PID Sıcaklık Kontrol Cihazı İngiltere: Oransal-İntegral-Türev Kontrolünü Anlama ve Uygulama

Birleşik Krallık'ı keşfedin#39; sPID sıcaklık kontrolüSistemleri. PID sıcaklık kontrolünün ilkeleri, bileşenleri ve çeşitli endüstrilerde nasıl kullanıldığı hakkında bilgi edinin. Maksimum performans için nasıl uygulayacağınızı ve ayarlayacağınızı keşfedin. )

I. I. Giriş

Ev aletleri için verimlilik ve güvenlik sağlamak için de önemlidir. Bu kesinliği elde etmek için en sofistike ve yaygın olarak benimsenen metodolojiler arasında Oransal-İntegral-Türev (PID) kontrol algoritması yer alır. Makale, Birleşik Krallık'taki PID sıcaklık kontrol sistemlerini araştırıyor. Makale, PID kontrollerinin temelini oluşturan temel ilkeleri açıklayarak başlamaktadır. Daha sonra çığlıklara, PID'yi ayarlamanın önemli sürecine ve sistem performansını test etmek ve değerlendirmek için yöntemlere geçer. Makale, Birleşik Krallık'ı inceleyerek sona eriyor.#39; 'ye özgü PID uygulamaları, faydaları ve eğilimleri. Bu overvProje tanımı ve şartnamesinin temel aşaması. Ayrıntılı olarak, temel donanım bileşenlerinin seçimi ve entegrasyon süreci ele alınmaktadır. Daha sonra PID algoritmasının seçilen yazılım platformunda nasıl uygulanabileceği açıklanır. Makale ayrıca inceleniriew, okuyuculara PID kontrolörleri hakkında derinlemesine bir anlayış sağlamayı amaçlamaktadır.#39; tasarım, işletme ve uygulama yönleri. Ayrıca, Birleşik Krallık ortamları için geçerli olan adım adım bir yaklaşım kullanarak pratik uygulamasını da gösterir.

II. PID Kontrol Algoritması: Anlamak

PID ' 'nin etkinliği ve geniş çapta benimsenmesi, her biri kontrol hatasının belirli bir yönünü ele alan üç farklı kontrol eyleminin entegrasyonundan kaynaklanmaktadır. Üç eylem, Oransal İntegral ve Türev, sırayla entegre edilir.

Oransal bileşen (P), mevcut hata sinyalinin büyüklüğü ile doğrudan ilişkili bir sinyal çıkışı üretir. Hata sinyali, amaçlanan ayar noktası sıcaklığı ile sensör tarafından fiilen ölçülen sıcaklık arasındaki fark olarak tanımlanabilir. Daha büyük bir hata, daha yüksek bir çıkış sinyaline neden olur. Birincil amacı, değişkeni düzeltmek ve ayar noktasına yaklaştırmaktır. Tek başına orantılı kontrole bağlı kalmak, kararlı durum hatasına yol açabilir. Nihai sıcaklık, sistem gecikmeleri ve değişmeyen koşullar nedeniyle ayar noktasına tam olarak uymayabilir.

İntegral kazanç (Ki), kontrolörün bu hatayı ne kadar hızlı düzelteceğini belirler. Kontrolörün bu hatayı düzeltebileceği hızın bir ölçüsü olan integral kazanç (Ki), ne kadar hızlı kazandığına göre belirlenir. İntegral terimi, toplam kümülatif hatayı hesaplamak için kullanılır. İntegral terimi, hata devam ederse çıkış sinyalini artıracak (veya azaltacaktır). Bu, aktüatörün proses değişkenini ayar noktasına yaklaştırma üzerindeki etkisini artırır. Aktüatör herhangi bir muhalefeti idare edebiliyorsa, sistem ayar noktası sıcaklığına ulaşacaktır. Kontrolörün hataya tepki verdiği süre olan integral kazanç (Ki), yanıt verme gücünü belirler. Daha yüksek bir Ki, kararlı durum hatalarının daha erken ortadan kaldırılmasına neden olurken, daha küçük bir Ki, daha kademeli tepkilere neden olur.

Hatanın ne kadar hızlı değiştiğine bağlı olarak düzeltici eylemler sağlar. Türev bileşeni, bir hatanın ne kadar hızlı arttığına veya azaldığına bakarak gelecekteki sapmaları tahmin eder. Türev çıktı terimi, hata hızla artar veya azalırsa büyük bir düzeltici sinyal üretecektir. Bu, salınımları azaltmaya ve kararlılığı artırmaya yardımcı olur. Özellikle, hızlı değişiklikler nedeniyle kararsızlığa veya aşırıya kaçmaya eğilimli sistemler için faydalıdır.

Bu üç adımlı süreç, PID'nin önceki hatalardan ders almasına ve gelecekteki hataları tahmin etmesine olanak tanır. Sonuç, son derece hassas ve kararlı bir sıcaklık kontrolüdür. Bu algoritmik temel, PID denetleyicilerinin yeteneklerini ve bunların Birleşik Krallık uygulamalarında uygun şekilde uygulanmasını anlamak için gereklidir.

III. PID sıcaklık kontrol sisteminin parçaları

İşlevsel bir PID kontrol sisteminin her bir bileşeni, döngüde ayrı bir rol oynar. İstenen performans ve güvenilirliği elde etmek için bu bileşenlerin seçilmesi ve entegre edilmesi çok önemlidir.

Yaygın tipler termokupllar (RTD'ler olarak da bilinir), termistörler ve termistörlerdir. Her birinin kendine has özellikleri vardır. K tipi termokupllar sağlamdır ve geniş bir sıcaklık aralığına sahiptir. İngiltere'deki birçok endüstriyel uygulamada kullanılabilirler. RTD'ler (tipik olarak PT100 ve PT1000), daha düşük sıcaklıklarda daha fazla doğruluk ve kararlılık sağlar. Bu nedenle, laboratuvar ekipmanı veya Birleşik Krallık'taki ilaç endüstrisi gibi hassas uygulamalarda tercih edilirler. Bu termometreler, yüksek hassasiyetleri nedeniyle belirli sıcaklık aralıkları için kullanılır. Ayrıca nispeten ucuzdurlar. Sensör seçimi, gereken ölçüm aralığı, doğruluk spesifikasyonu, maliyet etkinliği, tepki süresi ve çalışma ortamı gibi faktörlerden etkilenir. Doğruluğu ve güvenilirliği sağlamak için, İngiliz Standartları Enstitüsü tarafından yayınlanan standartlara uymak önemli olabilir. Sensörler genellikle amplifikatörler, termokupllar veya Analog-Dijital Dönüştürücüler gibi arayüzler için Leng Jie DianBu Chang (soğuk bağlantı telafisi) devreleri ve RTD'ler için I2C veya SPI gibi dijital iletişim protokolleri ve termistörler gibi sinyal koşullandırma gerektirir.

PID hesaplamalarını yapan kontrolördür. Arduino (Uno, Nano, Mega, vb.) gibi mikrodenetleyiciler, maliyet etkinliği, kullanım kolaylığı ve kapsamlı topluluk desteği nedeniyle Birleşik Krallık projelerinde sıklıkla kullanılmaktadır. Arduino IDE, kod yüklemek için basit ve kullanıcı dostu bir araçtır. Daha fazla işlem gücüne veya daha iyi bağlantıya ihtiyacınız varsa, Bluetooth ve Wi-Fi'li ESP32 veya daha yüksek işlem kapasitesine sahip Raspberry pi en iyi seçim olabilir. Alternatif olarak, İngiltere'deki endüstriyel ortamlarda sıklıkla kullanılan PLC'ler kullanılabilir. Daha fazla güvenilirlik ve ölçeklenebilirlik sunarlar. Projenin ne kadar karmaşık olduğuna, hangi işlevselliği istediğinize ve bütçenize bağlıdır. Kontrol ünitesinin hem sensör hem de aktüatör ile etkili bir şekilde arayüz oluşturmak için yeterli giriş/çıkışa (I/O) sahip olması önemlidir.

Aktüatör, kontrolörden gelen komut çıkışını prosesin sıcaklığını değiştiren fiziksel eylemlere çeviren parçadır. En yaygın sıcaklık kontrol aktüatörü, ısıtma elemanıdır. Bu, dirençli bir ısıtma teli, ısıtma filmi veya kartuş ısıtıcı olabilir. İçinden elektrik akımı geçirerek ısı üretir. Bir ısıtma elemanı, gereken güç, sıcaklık aralığı ve ısının katı, sıvı veya havaya aktarılıp aktarılmayacağı dahil olmak üzere bir dizi faktöre dayalı olarak seçilir. Akım akış yönüne göre ısıtma veya soğutma için kullanılabilen Peltier modülleri ve ısı dağılımını artıran fanlar soğutma için seçeneklerdir. Güç kaynağı ve kontrolör çıkışı, aktüatör ile eşleşmelidir ve#39; gücü idare etme yeteneği. Güç kaynağı, sensöre, kontrolöre ve aktüatöre güvenli bir şekilde güç sağlamak için gereken elektrik enerjisini sağlar. Güç kaynağı, tüm bileşenlerin güç gereksinimlerini karşılamak için doğru voltaj (5V, 12V veya 24V) ve yeterli akım sağlamalıdır. Güvenilir ve güvenli çalışma için doğru şekilde takılmış konektörlerin ve kabloların kullanılması önemlidir. Sensörler ve dijital devreler için topraklama, güvenilir çalışma için çok önemlidir.

Sistemin temel çalışması için gerekli olmasa da, bir kullanıcı arayüzü tanılama ve kullanılabilirlik yeteneklerini geliştirebilir. Ekran, sistem durumunu, mevcut sıcaklığı, ayar noktasını ve hata değerlerini görüntülemek için tipik olarak bir LCD veya OLED ekran içerecektir. Potansiyometreler, PID kazançlarının ayarlanması gibi parametreleri manuel olarak ayarlamak için kullanılır. Düğmeler, ayar noktasını ayarlamak ve modları değiştirmek için kullanılabilir. LED'ler gibi durum göstergeleri gücü, hata durumunu veya aktüatör durumunu gösterebilir. Basit bir sistem bir arayüz olmadan çalışabilir, ancak sistemi test etmek ve ayarlamak için temel bir sistem önerilir.

Uygun bir muhafaza, donanım bileşenlerini toz, nem ve fiziksel hasar gibi çevresel unsurlara karşı koruyacaktır. Bu, sistem güvenilirliğine ve dayanıklılığına katkıda bulunabilir. Birleşik Krallık'ta uygulamanızın ihtiyaçlarına uygun bir muhafaza seçmek önemlidir.

IV. Yazılımın Tasarımı ve Uygulanması

Bir sonraki adım, seçilen yazılımda PID algoritmasını uygulamaktır. Sensör verilerini okumak, PID çıkışını hesaplamak ve aktüatörü kontrol etmek için kod yazmayı içerir. Yazılım platformlarının geliştirme süreci üzerinde önemli bir etkisi vardır.

Yazılım platformları çok çeşitli seçenekler sunar. Arduino nedeniyle' kullanım kolaylığı, geniş destek topluluğu ve kütüphanelerin kullanılabilirliği, Arduino gibi mikrodenetleyiciler DIY projelerinde çok popülerdir. Arduino IDE, kod yazma ve yükleme sürecini basitleştirir. Karmaşık projeler (ve genel amaçlı bilgi işlem) için entegre Wi-Fi/Bluetooth ve daha fazla bilgi işlem gücüne sahip ESP32 gibi platformlar da seçeneklerdir. Python, sağlamlık ve ölçeklenebilirlik gerektiren projeler için numpy , autotune gibi uygun kütüphanelere sahip bir mikrodenetleyici veya bilgisayar üzerinde tercih edilebilir. Bazı projeler PLC veya ticari PID denetleyici paketlerini kullanabilir. Projenin ne kadar karmaşık olduğuna, programcının platformla ilgili deneyimi olup olmadığına ve hangi işlevselliğe ihtiyacınız olduğuna bağlıdır. Sensör ve aktüatör ile etkin bir şekilde arayüz oluşturmak için kontrol ünitesinin yeterli giriş/çıkışa (I/O) sahip olması önemlidir.

Yazılım tasarımı genellikle birkaç modül içerir. İlk olarak, modül sensörden gelen verileri okuyacaktır. Bir Arduino kullanıyorsanız, bu, bir RTD veya termokupldan ADC kullanarak analog değerlerin okunmasını içerebilir. Dijital sensörler için kod, I2C veya SPI (örneğin bir RTD sensörü) gibi protokolleri kullanarak verileri okuyabilir. Kod, ham sensör verilerini anlamlı bir sıcaklık okumasına dönüştürmek için uygun kalibrasyon formüllerini içermelidir (ör. ° C veya °F).

PID'nin uygulanması, yazılım tasarımının merkezinde yer alır. Kod yapısında PID'nin (Kp Ki Kd) parametreleri tanımlanmıştır. Bunlar akort aşamasında ayarlanacaktır. Algoritma, hatayı hesaplamak için farkı (ayar noktası ve ölçülen sıcaklık) belirler. Kod, integral, türev ve oransal terimlerin katkısını hesaplamak için bu hatayı kullanır. Orantılı ifade Kp + hata ile hesaplanır. İntegral terimi, zaman içindeki hataların toplanmasıyla hesaplanır. Bu terimin, entegre bir sarma tekniği kullanılarak çok büyümesi önlenebilir. En yaygın yöntem, hatanın zaman içinde eklendiği ve ardından bir maksimum değerin ayarlandığı değişen bir toplam kullanmaktır. Önceki hatayı saklamak için bir değişken kullanılır. Türev terim, hata değişim oranını tahmin etmek için kullanılır ve bu' s Kd* (hata – previous_error) kullanılarak hesaplanmıştır. Bu önceki hata bir değişken olarak saklanabilir.

Bu toplam, denetleyicinin çıktısını temsil eder. Çıkış sinyali, aktüatör kontrol sinyaline eşlenmelidir.

Aktüatör kontrolü kodu, kontrolörden hesaplanan çıktıyı aktüatörün anlayacağı bir sinyale çevirir. Örneğin kod, bir MOSFET kullanarak ısıtma elemanını kontrol etmek için PWM'nin görev döngüsünü belirlemek için hesaplanan çıktıyı kullanır. Bu değer genellikle bir Arduino'da 0 ile 255 arasındadır. Kod, dijital pinin durumunu belirlemek için hesaplanan çıktıyı (genellikle bir Arduino için 0 ile 255 arasında bir değer) kullanacaktır. Bu eşleme işlevi, kontrolörün çıkış aralığını aktüatörün gereksinimleriyle eşleştirir.

Bir kullanıcı arayüzü kodu, girişi işlemeli (örn. bir düğme veya potansiyometre aracılığıyla ayar noktasının ayarlanması) ve ekran modülünde ilgili bilgileri (örn. mevcut sıcaklık, ayar noktası hatası) göstermelidir.

Bu dizi, sürekli bir geri besleme döngüsü elde etmek için ana kontrol döngüsü tarafından (örneğin, Arduino'da loop() veya benzer yapılar kullanılarak) önceden belirlenmiş bir aralıkta tekrarlanır. Sensör okumalarını ve ayar noktası değeri, hata veya önceki hata, integral terim hesaplaması, türev bileşenler, nihai çıktı vb. gibi diğer bilgileri tutmak için değişkenleri bildirin. Modülerlik, fonksiyonlar kullanılarak elde edilebilir (örneğin, biri sensörleri okumak için, diğeri PID hesaplamaları için ve diğeri bir aktüatör kodu için).

Geliştirmenin ilk aşamaları, test ve hata ayıklama için kritik öneme sahiptir. Print deyimleri, manuel ayarlamaya izin vermek için sensör değerlerini, hata numaralarını ve hesaplanan sonuçları görüntüleyen koda (örneğin, Arduino için serial.print()) dahil edilebilir. Son versiyonda, bunlar kaldırılacak veya uygun bir görüntüleme işleviyle değiştirilecektir.

V. V. Sistemin Kurulumu ve Montajı

Donanım bileşenlerinin seçimi ve yazılım kodunun yazılmasından sonra, bir sonraki aşama işlem için fiziksel montaj ve kurulumdur. Güvenliği ve düzgün çalışmayı garanti etmek için ayrıntılara dikkat edilmesi gerekir.

Bileşenlerin bağlanması, bir sistemin montajının ilk adımıdır. Bileşenlerin bağlanması, sensörlerin bağlanmasıyla başlar. Sensörler tipik olarak bir kontrolörün analog girişine veya dijital pinlerine bağlanır. Kontrolör çıkış pinleri (örn. PWM için analog pinler veya röle anahtarlaması için dijital pinler) aktüatörlere bağlanır. Güç kaynağı pinleri, denetleyici güç girişlerine ve sensör güç gereksinimlerine bağlanmalıdır. Önemli Güvenlik Bilgisi: Güç vermeden önce bağlantılarınızı iki kez kontrol edin. Yanlış kablolama bileşenlere zarar verebilir. Tüm bağlantılar yalıtılmış ve güvenli olmalıdır. Sensörler ve dijital devreler için, güvenilir çalışma için topraklama şarttır.

Bileşenler uygun bir muhafazaya kurulmalıdır. Bir proje kutusu veya hatta özel olarak tasarlanmış bir kurulum şeklinde olabilir. Montaj, bileşenleri kazara temasa veya çevre koşullarına karşı korur. Kontrol cihazını yeterli hava akışı olan bir alana yerleştirmek önemlidir. Kabloları düzgün bir şekilde yönetmek için kablo bağları ve manşonlar kullanılabilir.

Yazılım kodu bir bilgisayarda derlenebilir veya mikrodenetleyiciye indirilebilir. Kod hatasız olmalıdır. Basit testler, en önemli üç bileşenin bağlanmasını içerir: kontrolör, sensör ve aktüatör. Daha sonra, kontrolörün sensörü okuyup okuyamayacağı veya aktüatörü kontrol edip edemediği gibi temel işlevleri doğrulamak için test edilirler.

VI. PID Ayarlama İşlemi

Arzu ettiğiniz performansı elde etmek için bir PID kontrol cihazının doğru ayarlanması çok önemlidir. Sistem kararsız olabilir (aşırı senfoniler), yanıt vermesi yavaş olabilir veya istenen ayar noktasına ulaşamayabilir. Ayarlama, sistem davranışını optimize etmek için Oransal Kp, İntegral Ki ve Türev Kd parametreleri için değerler bulma işlemidir. Bu işlem yinelemeli olarak tekrarlanır ve sistem yanıtlarına yanıt olarak parametreler ayarlanır.