağlı olarak değişebilir (örneğin, bir PID analog denetleyici ve bir mikrodenetleyici), ancak temel yapı aynıdır.

B. Anahtar Bileşenler:

Devre şemaları tipik olarak, her biri süreci kontrol etmede rol oynayan birkaç bileşen içerir.

1. Sıcaklık sensörü, mevcut sistem durumunun belirlenmesi için gereklidir. En yaygın tipler termokupllar (RTD'ler) ve Negatif Sıcaklık Katsayısı termistörleridir (NTC). Termokupllar, sıcaklıkla orantılı bir voltaj değişimi üretir. RTD'ler direnci sıcaklıkla değiştirir. Ve termistörler büyük bir direnç değişikliği gösterir. Sensör seçimi sıcaklık aralıklarına, doğruluğa ve çevresel koşullara dayanmaktadır. Sensörden gelen çıkış doğrudan PID kontrolü tarafından kullanılamadığından sinyal koşullandırma gereklidir.

2. Sinyal Koşullandırma Devresi, sensörün çıkış sinyalini PID kontrolörü için hazırlayan çok önemli bir ara adımdır. Termokupllar ve termistörler gibi sensörlerden gelen ham sinyaller zayıf, doğrusal olmayan veya normal bir voltaj/akım aralığının dışında olabilir. Sinyal koşullandırma devreleri, sinyal amplifikasyonu (sensörün dönüştürülmesi ve#39; S sıcaklığı ile doğrusal olmayandan doğrusala yanıtı), gürültü filtreleme ve muhtemelen sinyal dönüşümü (voltajdan akıma veya tam tersi). Doğrusallaştırmayı elde etmek için bir arama tablosu, dijital dönüştürme veya işlemsel bir yükselteç devresi kullanılabilir. Sinyal daha sonra PID kontrolüne doğru, kararlı ve uyumlu bir formatta sunulur.

3. PID Denetleyici Birimi (PID Denetleyici Birimi olarak da bilinir): Sistemin hesaplamaları yapan beyni. PID üniteleri farklı yöntemler kullanılarak uygulanabilir. Yaygın bir yöntem, PID algoritmasını uygulamak için yazılım kitaplıkları (Arduino, Raspberry Pi veya özel PLC'ler gibi) ile donatılmış bir mikrodenetleyici kullanmaktır. Gerekli tüm işlemsel yükselteçleri, devreleri ve diğer bileşenleri entegre eden bağımsız analog PID kontrol IC'leri de vardır. Kontrolöre sensör verilir ve#39; s koşullandırılmış sinyal (PV veya Proses Değişkenini temsil eder) ve ayrıca kullanıcının tanımladığı ayar noktası sıcaklığı. Kontrolör, hatayı ve birikmiş geçmişini (E = PV - SP) kullanarak orantılı, integral ve türev terimlerini hesaplar. Son kontrol çıkışları tipik olarak voltaj sinyalleridir (örn. 0-5V, 0-10V veya 4-20mA aralığında) veya akım sinyalleridir (örn. 0-20mA ve 4-20mA arasında).

4. Aktüatör : Aktüatör, PID kontrolü tarafından gönderilen bir elektrik sinyalini sistemin sıcaklığını etkileyen fiziksel eylemlere çeviren bir cihazdır. Aktüatör seçimi uygulamaya göre belirlenir. Katı hal röleleri, ısıtma elemanlarını ve soğutma yüklerini değiştirmek için kullanılır. Motor tahrikli fanlar, cebri hava soğutması için de kullanılabilir. Solenoid valfler, ısıtma / soğutma sistemi için sıvı akışını kontrol eder. Aktüatör, komutları alan ve yürüten cihazdır. Sıcaklığı ısıtabilir, soğutabilir veya değiştirebilir.

5. Devrenin güvenilir ve yeterli bir güç kaynağına sahip olması gerekir. Güç kaynağı: Ünite, sensör, sinyal koşullandırma, kontrolör PID ve muhtemelen kullanıcı arayüzü bileşenleri için ana voltajı (örn. AC 230V), düşük voltajlı DC'ye (örn. +5V (veya +12V veya -12V) dönüştürür.

6. İzleme ve çalıştırmayı kolaylaştırmak için genellikle bir kullanıcı arayüzü (isteğe bağlı ancak ortak):) dahil edilir. Genellikle, sıcaklık ve ayar noktasının yanı sıra sistem durumunu gösteren bir ekran, örneğin bir LCD ekran gibi öğeleri içerir. Potansiyometreler gibi giriş cihazları, kullanıcının PID parametrelerini manuel olarak ayarlamasına izin verir.

C. Diyagram açıklaması:

Bir diyagram hayal edin.

Bu bileşenler, basitleştirilmiş bir blok diyagramda görsel olarak temsil edilebilir. Sistemin ana blokları dikdörtgen kutularla temsil edilecektir: Sıcaklık Sensörleri, Sinyal Koşullandırma Devreleri, PID Kontrol Cihazları, Aktüatörler ve Güç Kaynakları. Oklar sinyal yönünü gösterir. Örneğin sensör, koşullandırma devresine işaret eden bir ok gösterecektir. Bir PID kontrolörü, koşullandırma devresinden "Proses değişkeni (PV) etiketli bir ok alır. Ayar noktası girişi ayrıca PID Kontrol Cihazına giren ve "Ayar Noktası" etiketli bir ok olacaktır, PID Kontrol Cihazı daha sonra aktüatöre doğru "Kontrol Çıkışı" etiketli bir ok gönderir. Aktüatör daha sonra "Proses" (kontrollü ortam) üzerindeki etkisini gösteren bir ok gösterecek ve bu, döngüyü kapatarak Sıcaklık Sensörüne geri beslenecektir. Güç Kaynağı okları gerekli bloklara bağlanacaktır. Geri bildirim sistemi bu görselde net bir şekilde gösterilmiştir.

D. İsteğe bağlı):

Bir ısıtıcı eleman kullanarak bir tanktaki su sıcaklığını kontrol etmenin basit bir yoluna bir göz atın. Sıcaklık, suya batırılmış bir RTD gibi bir sıcaklık sensörü ile ölçülür. RTD sinyali daha sonra bu sinyali doğrusallaştıran ve 0-5V'luk bir voltaja dönüştüren sinyal koşullandırma devresine gönderilir. Koşullandırılmış voltaj, kullanıcı tarafından tanımlanan ayar noktası voltajı ile birlikte PID kontrol cihazına gönderilir. Bu kontrolör P, I ve D çıkışlarını hesaplayacaktır. Su sıcaklığı düşükse (Hata > 0,) PID çıkışı artacaktır ve bir Katı Hal Rölesi etkinleştirilebilir. SSR, suyu ısıtmak için ısıtma elemanını etkinleştirir. Sensörler, suyun artan sıcaklığını ölçerek, PID kontrolörü tarafından işlenen daha düşük bir hataya neden olur. PID kontrolörü, su sıcaklığı bir ayar noktasına ulaştığında çıkışı azaltır. Bu, sıfır veya sıfıra yakın bir hataya neden olur.

IV. Devre (Adım Adım)

Aşağıdaki devre şemasında gösterildiği gibi, sistemin çalışması bir dizi adımla açıklanabilir:

Sıcaklık Ölçümü: Bir sıcaklık sensörü, sistemdeki sıcaklıkları sürekli olarak izler (örn. bir odanın içindeki hava veya bir tankın içindeki sıvı). Sensör, ölçülen sıcaklığa karşılık gelen bir elektrik sinyali üretir.

Sinyal Koşullandırma Devresi: Ham sensör sinyali bu devre üzerinden gönderilir. Bu devre, gerçek sıcaklıkla doğrudan bir ilişkiyi garanti etmek için sensörün tepkisini doğrusallaştırır. Ayrıca herhangi bir elektriksel gürültüyü filtreler ve çıkışı PID kontrolörü tarafından kullanılabilecek standart bir formata dönüştürür (örn. 0-5VDC voltaj).

Hatayı hesapla: PV'yi (Proses Değişkeni) temsil eden koşullu sıcaklığı PID Kontrol Cihazına girin. Kullanıcı' İstenen sıcaklık (Ayar Noktası) aynı anda PID kontrolörüne girilir. Kontrolör tarafından hesaplanan hata (E), Ayar Noktası ile Proses Değişkeni arasındaki farktır.

PID'nin Hesaplanması: Bu hata, PID denetleyicisi tarafından kendi algoritmaları kullanılarak hemen işlenir. PID kontrolörü, mevcut hataya dayalı olarak Orantılı Terimi hesaplar. Daha sonra, değişim oranına dayalı bir türev terimi hesaplamadan önce, herhangi bir kalıcı ofset'i (İntegral Terim) ele alarak bu hatayı zaman içinde bütünleştirir. Nihai çıkış kontrol sinyali, bu üç bileşenin birleştirilmesiyle üretilir.

Kontrol Sinyalinin Üretilmesi: Bu kontrol sinyali, PID algoritması kullanılarak üretilir ve kontrolör tarafından bir aktüatöre gönderilir. Çıkış sinyali tipik olarak belirli bir aralıktadır (0-5V) ve istenen ısıtma, soğutma veya başka bir eylem derecesini gösterir.

Aktüatörün Hareketi: Sinyali alır. Sinyal bir sıcaklık artışını gösteriyorsa (örn. pozitif bir voltaj) aktüatör ısıtıcıyı etkinleştirecektir. Aktüatör, sinyal sıcaklıkta bir düşüş gösteriyorsa soğutma fanını etkinleştirebilir veya ısıtıcıyı kapatabilir.

Sıcaklığın Ayarlanması: Aktüatör tarafından gerçekleştirilen eylem, proses sıcaklığı üzerinde doğrudan bir etkiye sahiptir. Sistem ısıtılır veya soğutulur.

Geri Bildirim Döngüsü: Aktüatörün eyleminden sonra, sıcaklık sensörü sıcaklığı ölçecektir. Güncellenen Proses Değişkeni bu yeni ölçümü temel alır.

Tekrarlama: Bu sensör, bu yeni sıcaklık okumasını PID kontrol devresine ve gerekirse sinyal koşullandırma sistemine gönderecektir. Güncellenen bilgilere dayanarak, kontrolör E = SP – PV hatasını hesaplar ve çıkış kontrolünü ayarlar. Aktüatör yeni kontrol sinyalini alır ve harekete uyarlar. Ölçme, hesaplama, harekete geçme ve geri bildirim alma döngüsü sürekli olarak tekrarlanır. Bu, sistemin sıcaklık değişikliklerine ve diğer bozulmalara dinamik olarak yanıt vermesini sağlar.

A. Ayarlamanın önemi:

PID algoritması güçlü bir çerçevedir. Bununla birlikte, PID sisteminin performansı, parametrelerinin ne kadar iyi ayarlandığına bağlıdır: oransal kazanç Kp, integral kazanç Ki ve türev kazanç Kd. Kontrolör, bu parametrelere dayalı olarak hatalara belirli bir şekilde yanıt verecektir. Sıcaklık kontrol sistemi, doğru şekilde ayarlanmazsa kötü performans gösterebilir. Bunun nedeni yetersiz ısıtma/soğutma, yavaş tepki süreleri veya ayar noktasının ötesinde aşırı aşmalar olabilir. Sistem, ayarlanan sıcaklığa hızlı ve doğru bir şekilde yanıt verecektir. Ayrıca sorunsuz ve istikrarlı bir şekilde çalışacaktır.

B. B. Yaygın ayarlama yöntemleri:

PID Denetleyicisini ayarlamak, Ki, Kp ve Kd için en iyi değerleri belirleme işlemidir. Temel kurallardan karmaşık tekniklere kadar çeşitli yöntemler vardır.

Ziegler ve Nichols ayarlaması bir yöntemdir#39; sık sık alıntı yapılır, bu da iyi bir başlangıç noktası elde etmek için yararlı olabilir. Yöntem, bir sistem için kritik kazancı (Kc) ve kritik zamanı (Tcp) tanımlayarak başlar. Kritik kazanç (Kc), sistemin bir giriş adımına verdiği yanıtın kararsız hale gelmesine neden olan maksimum kazançtır. Daha sonra sabit bir frekansta salınmaya başlar. Kritik zaman, bu kritik kazanca ulaşıldığında bir salınımın süresi olarak tanımlanır. Ziegler ve Nichols, bu deneysel değerler belirlendikten sonra PID parametre değerlerini tahmin etmek için ampirik formüller sağlar:

Yalnızca orantılı (P) bir kontrol için Kp değerini hesaplamak için: Kp = 0.5*Kc

Oransal İntegral (PI) kontrolör için: Kp 0.45 * Kc, Ki 0.83 * Kc / Tcp

Oransal-İntegral-Türev (PID) kontrolörü için: Kp 0.6 * Kc, Ki 2 * Kc / Tcp, Kd Kc * Tcp / 8

Parametrelerin başlangıç değerleri manuel olarak veya daha karmaşık yöntemler kullanılarak ayarlanabilir.

Manuel ayarlama başka bir seçenektir. PID parametrelerinde yapılan küçük ayarlamalara sistemin tepkisinin dikkatlice izlenmesini içerir. Tipik olarak işlem, kararlı ancak hızlı bir yanıt almak için Kp'nin ayarlanmasıyla başlar. Kp makul bir seviyeye ayarlandıktan sonra, İntegral (Ki), kararlı durum hatasını ortadan kaldırmak için ayarlanır. Salınımları sönümleyen Türev (Kd) daha sonra ayarlanır. Deneme yanılma yaklaşımı, sabır ve sistem dinamiğinin anlaşılmasını gerektiren bir yöntemdir.

Ö. Ç.

En iyi performans için gerekli olan Kp, Kd veya Ki için kesin değerleri belirlemek her zaman mümkün değildir. Sistemin belirli özelliklerine bağlıdırlar. Ayarlama, sistemin termal kütlesinden (ne kadar ısı eklenmesi veya çıkarılması gerektiği), ısı transfer katsayılarından ve istenen hassasiyet seviyesinden etkilenir. Yüksek termal kütlelere sahip sistem daha yavaş olma eğilimindedir ve daha küçük kazançlar gerektirir. Hızlı tepki süresine sahip sistemler daha büyük kazanımları tolere edebilir. Sistem koşulları veya yapılandırmaları değişirse genellikle ayarlama yapılması gerekir.

VI. Sıcaklık sistemlerinde PID kontrolünün birçok avantajı vardır

PID kontrolörü, birçok avantaj sunduğu için sıcaklık kontrol görevleri için en iyi seçimdir.

A. PID kontrolörleri, sıcaklık kontrolünde çok yüksek doğruluk seviyelerine ulaşabilir. Sistem, PID terimlerini kullanarak ayar noktasını minimum sapma ile takip edebilir ve koruyabilir.

B. Kararlılık: Özellikle, türev terimi, döngünün kararlılığını iyileştirmede önemli bir rol oynar. Bu, hataların önceden tahmin edilmesine ve önceden düzeltici önlemlerin alınmasına yardımcı olarak salınımları azaltır. Sistem, bozulmalar meydana gelse veya ayar noktaları değişse bile aynı şekilde yanıt verecektir.

C. Esnek: PID algoritması, evlerdeki basit ısıtma sistemlerinden sıkı sıcaklık kontrolü gerektiren endüstriyel işlemlere kadar sıcaklık kontrolü ile ilgili çok çeşitli sorunları çözmek için kullanılabilir. Kp, Ki ve Kd parametreleri, farklı çalışma koşullarında optimum performans için kolayca ayarlanabilir.