Bir PID Sıcaklık Kontrol Cihazı Örneğini Anlama: Pratik Bir Kılavuz

I. Giriş

II. PID Algoritması: Hassas Kontrolün Temeli

PID algoritması, herhangi bir karmaşık sıcaklık kontrol cihazının temel entelektüel bileşeni olarak hizmet eder. Temel işlevi, istenen sistem durumu ile gerçek ölçülen durum arasındaki sürekli karşılaştırmaya dayalı olarak düzeltici bir eylemin hesaplanmasında yatmaktadır. Bu düzeltici eylem, hata sinyali olarak bilinen tutarsızlığı en aza indirmek için tasarlanmıştır. İlk olarak, hata sinyalinin kendisi basit ama çok önemli bir karşılaştırmadan türetilmiştir. Sistem, Ayar Noktası olarak bilinen istenen bir sıcaklığa sahiptir. Bu, kullanıcının korumak istediği hedef sıcaklıktır. Aynı derecede önemli olan, şu anda sistem içindeki bir sensör tarafından ölçülen gerçek sıcaklık olan Proses Değişkenidir. Hata sinyali, esasen Ayar Noktası ile Proses Değişkeni arasındaki farktır: Hata = Ayar Noktası - Proses Değişkeni.

PID algoritması, her biri kontrolün belirli bir yönüne katkıda bulunan üç farklı bileşene dayalı olarak düzeltici eylemi hesaplar:

Oransal (P) Terim: Oransal terim, mevcut hata sinyalinin büyüklüğü ile doğru orantılı bir kontrol çıktısı üretir. Matematiksel olarak bu, P_output = Kp * Hata olarak ifade edilebilir, burada Kp Orantılı Kazancı temsil eder. Oransal kazanç, sistemin hataya ne kadar güçlü yanıt vereceğini belirler. Daha büyük bir hata, orantılı olarak daha büyük bir kontrol çıktısı ile sonuçlanır ve bunun tersi de geçerlidir. P teriminin birincil rolü, hatayı azaltan anında bir yanıt sağlamaktır. Bununla birlikte, genellikle artık bir hata bırakırIntegral (I) Terim: İntegral terimi, zaman içindeki hata birikimini ele alır. Hata sinyalini, tipik olarak I_output = Ki * ∫ Hata dt olarak temsil edilen bir süre boyunca entegre eder, burada Ki, İntegral Kazançtır. I terimi, hata sinyalini sürekli olarak toplar. Birincil amacı, kararlı durum hatasını ortadan kaldırmaktır - P teriminin bırakabileceği küçük hata. Hata devam ederse, küçük olsa bile, I terimi çıktısını kademeli olarak artıracak ve hatayı tamamen ortadan kaldırmak için aktüatörü daha da ileri götürecektir. I teriminin önemli bir dezavantajı, hata sık sık yön değiştirirse (örneğin, ayar noktası etrafında salınırsa), integral teriminin büyük bir çıktı biriktirebilmesi ve potansiyel olarak kararsızlığa veya aşmaya yol açabilmesidir.

Türev (D) Terimi: Türev terimi, hata sinyalinin değişim hızına odaklanır. Hatanın türevini (d(Error)/dt) hesaplar ve hızlı değişikliklere karşı çıkan bir çıktı üretir. Matematiksel olarak, D_output = Kd * d(Hata)/dt, burada Kd Türev Kazancıdır. D terimi bir sönümleme kuvveti görevi görür. Mevcut eğilime dayalı olarak gelecekteki hataları tahmin eder ve kontrol sinyalini düzeltmeye yardımcı olur. Bu beklenti, P ve I terimlerinin çok agresif olması durumunda oluşabilecek salınımları azaltmaya yardımcı olur ve sıcaklığın ayar noktasının aşırı üstünde ve altında sallanmasına neden olur. D terimi ayrıca, hata büyük hale gelmeden önce düzeltme ihtiyacını öngörerek daha hızlı bir ilk yanıta katkıda bulunur. Bununla birlikte, D terimi hata sinyalindeki gürültüye karşı hassas olabilir ve potansiyel olarak kontrolörün düzensiz tepki vermesine neden olabilir.

Bu üç terim, nihai kontrol sinyalini oluşturmak için tipik olarak toplanarak birleştirilir.

III. Örneğin seçilmesi: "Isıtmalı elektronik muhafaza kontrolörü"

IV. Örneğin temel bileşenleri: ısıtmalı elektronik muhafaza kontrolörü

İkincisi, karşılaştırıcı / hata dedektörü / denetleyici mantığı.

Üçüncüsü, ActuatorAn SSR, mikrodenetleyici tarafından kontrol edilen elektronik bir anahtar görevi görür ve#39; s PWM çıkışı. Bir SSR seçimi, kontrol sinyalini (mikrodenetleyiciden gelen PWM) işleme ve 12V ısıtma elemanını etkili bir şekilde değiştirme yeteneğine dayanır. SSR, mikrodenetleyiciye bağlıdır' s çıkış pimi ve ısıtma elemanı devresi.

1. Güç Kaynağı Hususları: Bu örnekteki güç kaynağı 12V DC güç kaynağıdır. Mikrodenetleyiciye ve SSR'ye güç sağlar. Mikrodenetleyicinin kendisinin doğru çalışması için dahili voltaj regülasyonuna ihtiyaç duyar (genellikle 5V veya daha düşük), 12V güç kaynağı ise SSR aracılığıyla yüke (ısıtma elemanı) güç sağlar.

V. Örnek Nasıl Çalışır: Isıtmalı Elektronik Muhafaza Kontrol Cihazının Çalışması

İlk olarak, DS18B20 sensörü sürekli olarak iç sıcaklığı ölçer ve dijital değeri mikrodenetleyiciye gönderir. Bu sensör, Proses Değişkenini sağlar. Mikrodenetleyici, alınan bu sıcaklık okumasını kullanıcı tanımlı Ayar Noktası (istenen sıcaklık) ile karşılaştırır. Bu karşılaştırma Hata Sinyalini (Ayar Noktası - Proses Değişkeni) verir. Bu hatanın büyüklüğü, ne kadar ısıtmaya ihtiyaç duyulduğunu belirler.

Daha sonra, mikrodenetleyici bu hataya dayalı olarak P, I ve D hesaplamalarını yürütür. Oransal (P) terimi, mevcut hatayla orantılı bir anında yanıt üretir. İntegral (I) terimi, hatayı zaman içinde biriktirir ve herhangi bir küçük artık hatayı ortadan kaldırmak için çalışır. Türev (D) terimi, sıcaklık değişikliklerini tahmin ederek sistemin ayar noktasını aşmasını önlemeye yardımcı olur.

VI. Uygulama: Isıtılmış Elektronik Muhafazada Optimum Sıcaklığın Korunması

Mikrodenetleyici ve SSR, DS18B20 sensörü tarafından sağlanan geri bildirime dayalı olarak gücünü modüle ederek, hedef sıcaklığı doğru ve istikrarlı bir şekilde korumak için ısıtma gücünü sürekli olarak ayarlayan kapalı döngü bir sistem oluşturur.

VII. Örneği Ayarlama: Kp, Ki ve Kd'yi Ayarlama

1. Oransal (P) Ayarlama: P terimini ayarlamak öncelikle sistemi etkiler' yanıt hızı ve hataya ne kadar agresif tepki verdiği. Daha yüksek bir P kazancı daha hızlı bir yanıt ile sonuçlanır ancak kararsızlığa yol açabilir. Daha düşük bir P kazancı daha yumuşaktır ancak kararlı durum hatası bırakabilir.

1. İntegral (I) Ayarlama: I terimini ayarlamak, kararlı durum hatasını ortadan kaldırmak için çok önemlidir. Hatayı zaman içinde entegre ederek aktüatörü yavaş yavaş sıfır hataya doğru iter. Bununla birlikte, sistem salınırsa, I terimi birikebilir ve önemli ölçüde aşmaya neden olabilir.

1. Türev (D) Ayarlama: D teriminin ayarlanması, agresif P ve I terimlerinin neden olduğu salınımları azaltmaya yardımcı olur. Değişiklikleri öngörür ve karşı bir güç sağlar. Ancak, sensör gürültüsüne karşı hassas olabilir.

Otomatik ayarlama özellikleri bazı kontrol cihazlarında da bulunabilir. Ayarlama işlemi, optimum performans ve kararlılık için kritik öneme sahiptir.

VIII. Örnek Kontrolörün Avantajları ve Dezavantajları

A. Avantajları: