Sıcaklığı kontrol etmek için bir PID kontrolörü ile deney yapın

PID ile Sıcaklık Kontrolünü Anlama: Adım Adım Deney Kılavuzu Açıklama Meta: Uygulamalı deneyleri kullanarak PID sıcaklık kontrolünü öğrenin. Bu kılavuz, proses kontrolünü öğrenmenize yardımcı olmak için teori, konfigürasyon, ayarlama (Ziegler Nichols kılavuzu), test ve analizin ayrıntılı bir açıklamasını sağlar.

1. Giriş

KesinlikSıcaklık kontrolübirçok endüstride ve bilimsel amaçlar için gereklidir. Bu, gıda ve kimyasal işlemeden ev aletlerine ve laboratuvar araştırmalarına kadar çeşitli ortamlarda ürün kalitesini korumak ve verimliliği artırmak için çok önemlidir. Bu doğruluk ve kararlılık seviyesine ulaşmak için en etkili ve yaygın olarak kullanılan kontrol stratejileri arasında Oransal-İntegral-Türev (PID) kontrolü yer almaktadır. PID kontrolörü ve#39; S çıkışı, istenen bir ayar noktası (hedef) ile gerçek bir proses değişkeni arasındaki farklara göre dinamik olarak ayarlanır. Bu, Oransal İntegral ve Türev olmak üzere üç farklı kontrol eyleminin birleştirilmesiyle elde edilir. PID, otomasyonda çalışan herhangi bir mühendis veya teknisyen için sahip olunması gereken hayati bir beceridir.

Siemens Step 7 yazılımı, Siemens'in Programlanabilir Mantık Denetleyicileri için geliştirdiği güçlü ve öne çıkan bir programlama platformudur. PLC'ler, otomasyon sistemlerinin temel işlem birimleridir. Kontrol mantığını yürütürler, giriş/çıkış sinyalini yönetirler ve diğer işlevleri yerine getirirler. Adım 7 ortamı, kontrol stratejilerinin geliştirilmesi, yapılandırılması ve devreye alınması için entegre bir platform sağlar. Buna PID denetleyicileri de dahildir. Bu kılavuz, PID tabanlı bir sıcaklık kontrol sisteminin nasıl uygulanacağı ve test edileceği hakkında adım adım, kapsamlı bir açıklama sağlamayı amaçlamaktadır. Temel teoriden donanım ve yazılım yapılandırmasına, PID ayarına ve pratik testlere kadar tüm süreç boyunca izlenecektir. Bu deney, PID Sıcaklık Kontrolünün pratik ve net bir şekilde anlaşılmasını amaçlamaktadır, böylece bu hayati ancak karmaşık teknoloji anlaşılabilir. Bu deney, öğrencilere PID kontrolleri, pratik ayarlama ve sistem performansının nasıl analiz edileceği konusunda değerli deneyimler kazandıracaktır.

2. Arka plan teorisi: Sıcaklık PID kontrolü

Devam etmeden önce sıcaklık düzenlemesi ile ilgili oldukları için PID'nin temel ilkelerini anlamak önemlidir. PID kontrol sisteminin nasıl olduğunu anlamak ve#39; S bileşenlerinin bir döngü içinde çalışması, etkinliği için çok önemlidir.

Bir geri besleme kontrol döngüsü, özünde bir otomasyon konseptidir. Geri besleme kontrol döngüsü, bir değişkeni belirli bir aralıkta tutmak için birlikte çalışan birkaç öğeden oluşur. Sıcaklık kontrolü döngüsü tipik olarak mevcut sıcaklıkları ölçen bir sensörden oluşur (PV veya Proses Değişkeni); PID algoritmasını içeren bir denetleyici; ısıtma veya soğutma yoluyla sıcaklığı kontrol eden bir aktüatör; ve gerçek sistemi temsil eden bir süreç (örneğin bir su banyosu veya bir fırın). Kontrolör, ölçülen PV sıcaklığını sürekli olarak istenen ayar noktası SP ile karşılaştırır. Hata, iki değer arasındaki farktır (E = PV - SP). Bu hata daha sonra sıcaklığı değiştirmek için aktüatöre gönderilecek bir çıkış sinyalini hesaplamak için kullanılır.

PID kontrolörüne üç ana kontrol eylemi entegre edilmiştir:

Kontrol (P) Orantılı: Bileşen, akım hatasıyla orantılı bir kontrol sonucu üretir. Sıcaklık ayar noktasının 5 derece altına düşerse, P-aksiyonu 5 derecelik farkla orantılı olarak maksimum gücün bir kısmını sağlayacaktır. Orantılı Kazanç Kp, yanıtın duyarlılığını belirlemek için kullanılır. Daha yüksek Kp değerleri, hatalara daha güçlü yanıtlar verilmesine neden olur ve bu da daha hızlı ayarlamalara yol açabilir. Çok yüksek bir Kp değeri, sistemi kararsız hale getirebilir ve salınımına neden olabilir. Düşük bir Kp, bir sistemin yavaş yanıt vermesine ve kararlı durumda kalıcı bir hataya sahip olmasına neden olabilir, bu da sıcaklığın asla hedefine ulaşmadığı anlamına gelir.

Kontrol (I) İntegral: Bu integral bileşen, genellikle saf oransal kontroller tarafından geride bırakılan kararlı durumdaki hatayı düzeltir. İntegral bileşen kümülatif hatayı hesaplar ve ardından çıktıyı buna göre ayarlar. İntegral eylemi, hata giderilene kadar çıkış kontrolünü artırır (veya azaltır). İntegral Zaman Sabiti Ti, integral yanıtının hızını yönetir. İntegral zaman sabiti (Ti) daha küçüktür, bu da terimin etkilerini daha hızlı geliştirdiği anlamına gelir. Bu, küçük hataların daha hızlı azaltılmasına yardımcı olur. Çok agresif integral eylemler dengesizliğe yol açabilir. Bu, özellikle bir eylemin başlangıcında veya koşullar değiştiğinde geçerlidir.

Kontrol (D) Türevi: Bileşen, hatanın değişme hızını analiz ederek gelecekteki hataları tahmin eder. Bileşen, bir hatanın artma veya azalma oranını ölçer ve bu oranla orantılı düzeltici önlemler alır. Türev eylemi, yanlışlıkla hızlı bir şekilde meydana gelen değişikliklere karşı koyarak, salınımları azaltmaya yardımcı olabilir. Türev eylem ayrıca ilk tepkinin iyileştirilmesine yardımcı olur. Türev Zaman Sabitleri (Td), türev işlemlerin gücünü etkiler. Tahmin yeteneği, daha büyük bir Td ile geliştirilmiştir, ancak kontrolör, ölçümdeki gürültüye karşı daha hassas olabilir. Bu, denetleyicinin ayarı dikkatli bir şekilde yapılmazsa düzensiz değişikliklere neden olabilir.

Bu denklem genellikle bir PID kontrolünün çıktısını temsil etmek için kullanılır.

Çıkış = Kp * E + (Ki / Td) * E dt + Kd * dE/dt

Nerede:

Çıkış, sinyali aktüatöre gönderir.

E (SP-PV) bir hatadır.

Kp, orantılı kazancı temsil eder.

Ki, İntegral Kazancı temsil eder.

Kd, türev kazancını temsil eder (genellikle Td olarak ifade edilir).

E Dt, zamandaki integral hatasıdır.

dE/dt, hatadaki değişim oranıdır.

Sayısız uygulamada, ısıtma sistemleri, buzdolapları, fırınlar ve inkübatörler dahil olmak üzere sıcaklığı hassas bir şekilde korumak için PID kontrolleri kullanılır. Ayarlama, Kp, Kd ve Ki parametreleri için en uygun değerleri belirleme işlemidir. Düzgün ayarlanmayan PID kontrolörleri, yavaş yanıt sürelerine, aşmalara, kararlı durum hatalarına veya tehlikeli salınımlara sahip olabilir. Ziegler Nichols ayarı, sistemin kritik periyodunu ve kazancını belirlemeyi içerir. Manuel ayarlama, davranışa dayalı olarak parametrelerin gözlemlenmesine ve ayarlanmasına dayanır. Bir PID Sıcaklık Kontrol deneyi tasarlamak ve uygulamak için bu teorik temelleri anlamak önemlidir.

Deney Düzeneği

İyi planlanmış bir deney için, ilgili güvenlik protokolünü, malzemeleri ve ekipmanı dikkate almak önemlidir. Bu bölüm, bir PID Kontrolörü ile sıcaklık kontrolü deneyini yürütmek için gereken konfigürasyonu ve bileşenleri açıklamaktadır.

Bir deney için gerekli malzeme ve ekipman, karmaşıklık seviyesine ve kaynaklarına bağlıdır. Tipik bir kurulum aşağıdakilerden oluşabilir.

Sıcaklık Kontrol Cihazı Sıcaklık kontrolörü bir PID modülü veya yerleşik PID'li bir PLC olabilir. Bu denetleyici sistemin beynidir ve PID algoritmalarını yürütecektir.

Sıcaklık Sensörü: Sensör sıcaklığı ölçer. En yaygın seçenekler, K Tipi veya J Tipi gibi termokupllar, PT100 ve PT1000 gibi Direnç Sıcaklık Dedektörleri veya termistörlerdir. Seçim, sıcaklık aralıklarına, doğruluğa ve tepki sürelerine dayanmaktadır. Sensörler, denetleyicideki giriş kanallarıyla çalışmalıdır.

Aktüatör Aktüatör, bir yükün sıcaklığını fiziksel olarak etkileyen bir cihazdır. Isıtma seçenekleri arasında, ısıtmak veya soğutmak için kullanılabilen Peltier modülleri veya sıcak su akışını kontrol eden solenoid valfler bulunur. Soğutma için bir Peltier veya fan kullanılabilir. Prosesin sıcaklığını kontrol etmek için gerekli güce sahip olmalı ve kontrolörden gelen çıkış sinyali ile kontrol edilmelidir.

Yük Sıcaklığı: Sıcaklık tarafından kontrol edilen ortam veya kap. Bir su kabı veya bir tank, metalden yapılmış bir blok veya boş bir kap bunlara örnektir. Yük, kontrol edilecek işlemi temsil eder.

Güç kaynağı: Aktüatöre, sensöre (harici güç gerekiyorsa) ve kontrolöre güç sağlamak için yeterli güç kaynakları kullanılmalıdır. Her bileşene doğru voltajı ve yeterli akımı sağlamalıdırlar.

Veri Toplama/Ölçme: Sistemi izlemek için araçlara ihtiyaç vardır.#39; s performansı. Multimetreler, verileri kaydetmek ve eğilimleri göstermek için kontrolörlere ve sensörlere (örn. USB veya Ethernet üzerinden) bağlı voltajları veya akımları veya yazılımları ölçmek için kullanılabilir. LabVIEW veya Python gibi yazılımları, ilgili kütüphanelerle (örneğin pySerial ve numpy) ve ayrıca Adım 7' s izleme araçları.

Yazılım Bir PLC veya mikrodenetleyici kullanırken, kontrol kodunuzu derlemek ve yüklemek için gerekli yazılım geliştirme ortamına ihtiyacınız olacaktır. Örneğin, Adım 7, yazılım ortamında yapılandırılabilen PID kontrolleri (FB41 ve FB42) için fonksiyon blokları sağlar.

Bağlantılar basit bir blok diyagramda gösterilmiştir. Kontrolörün bir giriş kanalına bağlı sıcaklık sensörünü, yüke bağlı aktüatörü (çıkış kanalı üzerinden) ve son olarak aktüatöre bağlı kontrolörü gösterir. Yükün sıcaklığı Proses Değişkeni olarak adlandırılır, Ayar Noktası Ayar Noktası olarak bilinir ve Kontrolör çıkışı, aktüatörü etkileyen Manipüle Edilmiş Değişkendir.

Elektrikli bileşenleri veya sıcaklık manipülasyonunu içeren herhangi bir deney, güvenlik göz önünde bulundurularak yapılmalıdır. Güvenlik önlemleri şunlardır:

Donanımı değiştirmeden veya donanıma erişmeden önce Kilitleme/Etiketleme prosedürleri (LOTO'lar) izlenmelidir.

Isıya dayanıklı eldivenler, koruyucu gözlükler ve diğer Kişisel Koruyucu Ekipman giymek.

Elektrik çarpmasını veya kısa devreleri önlemek için tüm elektrik bağlantılarının ve kablolarının uygun şekilde sabitlendiğinden emin olun.

Bileşenlerin ve yükün güvenli bir şekilde ulaşabileceği maksimum sıcaklığı bilmek ve gerekirse gerekli önlemleri almak (örn. yüksek sıcaklıkta kapatma).

Acil bir durumda sistemin nasıl güvenli bir şekilde kapatılacağını anlamak.

Prosedür

Bu prosedür, PID Sıcaklık Kontrol Sisteminin adım adım uygulanmasını ve test edilmesini açıklar. Okuyucu, donanım ve yazılımın montajı, kontrolörün ayarlanması ve test edilmesi boyunca yönlendirilir.

Sistemin Montajı: Bileşenleri seçtiğiniz konfigürasyona göre kontrolöre bağlayarak başlayın. Sıcaklık sensörü fiziksel olarak kontrolörün girişine bağlı olmalı, aktüatör fiziksel olarak çıkışa bağlı olmalı ve güç kaynaklarının tüm bileşenlere gitmesi gerekir. Tüm bağlantılar güvenli ve doğru şekilde kablolanmalıdır. Örneğin bir Arduino kartı kullanıyorsanız, sensörün (termistör veya diğer) analog giriş pinine ve ardından uygun transistör/mosfet ve dijital çıkış pinine akım sınırlayıcı dirence sahip ısıtma elemanına bağlı olduğundan emin olun.

Yazılımın yapılandırılması

Seçilen yazılım ortamı açılacaktır (ör. Adım 7, Arduino IDE veya Python). Yeni projeler veya çalışma alanları oluşturulabilir.

7. adımı kullanarak proje yapısını oluşturun ve ardından sıcaklık ayar noktaları, sensör girişi, aktüatör çıkışı, PID parametreleri, (Kp Ki Kd) ve donanım yapılandırması için sembolleri ekleyin.

Ardından, PID fonksiyon bloklarını (örn. FB41 ve FB42) programa ekleyin. Giriş ve çıkış sinyalleri türleri, aralıkları ve farklılaştırıcıları gibi parametrelerini ayarlayın (örn. analog için 0-10V, 4-20mA veya 0-32000 tamsayı).

Giriş sensörü kanalını, voltaj veya akım doğru bir sıcaklık değerine doğru şekilde ölçeklenecek şekilde ayarlayın.

Aktüatörün çıkış kanalını, aktüatörün ihtiyaç duyduğu voltaj aralığına veya akım aralığına uyacak şekilde hesaplanan PID değerine ayarlayın.

Yazılım sizden ilk sıcaklık ayar noktası olarak bir değer girmenizi isteyecektir. Hedef sıcaklık, korumayı hedeflediğiniz sıcaklıktır.

İlk test: İkisi arasındaki iletişimin çalıştığını doğrulamak için yazılım ve donanımın yapılandırmasından sonra ilk testi gerçekleştirin.

Güvenlik önlemlerine uyulduğundan emin olarak sistemi açın.

Görüntülenen sıcaklığı manuel olarak okuyun. Bir multimetre ile ölçerseniz, sıcaklık okuması sensörünkiyle eşleşiyor mu?

Çıkışı manuel olarak ayarlayın (örneğin, bir voltaj göndererek veya bir pimi yüksek/düşük olarak ayarlayarak). Aktüatör beklentilerinize cevap vermelidir.

PID Fazının Ayarlanması: Bu aşamada PID (Kp) parametreleri ayarlanır. Bunu yapmanın iki yaygın yolu vardır:

Ziegler Nichols yöntemini kullanarak salınım periyodunu ve nihai kazancı hesaplayın. Türev Kazancını (Kd) ve İntegral Kazancını (Ki) sıfıra ayarlayın. Pu periyodu ile sistemin salınımını görene kadar orantılı kazancı (Kp) kademeli olarak artırın. Bu Ku değeridir. Ziegler Nichols, Kp, Kd ve Ki'nin başlangıç değerlerini tahmin etmek için kullanılabilir (örneğin, Kp = 0.6* Ku, Kp/Ti=2*Ku, Kd = 0.5* Ku/Pu ve Kp = 0.125* Ku). Ziegler Nichols, birinci dereceden sistemlerde en iyi şekilde çalışır.

Manuel ayarlama: Kp, Kd ve Ki'nin başlangıç değerleriyle başlayın. Bunlar, temel kurallara veya geçmiş deneyimlere dayanabilir. Ayar noktasını küçük bir adımda değiştirin (örneğin, SP sıcaklığını yeni hedefinize değiştirmek) ve sistemin yanıtını izleyin. Kp'yi ayarlayarak aşırıya kaçmadan iyi bir tepki süresi elde edin. Kararlı durum hatalarını azaltmak için düşük bir değerden başlayarak Ki'yi tanıtın. Son olarak, salınımları azaltmak için denkleme Kd ekleyin (düşük bir değerden başlayarak). Çoğu zaman, bu işlem birkaç yineleme gerektirir.

Sistem testi: İlk ayarlamadan sonra, sisteminizin çeşitli koşullar altında performansını değerlendirmek için daha kapsamlı testler yapın.

Adım-Tepki Testi: Ayar noktasını adımlarla değiştirin (örneğin, 25°C'den 50°C'ye geçin). Yazılım, zaman içindeki sıcaklıkları kaydetmek için kullanılabilir. Yükselme süresi, tepe aşma, yerleşme süresi ve kararlı durum hatası dahil olmak üzere temel performans göstergelerini ölçün ve gözlemleyin.

Bozulma Testi: Sistemde bir bozulma oluşturun. Örneğin, sıcak bir su banyosu kullanıyorsanız, büyük miktarda soğuk ile değiştirin veya tam tersi. Nasıl tepki verdiğini izleyin. Ayar noktasına ne kadar hızlı ulaştığına ve kararlı olup olmadığına dikkat edin. Yanıt verilerini not edin. Bu simülasyon, proses koşullarının aniden değişebileceği gerçek bir hayat senaryosunu simüle eder.

Veri Kaydı: Ayarlama ve test aşamalarında tüm verilerin titiz kayıtlarını tutun. Seçilen PID parametre değerleri (Kp Ki Kd), ayar noktaları, sıcaklık ölçümleri (adımlar ve bozulmalar) ve tüm gözlemler dahildir. Zaman içinde denetleyiciyi ve sıcaklık çıkışlarını görüntülemek için yazılımın grafik özelliklerinin kullanılması önerilir. Bu mükemmel bir görsel temsil sağlar.

Veri Analizi ve Sonuçlar

Anahat: Verileri kaydetme, grafikleri çizme, adım tepkisini analiz etme (KPI'lar, kazanımların etkisi), bozulma tepkisini analiz etme, ayarlama deneyimini tartışma.

İçerik:

PID denetleyicisini değerlendirmek için' performansı ve etkinliği, toplanan veriler sıralanmalı ve analiz edilmelidir. Bu bölüm sonuçların yorumlanmasına ayrılmıştır.

A. A.

Veriler sistematik bir şekilde sunulmalıdır. PID (Kp Ki Kd), ayar noktaları, sıcaklık tepkisi (PV) ve kontrolör çıkışı (MV) parametrelerini izlemek için tablolar oluşturulabilir. Sıcaklık eğrisini ve kontrol sinyalini gösteren grafiksel çizimler oluşturmak için Step 7 Comfort ve WinCC Comfort gibi yazılımların trend özelliğini kullanın.

B. B. Sonuçların Çizilmesi

Sisteminizin performansını net bir şekilde gösteren net grafikler oluşturun. Tipik bir adım-tepki grafiğinde, sıcaklık zamana karşı (x ekseni) çizilir (y ekseni). Kolay karşılaştırma için, hem sıcaklık tepkisini hem de istenen ayar noktasını aynı grafik üzerinde çizebilirsiniz. Bozulma tepkisinin bir grafiği, zaman içindeki sıcaklık değişimlerini gösterecektir. Eksenlerin ve başlığın denemeyi doğru şekilde yansıttığından emin olun. Örnek olarak: "Adım-Tepki Analizi: Ayarlanmış PID kontrolörü ile sıcaklık kontrolü."

C. Adım adım yanıtı analiz edin

Adım tepki analizi, sistemin ayar noktasına hızlı ve doğru bir şekilde ulaşma yeteneğini değerlendirmek için kullanılır. Performans, Temel Performans Göstergeleri kullanılarak ölçülür.

Yükselme süresi: Sıcaklığın ilk ayar noktasına ulaşması için geçen süre. Genel olarak, daha kısa bir yükselme süresi, daha hızlı reaksiyonu gösterir.

Maksimum Aşma: ayar noktasından sıcaklıktaki maksimum sapma. Aşırı olan aşmalar, ekipmana veya prosese zarar verebilir.

Ayar Süresi: Sıcaklığı, ayar noktası çevresinde belirtilen tolerans aralığında tutmak için gereken bir süre. Yerleşme süresi daha kısaysa sistem daha hızlı stabilize olacaktır.

Kararlı Durum hatası: Sistem yerleştikten sonra son sıcaklık ile ayar noktası arasındaki fark. Daha küçük hatalar daha iyi bir denetleyiciyi gösterir.

Adım yanıt grafiğini kullanarak KPI'ları hesaplayın. Gözlemlenen değerlerin ve bunların ayarlama ile nasıl ilişkili olduğunun tartışılması. Sistem, hızlı bir yükselme süresi, minimum aşma ve düşük kararlı durum hatası ile karakterize edildi mi? Bu PID parametrelerinin KPI'lar üzerindeki etkisi neydi? Örneğin, Kp'yi artırmak kararlı durum hatalarını azaltabilir, ancak potansiyel aşmayı artırabilir. Türev eylem (Kd), eğer meydana geldiyse, muhtemelen salınımları sönümlemiştir.

D. Rahatsızlıklara verilen tepkiyi analiz edin:

Bu analizde sistemin sağlamlığı incelenir. Rahatsızlıktan sonra, sıcaklık ne kadar hızlı bir şekilde ayar noktasına geri döndü? İyi tasarlanmış bir sistemin hızlı iyileşme ile düşük bir sapmaya sahip olduğuna inanılmaktadır. Sonuçların tartışılması ve ayarlama prosedürü ile ilişkisi. PID denetleyicisi neydi' rahatsızlığı azaltma yeteneği?

E. Akort Deneyimi Üzerine Tartışma

Bir PID denetleyicisini ayarlamanın pratik yönünü düşünün. Ayarlama sürecini ve karşılaşılan zorlukları açıklayın. Manuel ayarlama gerekli miydi yoksa Ziegler Nichols yöntemi bir başlangıç noktası olarak iyi çalıştı mı? Yinelemeli ayarlama, tartışmak için iyi bir konudur