Analog PID Sıcaklık Kontrolünü Anlama

Ben. I. Giriş

B. B. PID Kontrolüne Giriş: Oransal İntegral Türev

Doğru sıcaklık regülasyonu elde etmek için en etkili ve yaygın olarak kullanılan kontrol stratejilerinden biri, Oransal-İntegral-Türev (PID) kontrol algoritmasıdır. PID kontrol algoritması, Orantılı, İntegral ve Türev olmak üzere üç bileşene dayalı olarak düzeltici eylemleri hesaplar. D terimi, hata oranının nasıl değiştiğine bağlı olarak gelecekteki hatayı tahmin eder. Bu üç bileşeni bir araya getiren PID kontrol sistemleri, hatanın boyutunu ve düzeltilmesi için gereken süreyi en aza indirirken hassas, kararlı ve doğru kontrol sağlayabilir.

C. Dijital ve analog arasındaki farkPID denetleyicileri

Kontrolü uygulamak için analog veya dijital PID teknolojisi kullanılabilir. Analog PID Kontrolörleri, kontrol sinyalleri üretmek ve matematiksel hesaplamalar yapmak için potansiyometreler ve diğer benzer cihazlarla birlikte işlemsel yükselteçler (OA), dirençler ve kapasitörler gibi elektronik bileşenleri kullanır. Dijital PID denetleyicileri ise algoritmaları çalıştırmak için yazılım kullanır. Dijital kontrolörler daha esnektir, daha fazla teşhis ve programlanabilirlik özelliklerine sahiptir. Bununla birlikte, analog PID kontrolleri, kararlı ortamlarda sağlamlık, maliyet etkinliği ve kararlılığın öncelikli olduğu daha basit uygulamalar için bir seçenek olmaya devam etmektedir.

D. Bu makalenin amacı analog PID termostatları açıklamaktır.

Bu makale, analog PID denetleyicilerini ayrıntılı olarak açıklamayı amaçlamaktadır. Bu makale, denetleyicilerin dahili olarak nasıl çalıştığını keşfedecektir. Biz' Ana bileşenlerine bakacak ve elektriksel işlemlerini inceleyecektir. Analog PID sıcaklık kontrol cihazlarının dijital muadillerine kıyasla avantajlarını ve dezavantajlarını da tartışacağız. Buna ek olarak, biz' Hala kullanıldıkları tipik uygulamaları inceleyecek ve bunların nasıl ayarlanacağı ve bakımının nasıl yapılacağı konusunda tavsiyelerde bulunacaktır. Okuyucu, bir PID analog sıcaklık kontrol cihazının ne yaptığını, bazı durumlarda neden tercih edildiğini ve nasıl çalıştığını anlayabilmelidir.

II. Analog PID kontrolörleri ne işe yarar?

Bir PID analog sıcaklık kontrolörü bir geri besleme döngüsüdür. Temel prensip: kontrol edilen sıcaklığı sürekli olarak ölçün ve istenen ayar noktasıyla karşılaştırın. Hatayı (farkı) hesaplayın, ardından hatayla orantılı bir çıkış sinyali oluşturun. Bu, ısıtma elemanını veya soğutma cihazını ayarlayacaktır. Bir analog PID kontrolünün bileşenlerini ve bunların nasıl etkileşime girdiğini inceleyeceğiz.

A. A. Temel bileşenler: sensörler, Toplama bağlantısı, Orantılı, İntegral ve Türev Elemanlar

Bir PID analog kontrolör birkaç temel bloktan oluşur. Kontrol edilen nesnenin veya ortamın sıcaklığını belirlemek için ilk olarak RTD veya termokupl gibi bir sıcaklık sensörü kullanılır. Sensör, bir nesnenin veya ortamın sıcaklığını elektrik sinyaline dönüştürmek için kullanılır.

Sensör sinyali, sanal toprak (opamp) veya diferansiyel amplifikatör olarak yapılandırılmış bir işlemsel amplifikatör tarafından uygulanabilen bir toplama devresine beslenir. Bu toplama devresi, hata sinyalini üretmek için sensör sinyalini ayar noktasından (istenen sıcaklık olan) çıkarır. Bu voltaj, sıcaklık farkı ile orantılıdır.

Daha sonra PID bileşenleri I ve D'ye karşılık gelen hata sinyalini işlemek için üç ayrı devre kullanılır. Bu devrelerin her biri bir hata sinyaline dayalı olarak bir kontrol katkısı hesaplar.

B. B. Elektrik sinyali işleme: Amplifikatör, filtre

Genellikle, sensör sıcaklığının ve ayar noktasının ham sinyalleri, devrelerin etkili bir şekilde işlemesi için çok zayıftır. Çoğu durumda, bu amplifikasyon kullanılarak yapılır. Kazanç sağlayan op-amp'ler bunu başarmak için sıklıkla kullanılır. Sinyalin P, D ve I elemanlarının menzili içinde olmasını sağlarlar.

Filtreleme, sensör sinyallerini filtrelemek ve gürültünün etkisini azaltmak için de kullanılabilir. Yüksek frekanslardaki gürültü, düzensiz türev hesaplamasına yol açarak kararsız kontrol eylemlerine neden olabilir. Basit RC filtreleri (direnç/kondansatör) kullanabilirsiniz. D elemanı devresine girmeden önce sinyali düzeltirler.

C. Röleler, Katı Hal Röleleri veya TRIAC'lar

Bu son sinyal, üç hesaplama aşamasının tümünden (genellikle başka bir opamp kullanılarak) elde edilen çıkışların eklenmesiyle oluşturulur. Sinyal, istenen soğutma veya ısıtma seviyesini temsil eder. Kontrolörün çıkışı bu son voltaj tarafından tahrik edilir.

Birçok analog PID kontrol cihazında, çıkış aşaması bir kontrol sinyaline dayalı olarak elemanın ısınmasını veya soğumasını kontrol eder. Katı hal röleleri (SSR'ler) veya Triyaklar, bunu başarmak için birçok analog PID Kontrol Cihazında kullanılır. Birçok sıcaklık kontrol uygulamasında, SSR'ler daha yüksek anahtarlama hızına ve daha uzun kullanım ömrüne sahiptir (mekanik hareketli parça olmadığı için). Ayrıca mekanik rölelerden daha az güç tüketme eğilimindedirler. Mekanik röleler, özellikle daha yüksek güç gerektiren veya sağlamlığın bir avantaj olduğu uygulamalar için hala mevcuttur.

D. Geri besleme döngüsü kontrol mekanizmasının basitleştirilmiş bir şekilde açıklanması

Sistemin nasıl çalıştığını anlamak için geri besleme döngüsünü göz önünde bulundurun: sıcaklık sensörü mevcut sıcaklığı (T_current) ölçer. Ölçüm daha sonra toplama bağlantısına gönderilir ve burada <' s ayar noktası sıcaklığı ile karşılaştırıldığında. T_setpoint ve T_current (Hata) arasındaki farkı hesaplayın. P, I ve D elemanları daha sonra katkılar üretmek için bu hata sinyalini işler (P_terms, I_terms, D_terms). Bu toplam (Kontrol Sinyali = Ki P_term + PI_term * Kd*D_term burada Ki ve Kd kazanç sabitleridir), rölenin çıkış durumunu belirler. Çıkış, soğutma veya ısıtma elemanını kontrol eder ve bu da işlemin sıcaklığını etkiler. Bu ölçüm, karşılaştırma ve hesaplama döngüsü, sıcaklığı istenen ayar noktasına yakın tutmak için sistem tarafından sürekli olarak tekrarlanır.

III. Devrenin Temel Bileşenleri

Analog PID kontrollerinde tipik olarak kullanılan elektronik bileşenleri ve bunların algoritmayı nasıl etkilediğini inceleyin.

A. Termokupllar ve RTD'ler (Sıcaklık sensörleri)

İlk olarak, sensör proses sıcaklığının ölçülmesinden sorumludur. En yaygın olarak kullanılan Termokupllar (Direnç Sıcaklık Dedektörleri veya RTD'ler olarak da bilinir) ve Direnç Sıcaklık Dedektörleridir. Termokupllar, bir ucunda birleştirilen iki metal telden oluşur. Bu bağlantı noktasında sıcaklıkla orantılı olarak bir voltaj üretilir. RTD'lerin direnci tahmin edilebilir ve sıcaklıkla değişir. Genellikle platinden yapılırlar.

Kontrolörün giriş terminalleri bu sensörlere kadar bağlanmalıdır. Sensör ve kontrolör tasarımları, bağlantı tipini ve yöntemini belirler (örn. termokupllar ve vidalı terminaller için BNC konektörleri veya RTD'ler). Doğru sıcaklık ölçümleri için doğru kablolamaya ve bazı durumlarda soğuk bağlantı kompanzasyonu (termokupllar için) gibi sinyal koşullandırmaya sahip olmak önemlidir.

B. B.

Toplama amplifikatörü önemli bir devredir ki' genellikle bir çalışma amplifikatörü üzerine kuruludur. Toplama amplifikatörü, sensör sıcaklığından (genellikle yükseltilmiş) ve ayrıca ayar noktası sıcaklığını gösteren girişten girdi alır. Sensör' S okuması, hata sinyalini oluşturmak için ayar noktası sıcaklığından çıkarılır. Konfigürasyon, özel gereksinimlere bağlı olarak basit bir toplama invertörü veya evirmeyen olabilir.

C. Oransal kazançlı (P) potansiyometre ve etkileri

Oransal terimin (P) son sinyal kontrolüne katkısı, hatanın büyüklüğü ile doğru orantılıdır. Potansiyometreler, kullanıcının kontrolörün hataya nasıl tepki vereceğini kontrol etmesini sağlayan P-teriminin kazancını ayarlamak için kullanılır. Daha yüksek P kazanımları daha güçlü yanıtlarla sonuçlanır (bir hata için çıktı daha hızlı değişecektir). Bu, sıcaklığın daha hızlı yükselmesine neden olabilir, ancak aynı zamanda salınıma ve aşmaya da yol açabilir. Daha düşük bir P kazancı, daha az kararlı olan ancak ayar noktasına ulaşması daha uzun sürebilen kademeli bir tepkiye neden olacaktır.

D. Sargıyı önleyen ve zamanlamayı sağlayan bileşenler (örn. kondansatör, direnç).

İntegral (I) ise çıkış kontrolüne hata sinyalinin eklenmesi yoluyla kararlı durum hatasını ortadan kaldırır. Çoğu durumda, bu, Entegratör olarak yapılandırılmış bir Op-amp üzerindeki geri besleme döngüsüne paralel olarak bir RC (direnç-kapasitör) devresi bağlanarak gerçekleştirilir. Bu RC devresi ve#39; s zaman sabiti, integral terimin ne kadar hızlı birikeceğini belirler. Bir entegratörün, özellikle istenen ayar noktasına yakın olduğunda aşırı hata sinyalleri ("entegre sarma" olarak da bilinir) oluşturmasını önlemek için bir diyot kullanılabilir. Diyot, hata işareti değiştiğinde kondansatörü boşaltır ve integral terim katkısını etkili bir şekilde sınırlar.

E. Bir diferansiyatör devresi veya oran algılama elemanı kullanılarak türevin (D) hesaplanması

Bu terim, Türev(D), hata sinyalinin ne kadar hızlı değiştiğine bağlı olarak gelecekteki hataları tahmin eder. Sistem aşımını azaltmaya ve her şeyi azaltmaya yardımcı olur. Basit analog uygulamalar için, aynı zamanda bir Op-amp ve RC bileşenine dayanan bir devre kullanabilirsiniz. Farklılaştırıcı devreler gürültüye karşı hassas olabilir. Bu, D teriminde salınımlara ve kararsızlığa neden olabilir. Daha basit uygulamalar, bir termistör veya beklenen sıcaklık değişikliklerinin sıklığına göre ayarlanmış bant geçiren filtreler kullanabilir. Bu, değişim hızının daha hassas bir şekilde algılanmasını sağlayacaktır.

F. Güç kaynağı ile ilgili dikkat edilmesi gerekenler

Bu elektronik bileşenlerin tümü, genellikle DC voltaj kaynakları tarafından sağlanan verimli ve kararlı bir güç kaynağı gerektirir. Güç kaynakları, tüm aktif bileşenlere yeterli akım sağlamalı ve tutarlı kontrolör çalışması için uygun şekilde düzenlenmelidir. Opamplar gibi hassas devreler için güç kaynağının girişleri ve çıkışları arasına dekuplaj kapasitansları yerleştirilebilir. Bu, elektrik sisteminden gelen herhangi bir gürültüyü ortadan kaldırmaya yardımcı olur.

IV. Analog PID kontrolörlerinin avantajları

Analog PID kontrolörlerinin avantajları çoktur ve onları güvenilirlik ve basitliğin önemli olduğu uygulamalar için ideal kılar.

A. A.

Doğası gereği, analog PID kontrolörleri nispeten basit elektronik devrelere sahiptir. Kontrolörler, op-amp'ler ve dirençler gibi iyi bilinen bileşenlerden oluşur. Tasarımın sadeliği, daha kolay bir sürece ve çoğu durumda daha az arıza noktasına yol açar. Sıcaklığın ayarlanması, seviyenin okunması ve çıktının ayarlanması gibi temel fikirler operatörler tarafından sezgiseldir. Bu, karmaşık dijital sistemlerden daha az eğitime ihtiyaç duydukları anlamına gelir.

B. Gerçek zamanlı, sürekli kontrol eylemi

Analog kontrolörler sürekli çıkışlar ve proses girişleri üretir. Dijital kontrolörler, girişleri ayrı zaman aralıklarında örnekler ve yazılım kullanarak hesaplamalar yapar. Analog kontrolörler yapmaz' Bunu yapmayın. Sürekli işleme, sıcaklık değişikliklerine çok hızlı yanıt vermeyi mümkün kılarak kontrolü daha sorunsuz hale getirir.

C. C.

Analog PID kontrolörleri, basit tasarımları ve mikroişlemci ve yazılım eksikliği nedeniyle oldukça sağlam ve güvenilir olma eğilimindedir. Dijital kontrolörler, mikroişlemci çökmeleri veya yazılım hataları gibi arızalara karşı daha hassastır. Analog kontrolörlerin daha az şansı vardır. Analog kontrolörler, istikrarlı koşullarda uzun yıllar hizmet verebilmektedir.

D. Gelişmiş dijital kontrolörlere kıyasla uygun maliyetli

Analog PID denetleyicileri, genel olarak mikroişlemcilerden ve bellek yongalarından daha ucuz olan bileşenler kullanır. Ayrıca gelişmiş yazılım veya iletişim modülleri gerektirmezler. Bu nedenle analog kontrolörler, dijital sistemlerin karmaşıklığını gerektirmeyen uygulamalar için uygun maliyetli bir seçenektir.

E. Sezgisel ayarlama yöntemi (ancak potansiyel olarak daha fazla deneme yanılma)

Analog kontrolörler, analog elektronik deneyimi olan mühendisler için daha sezgiseldir. Bir analog denetleyiciyi ayarlamanın temel ilkelerini anlayabilirler. Potansiyometreler, sistemin nasıl tepki verdiğini gözlemleyerek doğrudan ayarlanır. Bu işlem hatasız değildir, ancak uygun geçmişe sahip olanlar için sezgisel olabilir.

V. V.

Analog PID kontrolörlerinin sınırlamaları yoktur.

A. Dijital ayarlama, analogdan daha az hassas ve esnektir

Tipik olarak, bir analog PID kontrolünün ayarlanması, sistemin davranışını izlerken P, I ve D potansiyometrelerinin manuel olarak ayarlanmasını içerir. Çoğu zaman, optimum kazanımlar elde etmek çok fazla deneyim ve birçok ayarlama gerektirir. Buna karşılık, dijital kontrolörler karmaşık hesaplamalar yapabilir ve otomatik ayarlama algoritmaları sunabilir. Ayrıca yazılım aracılığıyla ince ayar yapılmasına izin verirler ve kontrol döngüsü davranışının grafiksel temsillerini görüntülerler. Bu, özellikle karmaşık sistemlerde ayarlama sürecini daha doğru ve zaman açısından verimli hale getirir.

B. B.

Dijital devreler, parazite duyarlı olmayan dijital sinyaller kullanır. Analog devrelerin gürültüye karşı duyarlılığı daha yüksektir. Sıcaklık değişiklikleri, bileşenlerin eskimesi ve güç kaynağı dalgalanmaları analog bileşenlerin sapmasına neden olabilir. Bu, sıcaklık kontrolünün doğruluğunda genel bir kayba yol açar. Performansı sağlamak için düzenli kalibrasyon gerekebilir.

C. C.

Bir analog denetleyicinin çıkış bağlantı noktası genellikle tek bir SSR veya röle ile sınırlıdır. Dijital kontrolörler daha fazla giriş/çıkış seçeneğine ve programlanabilirliğe sahiptir. Ayrıca Modbus ve Ethernet gibi ağlar üzerinden iletişim kurabilir, birden fazla sensörü kabul edebilir ve aynı anda birden fazla çıkışı kontrol edebilirler.

D. Gelişmiş özelliklerin uygulanmasında zorluk (örneğin, kademeli kontrol veya iletişim protokolleri).

Standart analog PID kontrolörleri, kaskad kontrolleri (çıkışını kullanarak bir döngüyü kontrol etme) veya ShangWei Ji (denetleyici bilgisayar) veya bir ağdaki diğer cihazlarla iletişim gibi gelişmiş kontrol stratejilerini uygulama yeteneğine sahip değildir. Dijital kontrolörler, işlem hızları ve programlanabilirlikleri nedeniyle bu yeteneklere sahiptir.

E. Histerezis ayarı genellikle mekaniktir

Analog kontrolörlerde, histerezis (açık ve kapalı arasındaki sıcaklık farkı) basit bir potansiyometre veya mekanik anahtar ile ayarlanır. Bunlar genellikle cihazın ön tarafına yakın bir yerde bulunur. Dijital kontrolörlerde bulunan histerezis programlamak için dijital seçeneklerden daha az doğru veya kullanıcı dostudur.

VI. Analog PID kontrolörlerinin hala kullanıldığı uygulama

Analog PID kontrolörleri, özellikle basitlik ve satın alınabilirliğin önemli olduğu birçok uygulamada hala geçerlidir.

A. Endüstriyel ısıtma/soğutma (fırınlar ve fırınlar)

Birçok endüstriyel uygulama hala analog PID kontrolörleri kullanmaktadır. Bu kontrolörler, metal işleme, kurutma ve kürleme fırınları veya sıvıları ısıtan tanklar gibi endüstriyel fırınların sıcaklığını kontrol etmek için kullanılır. Bu senaryolar hassas sıcaklık kontrolü gerektirir, ancak süreçlerin karmaşıklığı tam özellikli bir dijital kontrolörü garanti etmeyebilir. Analog sistemler, sağlamlıkları nedeniyle iyi bir seçimdir ve onlar' Ayrıca daha ucuz.

B. B. HVAC sistemleri

HVAC sistemleri (Isıtma Havalandırma ve İklimlendirme) için, analog PID kontrolörleri, daha küçük bir binadaki ısıtma veya soğutma gibi basit bir döngünün sıcaklığını veya daha büyük bir sistem içindeki bir bölge veya alan için kullanılabilir. Bununla birlikte, çoklu bölgeler, ekonomizörlerin kontrolü ve gelişmiş optimizasyon gibi gelişmiş özelliklere sahip HVAC sistemleri için dijital kontrolörler tercih edilir.

C. C. Laboratuvar ekipmanları

Analog PID kontrolörleri genellikle laboratuvar ortamlarında bakteri veya hücre yetiştirmek için temel inkübatörlerin yanı sıra numuneleri ısıtan su banyoları için kullanılır. Bu uygulamalar, belirli bir aralık içinde sabit bir sıcaklık gerektirir. Analog kontrolörler, basit ve uygun maliyetli oldukları için bunun için iyi bir seçimdir.

D. Tüketici aletleri (buzdolapları, dondurucular - daha basit modeller)

Analog PID kontrolörleri, buzdolapları ve eski dondurucu modelleri gibi bazı basit tüketici cihazlarında kullanılabilir. Modern cihazlar, enerjiyi yönetmek ve daha karmaşık kontrol gerçekleştirmek için mikrodenetleyicileri kullanabilir, ancak PID ilkesi daha basit tasarımlarda benzer şekilde uygulanabilir.

E. Basitlik ve düşük maliyet gerektiren durumlarda süreçlerin kontrolü

Birçok proses kontrol uygulaması, ana gereksinim makul bir maliyetle güvenilir ve istikrarlı sıcaklık kontrolü olduğunda hala analog PID kontrolörlerini seçmektedir. Bunlar, su ürünleri yetiştiriciliği, tarım ve dijital çözümlerin gereksiz veya çok pahalı olarak kabul edilebileceği niş endüstrilerdeki uygulamaları içerir.

VII. Analog PID kontrol cihazının ayarlanması

Bir PID kontrolörü, istenen seviyede performans göstermesini sağlamak için uygun şekilde ayarlanmalıdır. Ayarlanmamış kontrolörler salınım yapabilir, ayar noktalarına ulaşmak için yavaş olabilir veya kararlı durum hatasını ortadan kaldırmayabilir. Analog bir PID'yi ayarlamak için P, D ve I potansiyometrelerini sistemin yanıtına göre ayarlayın.

A. Optimum performans için performans ayarı önemlidir

Kontrolör, sıcaklıktaki sapmalara hızlı, sorunsuz ve aşma olmadan yanıt verecektir. Bu, sıcaklığı dengelemek için gereken süreyi (yerleşme süreleri) en aza indirir ve sistemin ayar noktasına mümkün olduğunca yakın çalışmasını sağlar (kararlı durum hatalarını azaltır). İyi ayarlama, sonuçta proses verimliliğinin artmasına, ürün kalitesinin artmasına ve enerji tüketiminin azalmasına yol açacaktır.

B. Yaygın ayarlama yöntemleri

PID kontrollerini ayarlamak için birkaç yöntem vardır. Ziegler ve Nichols, sistemin nihai kazancına (sistem kararsız olduğu noktaya ulaştığında elde edilen kazanç) ve salınımın nihai periyoduna dayanan sistematik yönergeler sağlar. Yararlıdır, ancak sistemin salındığı noktaya getirilmesini gerektirir ki bu, gerçekte yapılması zor veya istenmeyen bir durum olabilir. Analog denetleyicilerin deneme yanılma yöntemini kullanma olasılığı daha yüksektir. Yöntem, başlangıç kazançlarının ayarlanmasını (genellikle başlangıçta D ve I kazançlarını sıfırlamayı ve yalnızca P'ye odaklanmayı), sistemin yük veya ayar noktasındaki bir değişikliğe tepkisini izlemeyi ve ardından P, D ve I kazançlarını gözlemlenen davranışa göre ayarlamayı içerir.

C. Potansiyometreler P, I ve D kazancını ayarlamak için kullanılabilir.

Ayarlama işlemi genellikle oransal kazanç (P) ile başlar. Sisteminizin bozulmalara nasıl tepki verdiğini izlerken P kazanç potansiyometresini ayarlamak, iyi bir başlangıç yoludur.