PID sıcaklık kontrol cihazı tasarımının ilkeleri: Uygulama ve ayarlama

Meta Açıklama (PID Sıcaklık Kontrol Cihazının nasıl oluşturulacağını öğrenin. Bu kılavuz, sistem gereksinimlerini, donanım seçimini (sensörler ve denetleyiciler), uygulama yazılımını, PID ayarını ve diğer konuları kapsayacaktır. )

I. GirişPID sıcaklık kontrolü

II. PID Algoritması: Anlamak

PID kontrol sistemi bir geri besleme döngüsüne dayanmaktadır. Bu kavram, kontrol sistemleri mühendisliği alanında uzun yıllardır kullanılmaktadır. Döngü, bir proses değişkeninin (bu durumda sıcaklık) ölçülmesini, değerin istenen ayar noktasıyla karşılaştırılmasını ve hatanın hesaplanmasını içerir. Bu hata daha sonra hatayı azaltmak için sistem girişini (örn. bir ısıtma bileşeninin gücü) değiştirmek için kullanılır. PID, her biri hata sinyallerinin farklı yönlerini ele alan farklı kontrol eylemlerini birleştirerek temel döngüyü geliştirir. Oransal terim (P), anlık hata sinyalinin büyüklüğü ile doğru orantılı bir sinyal üretir. Bu, ayar noktası ile ölçülen sıcaklık arasındaki sıcaklık farkı olarak tanımlanır. Daha büyük bir hata, daha büyük bir çıkış sinyaline neden olur. Birincil amacı, değişkeni düzeltmek ve ayar noktasına yaklaştırmaktır. Bununla birlikte, orantılı kontrollere tek başına güvenmek, kararlı bir durum hatasına yol açabilir. Sistem gecikmeleri ve değişmeyen koşullar nedeniyle nihai sıcaklık ayar noktasıyla tam olarak uyumlu olmayabilir.

İntegral kazanç (Ki), bu hatayı düzelten integral terimdir. Kontrolörün bu hatayı düzeltebileceği hızın bir ölçüsü olan integral kazanç (Ki), düzeltilip düzeltilmeyeceğini belirler. İntegral terimi, toplam kümülatif hatayı hesaplamak için kullanılır. İntegral terimi, hata devam ederse çıkış sinyalini artıracak (veya azaltacaktır). Bu, aktüatörün etkisini artırır ve proses değişkenini ayar noktasına yaklaştırır. 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 yavaş bir tepkiye yol açacaktır.

Türev (D), hatanın ne kadar hızlı değiştiğine bağlı olarak düzeltici eylemler sağlayan bir terimdir. Türev terimi, 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 değişimler ve gürültü nedeniyle aşmaya eğilimli veya kararsız olan sistemler için faydalıdır.

Bu üç adımlı işlem, son derece hassas sıcaklık kontrolüne izin verir. Kontrolör mevcut hatalara zamanında tepki verebilir, hataları önceden tahmin edebilir ve önceki hatalardan ders çıkarabilir. Bu algoritmik temel, PID sıcaklık kontrol sistemlerinin yeteneklerini ve bunların farklı uygulamalarda uygun şekilde uygulanmasını anlamak için gereklidir.

III. Proje Şartnamesi ve Gereklilikleri

Bir PID kontrolörü tasarlamadan önce projenin amacını ve performans gereksinimlerini net bir şekilde tanımlamak önemlidir. İlk adım, denetleyicinin amacını tanımlamaktır. Kontrolörün birincil amacı tanımlanmaktır. Örneğin, bir aralıkta bir sıcaklık sabitini korumak veya bir ayar noktasına veya profile göre sıcaklık değişikliklerini kontrol etmek olabilir. Bu amaç, kontrolörün gereksinimlerini doğrudan etkileyecektir. Kontrol hedeflerini ölçülebilir hedeflere dönüştüren performans ölçütlerinin belirlenmesi de çok önemlidir. Metrikler, istenen sistem özelliklerini tanımlamak için kullanılır. Sistemin doğruluğu birincil endişe kaynağıdır. Bu, istenen sıcaklık toleranslarını veya ayar noktalarından maksimum sapmaları ifade eder. Bir sistem + -0.5 derece C tolerans gerektirebilir. Tepki süresi, bir değişikliğin ardından sistemin ayar noktasına ne kadar hızlı ulaşacağını belirler. Değişiklikten sonra belirtilen tolerans dahilinde ayar noktasına ulaşmak için geçen süre olabilir. Diğer bir önemli metrik, kontrolörün aşırı salınım göstermeden ayar noktasını koruma yeteneğini ifade eden kararlılıktır. Sönümleme, sistemin tepkisidir. Sistemin, yükteki dalgalanmalar veya sıcaklıktaki değişiklikler gibi harici rahatsızlıklara rağmen ayar noktasını koruma yeteneğine bozulma reddi denir. Koşulların genellikle öngörülemeyen olduğu endüstriyel ortamlar için özellikle önemlidir. PID kontrolörleri, doğruluk, tepki süreleri, kararlılık ve bozulma reddi ile tanımlanan gerekli performans zarfını karşılayabilmelidir.

Sistemin inşası için donanım gereksinimleri somuttur. Örneğin, sıcaklık için tipik PID kontrolörü şunları gerektirir: proses değişkenini ölçen bir sensör; PID denklemlerini hesaplamak için bir kontrolör; Elektrik enerjisini sağlamak için sıcaklığı ve güç kaynaklarını değiştiren bir aktüatör. Bu bileşenler, tanımlanan performans metriklerine ve genel proje bağlamına göre seçilmelidir. Bazı uygulamalar için yüksek hassasiyetli, hassas bir sensör gereklidir. Kontrolörün hem sensör hem de aktüatör ile iletişim kurmak için yeterli işlem gücüne sahip olması önemlidir. Aktüatörün güç işleme kapasitesi, çıkış gücü ve uygulamaya uygun olmalıdır. Bütçe kısıtlamaları da gereksinim aşamasında dikkate alınması gereken çok önemli bir faktördür. Bileşenlerin maliyeti, geliştirme için gereken süre ve gelecekteki bakım, performans gereksinimlerine ve uygulama gereksinimlerine göre tartılmalıdır.

Denetleyici birimi ve geliştirme ortamı, yazılım gereksinimlerine göre belirlenir Bu, daha fazla esneklik ve özellik sunar. Geliştirme ortamları denetleyici tarafından belirlenir. Mikrodenetleyiciler söz konusu olduğunda, Arduino IDE ve PlatformIO gibi Entegre Geliştirme Ortamları sıklıkla kullanılır. Yazılım, PID algoritmasını içermeli ve sensör okumalarını, aktüatör kontrollerini ve olası bir kullanıcı arayüzünü uygulamalıdır. Farklı platformlar için geliştirme kitaplıkları ve araçları mevcuttur. Bu gereksinimler, tasarım için güçlü bir temel sağlar ve sistemin belirli kısıtlamalar dahilinde mümkün olmasını sağlar.

Aktüatör, bir çıktı komutu alan ve bunu 5. işlemin sıcaklığını değiştiren fiziksel bir eyleme dönüştüren 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. Gerekli güç, sıcaklık aralığı ve ısı transferi türü gibi çeşitli faktörlere göre bir ısıtma elemanı seçilir. Akım akış yönüne bağlı olarak ısıtmak veya soğutmak için kullanılabilen Peltier modülleri veya soğutma gerekiyorsa ısı dağılımını artıran fanlar seçilebilir. Aktüatörü eşleştirmek önemlidir ve#39; Kontrolörün çıkışı, güç kaynağı ve gerekli güç ile gücü idare etme yeteneği. Başvuru. (Bileşen veri sayfalarına ve uygulama notlarına bağlantılar, örneğin: ısıtma elemanlarının örneklerini içeren siteye bağlantı).

Sensöre, kontrolöre ve aktüatöre güvenli ve verimli bir şekilde güç sağlamak için güç kaynağı gereklidir. Güç kaynağı, tüm bileşenlerin güç gereksinimlerini karşılamak için doğru voltaj (5V, 12V veya 24V) ve yeterli akım sağlamalıdır. Referanslar Elektronikte güç kaynaklarının seçilmesi hakkında siteye bağlantı. Güç kaynağı, bağlı bileşenlerin güç gereksinimlerini karşılamak için yeterli akım ve doğru voltajı (5V, 12V veya 24V) sağlamalıdır. Anlamına gelir: