PID Kontrol Cihazı Sıcaklık Sensörü
Ben. I. Giriş
PID (Oransal-İntegral-Türev) gibi karmaşık kontrol algoritmalarının ortaya çıkmasından önce, sıcaklık regülasyonu için daha basit yöntemler yaygın olarak kullanılıyordu. En basit olanı, sıcaklık bir eşiğin altına düştüğünde ısıtıcıyı açan ve eşik karşılandığında kapatan bir açma-kapama sistemidir. Bu yöntem basittir, ancak ön ayar noktası etrafında tekrar tekrar salınan büyük sıcaklık değişimlerine neden olabilir. Sistem, sıcaklık değişiklikleri ile değişen büyüklüklerdeki hatalar arasında ayrım yapamaz. Yalnızca sıcaklık belirli bir sınırı aşarsa yanıt verir. Biraz daha karmaşık bir yöntem, ısıtma hızının hedeften sıcaklık sapmasına göre değiştirildiği oransal bir kontroldür. Bu yöntem kararlı durum hatalarına eğilimlidir, bu da işlemin sonunda ulaşılan sıcaklığın ayar noktasının biraz altında olabileceği anlamına gelir. Bu hatayı telafi etmek için ısıtıcının sürekli çalışması gerekir. Daha basit yaklaşımlar, sıkı sıcaklık kontrolü gerektiren uygulamalar için incelik ve kararlılıktan yoksundur.
C. C. Kapalı döngü kontrolüne giriş: PID kontrolü için sağlam bir strateji
PID kontrolü, sıcaklık regülasyonu için etkili ve sofistike bir çözüm olarak ortaya çıktı. PID kontrolörü, modern proses kontrolünde bir kilit taşıdır ve#39; esnekliği ve sağlamlığı nedeniyle birçok endüstride kullanılır. Kapalı döngü sistemi, çalışmasının temelidir. Bu, gerçek proses değişkeninin (bu bağlamda sıcaklığın) sürekli olarak ölçülmesini, istenen ayar noktası sıcaklığıyla karşılaştırılmasını, ikisi arasındaki hatanın hesaplanmasını ve ardından bu hatayı en aza indirmek için bir aktüatöre etki eden bir çıkış sinyali üretilmesini içerir. PID ' "Orantılı", "İntegral" ve "Türevler" bunu başarmak için birlikte çalışır ve açma-kapama gibi daha basit yöntemlerden çok daha üstün bir kontrol seviyesi sağlar. PID, uygulamalar yüksek düzeyde doğruluk, kararlılık ve yanıt verme gerektirdiğinde en iyi seçimdir.
D. Sıcaklık sensörü: doğru PID Kontrolü için temel girdi
Sıcaklık sensörü, PID kontrolörünün çok önemli bir bileşenidir. Sensör, kontrolörün ihtiyaç duyduğu gerçek zamanlı verileri sağlayan temel duyusal unsurdur. Sensör' Birincil işlevi, termal enerjinin fiziksel özelliğini - sıcaklığı - kontrol sistemi tarafından ölçülebilen ve işlenebilen bir elektrik sinyaline dönüştürmektir. Mevcut PV bu elektrik sinyali ile temsil edilir. Voltaj değişimi, direnç değişimi, frekans veya dijital değer şeklinde olabilir. PID kontrolörü, doğru bir sıcaklık sensörü olmadan hesaplama yapamaz. Kalite, doğruluk ve kararlılık, PID sisteminin etkinliği ve performansı ile doğrudan ilişkilidir. Doğru sıcaklık sensörünü seçmek ve doğru şekilde entegre edildiğinden emin olmak, başarılı bir PID sıcaklık kontrol sistemi için çok önemli adımlardır.
E. Bu makalenin amacı, etkili bir termal yönetim için sıcaklık sensörleri ve PID kontrolörleri arasındaki ilişkiyi açıklamaktır.
Bu makale' Birincil amacı, sıcaklık sensörleri ve PID kontrolörleri arasındaki ilişkiyi araştırmaktır. Amacımız, sıcaklık sensörlerinin PID kontrolleri için neden gerekli olduğunu ve birlikte nasıl çalıştıklarını açıklamaktır. Bu makale, P, I ve D terimleri de dahil olmak üzere PID'nin temel ilkelerini açıklayacaktır. Makale, PID kontrol sistemlerinde yaygın olarak kullanılan çeşitli sıcaklık sensörlerini inceleyecek ve avantajlarını ve sınırlamalarını tartışacaktır. Makale ayrıca, sinyal koşullandırma, iletişim protokolleri ve Proses Değişkenlerinin (PV) hesaplanması dahil olmak üzere sıcaklık sensörlerini PID kontrolörleriyle entegre etmenin pratikliğini araştırıyor. Bu sinerjiyi anlamak, okuyucuların termal yönetim sistemlerinde kullanılan karmaşık kontrol stratejilerini daha iyi anlamalarına yardımcı olacaktır. Onlar' Ayrıca bu sistemleri tasarlamak, kurmak ve sorun gidermek için daha hazırlıklı olacaklardır.
II. Sıcaklık Regülasyonu için PID Kontrolünü Anlama
PID, bir kontrol geri besleme döngüsü fikrine dayanmaktadır. Döngü, proses değişkenini, bu durumda sıcaklığı bir ayar noktasında tutmak için birlikte çalışan birbirine bağlı bileşenlerden oluşur. Temel yapı aşağıdakileri içerir: 1) Sensör: Mevcut sıcaklığı veya PV'yi (Proses Değişkeni) ölçer ve bunu bir elektrik sinyaline dönüştürür. Ayar noktası: Kullanıcılar veya süreçler tarafından tanımlanan hedef veya istenen sıcaklıktır. Denetleyici: Özel bir endüstriyel kontrolörde veya mikrodenetleyicide uygulanabilen gerçek PID algoritmasıdır. Kontrolör, sensör ölçümlerini (PV) alır, bunları Ayar Noktaları (SP) ile karşılaştırır, hatayı hesaplar (E = SPD - PV), ardından PID terimlerine göre uygun bir kontrol sinyali belirler. Aktüatör: Kontrolörden sinyali aldıktan sonra, bu bileşen komutu proses değişkenini etkileyecek fiziksel eylemlere çevirir. Bir sıcaklık kontrol sistemindeki aktüatör genellikle gücün veya soğutma elemanının ayarlanmasıyla kontrol edilen bir ısıtma bileşenidir (dirençler veya ısıtma blokları gibi). Bu çıktı daha sonra sensörler tarafından ölçülen sıcaklığı etkiler. Kapalı döngü - Sensör ölçer -> Hesaplanan hata -> Kontrolör hesaplar -> Aktüatör tepki verir -> Sıcaklık Değişiklikleri -> Sensör tarafından tekrar ölçülür - sürekli, kendi kendini düzelten bir döngü oluşturur.
1. Orantılı: Mevcut hataya yanıt verme (Ayar Noktası ve Proses Değişkeni farkı).
Bu terim, şu anda Ayar Noktası (SP) ve Proses Değişkenleri (PV) arasındaki hata ile doğru orantılı bir kontrol sonucu üretir. Matematiksel olarak şu şekilde ifade edilebilir: P_output=Kp*E, burada Kp orantılı kazanç sabitini temsil eder. Orantılı terim sistemdir' Sıcaklığın şu anda ayar noktasından ne kadar uzakta olduğunu algıladığında s reaksiyonu. Hata daha büyük olduğunda kontrol sinyali daha güçlüdür. Bu, sıcaklığı istenen ayar noktasına yaklaştırmak için daha agresif bir girişime işaret eder. Odanın sıcaklığı istenenden düşükse, çıktı büyük olacaktır ve daha fazla ısıtma gerekebilir. Buna karşılık, sıcaklık istenen ayar noktasına yaklaştığında, oransal çıktı küçüktür. Oransal kontrol gerekli ve ilk tepki olmasına rağmen, kararlı durum hatalarına yol açabilir. Sistem, yetersiz kontrol çabası nedeniyle zaman içinde tam ayar noktasından uzaklaşabilir.
Fu Zhi Dai Ma 2. **İntegral ):** Zaman içinde sabit durum hatalarını ortadan kaldırmak. İntegral kavramı, oransal tarafından düzeltilmeden bırakılabilecek kararlı durum hatalarını ele alır. Bu, zaman içindeki hataları toplayarak ve ardından bu değere göre bir düzeltme yaparak yapılır. Bu' s matematiksel olarak I_output = E dt * Ki ile temsil edilir, burada E dt zamanın integral hatasıdır. İntegral terimi, ne kadar küçük olursa olsun, bir hata olduğu sürece kontrolörün çıktısına eklenir. Sürekli ekleme, aktüatörün hata giderilene kadar sürekli ayarlamalar yapmasını (örn. ısıtmayı biraz artırmayı) sağlar. Orantılı terimlerin üstesinden gelemeyebileceği uzun bir süre boyunca sürüklenmeleri ve rahatsızlıkları telafi etmek yararlıdır. İntegral terimi çok büyük olursa, bu, özellikle hatada hızlı bir değişiklik varsa, salınımlara ve kararsızlığa neden olabilir. 3. **Türev(D):** Değişim oranına bağlı olarak gelecekteki hataları tahmin etmek. Türev terim, eylemi tahmin eden bir bileşendir. Türev terim, hata değişim oranını (dE/dt) hesaplar ve ardından bu bilgileri gelecekteki hataları tahmin etmek için kullanır. Bu' s matematiksel olarak D_output = dE/dt * Kd ile temsil edilir, burada Kd türev kazanç sabitini temsil eder. Özellikle hata hızla değiştiğinde sistemin tepkisini azaltır. Sıcaklık hızla artarsa ve sistem ayar noktasını aşmanın eşiğindeyse türev çıkışı negatif olacaktır. Bu, aşmayı durdurmaya yardımcı olur. Aksi durumda, sıcaklık hızla düşerse, türev pozitif bir sonuç üretecek ve bu da ısınmanın daha hızlı geri dönmesini teşvik edecektir. Bu öngörücü eylem, tepki süresini iyileştirir, sistemi stabilize eder ve aşmaları ve aşmaları azaltır. Türev kazancı dikkatli bir şekilde ayarlanmalıdır, çünkü çok fazla türev gürültünün kontrol sinyaline girmesine neden olabilir.
C. PID, sıcaklık kontrolünü iyileştirir: Temel yöntemlere kıyasla doğruluk, kararlılık ve daha hızlı tepki süresi.
PID kontrolörü, özellikle doğruluk, yanıt verme ve kararlılığın önemli olduğu durumlarda, açma-kapama ve temel oransal kontroller gibi diğer sıcaklık kontrol yöntemlerine göre birçok avantaj sunar. P, I ve D terimlerinin birleştirilmesi, kontrolörün aşağıdakilere uygun şekilde yanıt vermesini sağlar: Akım sıcaklıklar, düzeltmek için önceki entegrasyon yoluyla yapılan hatalar ve Tahmin Farklılaşmayı kullanarak gelecek trendleri. Sinerjinin çeşitli faydaları vardır.
Birinci Artan doğruluk integral terim ile elde edilebilir. Genellikle daha basit yöntemlerle ele alınmayan kararlı durumdaki hataları ortadan kaldırır. Türev terimi salınımları sönümler, aşmayı önler ve iyileştirir stabilite, özellikle yük veya bozulma değişiklikleri durumlarında. Daha hızlı tepki süreleri genellikle mümkündür, çünkü kontrolör stabiliteyi korurken (D-terimi) agresif düzeltmeler yapabilir (daha yüksek P kazancı). PID sistemi de sağlamdır ve çok çeşitli koşullarda kullanılabilir. Bu, ısıtma ihtiyaçlarının değişebileceği dinamik süreçler için idealdir. PID, hassasiyet ve güvenilirlik gerektiren uygulamalar için tercih edilen kontroldür.
D. Önemli parametreler: Hata (çıkış), Ayar Noktası, Değişken Proses (PV),
Nasıl çalıştığını tam olarak kavramak istiyorsanız, PID döngü kontrol sisteminde kullanılan terimleri anlamak önemlidir. Birincil parametreler şunları içerir:
· Ayar noktası: Ayar noktası, sistemin korumayı amaçladığı sıcaklıktır. Bu, bir operatör veya proses mantığı tarafından ayarlanan sabit sıcaklıktır.
· Proses değişkeni (PV),: Bu, sıcaklık sensörü tarafından elde edilen ölçülen sıcaklıktır. PID kontrolörü, girişin değerini sürekli olarak izler.
· Hata: Temel miktar kontrolör tarafından hesaplanır. Hata (E), Ayar Noktası ile Proses Değişkeni arasındaki farktır. Pozitif hata, sıcaklığın aslında ayar noktasından daha düşük olduğunu gösterir. Negatif hata tam tersidir. Sıfır hata aynıdır.
· Çıkış Denetleyicisi: Sinyal, hesaplanan hata, P, I ve D terimlerine dayalı PID algoritması kullanılarak üretilir. Çıkış sinyali aktüatöre gönderilecektir. Bu çıktı' S doğası (voltaj veya akım), kontrolörün ve aktüatörün nasıl yapılandırıldığına bağlıdır. Bu çıktı genellikle PWM kullanan Arduino sistemlerinde bir görev döngüsüdür.
III. Sıcaklık sensörlerinin kritik rolü nedir?
A. Termal sensörün işlevi, termal enerjiyi (sıcaklık) kullanılabilecek bir elektrik sinyaline dönüştürmektir. )
Herhangi bir sıcaklık sensörü ve#39; Birincil işlevi, çevresinin fiziksel termal özelliğini bir elektrik sinyaline dönüştürmektir. Dönüşüm çeşitli şekillerde yapılabilir. Örneğin RTD'ler ve Termistörler, bir Wheatstone Köprüsü ile ölçülebilen direnç değişiklikleri üretir. Bazı sensörler, sıcaklıkla değişen değişken bir voltaj üretir. Sıcaklığa bağlı olarak, termokupllar gibi bazı sensörler iki metal arasındaki bağlantı noktasında bir voltaj üretir. Bazı dijital sensörler bir frekans sinyali verirken (örneğin bazı RTD'ler veya DS18B20), diğerleri ise sıcaklığı temsil eden dijital formatta bir kelime sağlar. Bu termal veriler doğrudan PID kontrolörü tarafından kullanılamaz. Sıcaklığı temsil eden sayısal bir değer (PV) elde etmek için daha sonra işlediği (örneğin analog sensörler için ADC'ler aracılığıyla) bir elektrik çıkışı gerektirir.
B. Doğru ölçümün önemi: performans PID üzerinde doğrudan etki (PID hesaplamaları kesin girdiye bağlıdır).
Sıcaklık sensörlerinin genel sistem performansı üzerinde etkisi vardır. PID algoritması, hatayı belirlemek ve ardından E = SP – PV'yi hesaplamak için PV'ye dayanır. Sıcaklık sensörü tarafından ortaya çıkan herhangi bir gürültü veya yanlışlık yükseltilecektir. Sensör sürekli olarak biraz daha yüksek veya daha düşük bir okuma bildirirse, PID kontrolörü yanlış ayarlamalar yapacaktır. Bu, istenen Ayar Noktasından çok uzakta kontrol edilen bir sistemle sonuçlanır. Tepki Süresi veya sensörün sıcaklık değişikliklerine ne kadar hızlı tepki verdiği de bir rol oynar. Yavaş bir sensörün, hızlı değişikliklerle süreçleri yönetmek için PID kontrolörlerine gerekli geri bildirimi vermemesi mümkündür. Bu nedenle, doğru doğruluk, tepki ve çözünürlük özelliklerine sahip bir sensör seçmek çok önemlidir. Bu, PID ile doğru ve güvenilir sıcaklık kontrolü elde etmenizi sağlayacaktır.
C. Sıcaklık kontrolü: Sensör doğruluğu ve çözünürlük gereksinimleri
Sıcaklık sensörleri kendi özelliklerine göre sınıflandırılabilir. Doğruluk Bu, sensörün okumasının sıcaklıkla ne kadar yakından eşleştiğini gösterir. Çözünürlük Sensörün ayırt edebildiği küçük sıcaklık değişikliklerini tanımlar. Hem doğruluk hem de çözünürlük, güvenilir PID sıcaklık kontrolünde rol oynar. Bu, özellikle sıkı tolerans gerektiren uygulamalar için geçerlidir. Doğruluk gereksinimleri büyük ölçüde belirli uygulamalara bağlıdır. Örnek olarak, bir 3D Yazıcı Hotend'deki sıcaklığı kontrol etmek için gereken doğruluk + -1 derece C kadar düşük olabilirken, bir inkübatörde sıcaklığı korumak için gereken doğruluk sadece + -0.5 derece C'ye ihtiyaç duyabilir. Bir sensörün çözünürlüğü genellikle bit cinsinden ifade edilir. Örneğin, sensör 1024 ayrık değer verirse, çözünürlük 10 bit olacaktır. Daha yüksek bir çözünürlük, daha iyi bir kontrol seviyesi sağlayacaktır, ancak ek hassasiyeti kaldırabilecek bir denetleyici ile birleştirilmelidir. PID sisteminin etkin bir şekilde çalışmasını sağlamak için, seçilen sensör özelliklerinin görevin gereksinimlerine uygun olması gerekir.
D. Bir sensör seçme: sıcaklık aralığı, doğruluk ve tepki süresi. Maliyet, çevresel koşullar. Arayüz gereksinimleri.
Doğru sıcaklık sensörünü seçerken birkaç faktörü göz önünde bulundurmak önemlidir.
1. Sıcaklık aralığı: Sensör, uygulamanın çalışma sıcaklığı limiti dahilinde ölçüm yapabilmelidir. Aşırı menzilli bir sensör kalıcı hasara neden olabilir.
2. Çözünürlük ve Doğruluk: Daha önce tartışıldığı gibi, sensörün hassasiyeti uygulamanın ihtiyaçlarını karşılamalıdır. Ayrıca, kalibrasyon hususları da dikkate alınmalıdır.
3. Tepki süresi: Sensörler, geri bildirime hızlı bir şekilde yanıt vermeli ve ısıtma/soğutma hızına ayak uydurmalarını sağlamalıdır. Yavaş bir yanıt, PID'nin performansını engelleyebilir.
4. Fiyat: Bütçe kısıtlamaları, performans ve fiyatı dengeledikleri için genellikle kararı etkiler.
5. Çevre Koşulları: Sensörler, çalışma ortamlarının gereksinimlerini karşılamalıdır (örn. nem, titreşim, doğrudan güneşte güneş ışığı). Bazı sensörler diğerlerinden daha güçlüdür.
6. Arayüz gereksinimleri: Sensör çıkış sinyalleri (analog voltaj/akım veya dijital seri haberleşme), uyumlu olmalıdır (örn. Arduino ADC' analog sensörler için s ve dijital sensör için yazılım kütüphaneleri) kontrolörler ile. Bu bölümde, özellikleriyle birlikte en yaygın sensör türleri açıklanmaktadır.
E. Sensör Arayüzü: Sensör tipleri veya kontrolörler tarafından gerekiyorsa, sinyal koşullandırma gerçekleştirilir (sinyallerin yükseltilmesi ve filtrelenmesi, Soğuk Bağlantı Telafisi, CJC).
Sensör sinyallerinin kontrolör tarafından okunmadan önce işlenmesi gerekebilir. Bu, yapılan ölçümlerin doğru olmasını sağlayacaktır. Bu işleme denir Sinyal Koşullandırma. Bu, birçok RTD ve bazı yarı iletken sensörler gibi analog sensörlerin voltajını artırmak için işlemsel bir amplifikatör devresi kullanmayı veya gürültüyü filtrelemek için kapasitörler kullanmayı içerebilir. Dijital sensörler daha az işlem gerektirir, ancak hem kontrolör hem de uygun kütüphaneler tarafından desteklenmesi gereken iletişim için özel protokoller (örn. Tek Telli veya I2C/SPI) içerebilir. Soğuk Bağlantı Kompanzasyonu kritik bir örnektir. Bu' Doğru termokupl ölçümü için gereklidir. CJC gereklidir çünkü termokupllar ölçmek için tasarlanmıştır. fark bir ölçüm bağlantısı ile referans bağlantı noktası arasında. Referans bağlantı noktası genellikle sabit değildir. Ölçüm bağlantısının sıcaklığı ölçülür (genellikle ayrı bir sensörle) ve termokupl ölçümüne bir düzeltme faktörü uygulanır. Sensör özelliklerini bilmenin ve gerekli değişiklikleri yapmanın önemi bu konuda vurgulanmaktadır.
F. PID Kontrolü için Yaygın Sıcaklık Algılama Teknolojileri: Termokupl Amplifikatörleri, Dijital Termometreler, Nem sensörleri (örn. DHT11/22) ve dijital termometreler.
PID kontrol sistemleri ile bağlantılı olarak, çeşitli sensör teknolojileri kullanılır. Her birinin kendi güçlü yönleri vardır ve farklı uygulamalar için uygundur.
1. Termokupllar Kriyojenik sıcaklıklardan aşırı yüksek sıcaklıklara kadar mükemmel sıcaklık aralıkları için yaygın olarak kullanılır. İki nokta arasındaki sıcaklık farkını ölçer. Doğru okumalar için MAX6675 gibi bir sensör gereklidir (soğuk bağlantı telafisi ve dijital çıkış sağlar).
2. RTD'ler: RTD'ler, geniş bir sıcaklık aralığında son derece hassas ve kararlıdır. Direnç, sıcaklıkla orantılı olarak değişir. Örneğin, bir köprü ve bir ADC (veya özel amplifikatör IC) gerektirirler, MAX31865. Arayüzü basitleştiren dijital RTD'ler de vardır.
3. Termal sensörler: Termal sensörler, düşük fiyatları ve yüksek hassasiyetleri nedeniyle çok popülerdir.