PID sıcaklık kontrolörü nedir?

1. Giriş

Sıcaklık düzenlemesi, endüstriyel, bilimsel ve ticari ortamlarda çok çeşitli uygulamalar için temel bir gerekliliktir. Kararlı termal koşullar sadece bir seçim değil, aynı zamanda birçok uygulama için bir gerekliliktir. Operasyonel verimliliği sağlayabilir, ürünlerin veya malzemelerin bütünlüğünü koruyabilir, güvenlik düzenlemelerini karşılayabilir, enerji kullanımını optimize edebilir, vb. Her yerde bulunan açma / kapama termostatları günümüzün ihtiyaçlarını karşılayamamaktadır#39; Hassas kontrol ve stabilite gerektiren uygulamalar. Bu kısıtlamaların üstesinden gelmek için, Oransal-İntegral-Türev (PID) kontrol algoritmasının bir köşe taşı olarak durduğu karmaşık kontrol stratejileri geliştirilmiştir. Bu cihaz, PID sıcaklık kontrolü, bu algoritmayı uygular ve sıcaklık düzenleme sorunlarına etkili, güvenilir bir çözüm sunar. Makale, ana odak noktası olarak küçük bir muhafaza içindeki sıcaklığı düzenleyen bir PID kontrolörü kullanarak, bir PID kontrolörünün ne olduğuna dair derinlemesine bir araştırma sağlayacaktır. Bu makale, küçük bir elektronik muhafazadaki iç sıcaklığı düzenlemek için tasarlanmış özel bir örneği merkezi odak noktası olarak kullanarak, bir PID sıcaklık kontrol cihazının anlamının ayrıntılı bir araştırmasını sağlayacaktır. Bu özel örneği inceleyerek ve inceleyerek, kapalı bir döngü sistemindeki çalışmasını açıklayarak, uygulamasını göstererek ve ayarlama sürecini tartışarak, bir PID'nin pratikte nasıl çalıştığına dair derinlemesine ve somut bir anlayış kazanabilirsiniz. Amaç, E-E-A'yı karşılayan ayrıntılı ve net bir açıklama sağlamaktır. Sıcaklık kontrol ve kontrol sistemleri alanında T (Uzmanlık, Uzmanlık ve Otoriterlik) kriterleri.

2. PID Algoritması: Oransal-İntegral-Türev Açıklaması

PID, gelişmiş sıcaklık kontrollerinin entelektüel çekirdeğidir. PID algoritması' S in temel işlevi, sistemin ölçülen ve istenen durumunu karşılaştırmaya dayalı bir düzeltme hesaplamaktır. Düzeltici faaliyet' Amacı, hata sinyali olarak da bilinen farkı en aza indirmektir. PID'nin İncelenmesi' Kurucu parçalar algoritmayı daha iyi anlamamıza yardımcı olacaktır.

Hata sinyali öncelikle çok basit ama çok önemli bir karşılaştırma ile elde edilir. Ayar noktası, sistemin istenen sıcaklığıdır. Kullanıcı bir hedef sıcaklık ayarlayabilir. Proses Değişkeni de önemlidir, çünkü şu anda sistemdeki sensör tarafından ölçülmekte olan sıcaklıktır. Ayar Noktası ve Proses Değişkeni arasındaki fark hata sinyalidir: Hata = Ayar Noktası-Proses Değişkeni. Bu hata' s büyüklüğü ve sinyali düzeltici eylemleri belirler.

PID, her biri kontrolün belirli bir yönüne katkıda bulunan üç bileşene dayalı olarak düzeltici eylemleri hesaplar.

Oransal Terim (P): Bu terim, hata sinyalinin büyüklüğü ile doğru orantılı bir kontrol sinyali üretir. Bu matematiksel olarak şu şekilde ifade edilebilir: P_output = Hata * Kp, burada Kp orantılı kazançtır. Bu orantılı kazanç, bir hataya verilen yanıtın gücünü belirleyen şeydir. Orantılı kazanç daha büyük bir hata ile artar ve bunun tersi de geçerlidir. P-dönemi' Birincil işlevi, hatayı hemen azaltmaktır. Genellikle artık hatalarla sonuçlanır; Örneğin, sistem ayar noktasına tam olarak ulaşamayabilir ve kaymaya devam edebilir.

İntegral Terim (I): Bu terim, zaman içinde hataların birikimini ifade eder. Hata sinyali zamanla entegre edilir, genellikle I_output=Ki * Errordt ile temsil edilir, burada Ki İntegral Kazancı temsil eder. I terimi sürekli olarak hata sinyalini özetler. I teriminin birincil amacı, P teriminin bıraktığı küçük hata olan kararlı durum hatalarını ortadan kaldırmaktır. I terimi, ne kadar küçük olursa olsun, hata devam ederse çıktısını artırır. Bu, aktüatörü hatayı denemeye ve kaldırmaya yönlendirecektir. I terimi, tekrarlayan bir hata varsa (ayar noktasında salınım gibi) önemli bir dezavantaja sahiptir, çünkü integral aşmaya veya kararsızlığa yol açabilir.

Türetilmiş (D) Terimler: Bu terim, hata sinyalinin değişme hızına dayanmaktadır. Türev hesaplanır (d(Error/dt) ve hızlı değişikliklere karşı koyan bir çıktı oluşturulur. Matematiksel olarak D_output, Kd* d(Error/dt)'ye eşittir, burada Kd türev kazancını temsil eder. D bir sönümleme kuvveti görevi görür. D terimi, mevcut trendlere dayalı olarak gelecekteki hataları tahmin eder ve kontrol sinyallerini düzeltir. Beklenti, P veya I terimleri aşırı agresif olduğunda ve sıcaklığın ayar noktası ile dış arasında aşırı dalgalanmasına neden olduğunda meydana gelebilecek salınımları azaltır. D terimi aynı zamanda ilk tepkiyi hızlandırmaya da yardımcı olur, çünkü büyük hale gelmeden önce düzeltme ihtiyacını öngörür. D terimi, bir hata sinyalinde oluşabilecek gürültüye karşı hassastır ve kontrolörün düzensiz davranmasına neden olabilir.

Bu üç terimli kombinasyon genellikle son sinyali oluşturmak için bunların toplanmasıyla yapılır. Aktüatör, gerekli eylemi gerçekleştirmek için bu sinyali alır. Gerekli kararlılık ve doğruluk seviyesini elde etmek için P, D ve I terimlerini dengelemek ve ayarlamak önemlidir.

3. "Kontrolör" ve "sıcaklık" arasındaki fark nedir?

A. "Kontrolör", en basit haliyle, sistemin durumunu istenen durumla karşılaştıran bir cihazdır. Daha sonra iki durum arasındaki farkları en aza indirmek için çıkışları ayarlar. Kontrolör, istenen sıcaklığa ulaşmak için sıcaklık seviyelerini izlemek ve ısıtma veya soğutmayı düzenlemek için kullanılır.

B. Sıcaklık, genellikle bir sıcaklık sensörü kullanılarak bir maddenin ne kadar sıcak veya soğuk olduğunun ölçüsüdür. PID sisteminin prosesin sıcaklığını düzenlemek için kullandığı ölçümdür.

Bu "PID sıcaklık kontrolörü" bu nedenle bu kavramların bir birleşimidir. Ölçülen bir sıcaklığı (değişken proses) bir ayar noktası sıcaklığıyla karşılaştırmak için bir kontrol ünitesinde uygulanan PID algoritmalarını kullanır ve ardından bu sıcaklığı korumak için ısıtma elemanını veya soğutma cihazını (aktüatör) buna göre ayarlar.

4. Bir PID Kontrol Cihazındaki Temel Bileşenler

Bir PID sisteminin karmaşıklığı değişebilse de, genellikle birlikte çalışan birkaç bileşeni içerir. PID sıcaklık kontrol cihazının anlamını ve amacını tam olarak kavramak için bu bileşenleri anlamak önemlidir.

B. Sıcaklık Sensörü Arayüzü: Bir proses değişkenini, sistemin sıcaklığını ölçmekten sorumlu bileşen. Sensörün yüksek doğruluk ve güvenilirliğe sahip olması önemlidir. En yaygın tipler termistörler (Direnç Sıcaklık Dedektörleri veya RTD'ler olarak da bilinir), termokupllar ve DS18B20 gibi dijital sensörlerdir. Sensörün seçilmesi, sıcaklık aralığına, doğruluğuna ve uygulamasına bağlıdır. Tipik olarak, 1 Telli ve analog sinyaller gibi dijital arayüzler aracılığıyla kontrolör mantığına bağlanır.

PID kontrolörü ve#39; 'nin beyni C'dir. Karşılaştırıcı / Denetleyici mantığı: Denetleyicinin birincil işlevi, ayar noktası sıcaklığı ile proses değişkeni arasındaki fark olan hata sinyalini hesaplamak ve kullanmaktır. İntegral, türev ve oransal terimleri hesaplayan ve ardından bunları nihai kontrol sinyalinde birleştiren yazılım veya donanım içerir. Bu mantık bir mikrodenetleyicide uygulanabilir.

Aktüatör Bir aktüatör, mantık denetleyicisinden kontrol sinyalini alan ve prosesin değişkenini (sıcaklık) doğrudan etkileyen bir cihazdır. Bu aktüatördür ve#39; PID algoritması tarafından hesaplanan düzeltici eylemleri gerçekleştirme sorumluluğu. Katı Hal Röleleri, ısıtma veya soğutma elemanlarını değiştirmek için sıcaklık kontrol sistemlerinde yaygın olarak kullanılır. Mekanik Röleler de kullanılabilir, ancak SSR'ler yüksek anahtarlama hızları ve hareketli parça eksikliği nedeniyle tercih edilme eğilimindedir. Kontrolör, aktüatörlere özel sinyaller gönderir. Bu, Darbe Genişlik Modülasyonu sinyali (PWM), doğru voltaj/akım sinyali veya anahtar sinyali kontrolü bir SSR olabilir. Aktüatör, soğutma veya ısıtma elemanına iletilen güç miktarını kontrol eder.

5. Kapalı Döngü Kontrol Sistemi

Kapalı döngü sistemler, proses değişkenlerini kontrol etmek için geri bildirim kullanır. Kapalı döngü sistemler genellikle PID sıcaklık kontrolü ile örneklendirilir.

B. Bu işlem şu şekilde gerçekleştirilir: sıcaklık sensörü, sıcaklıkla ilgili bilgileri mantık denetleyicisine gönderir. Bu ölçüm, kontrolör tarafından ayar noktası sıcaklığı ile karşılaştırılır. Bu farka Hata sinyali denir. Bu hata sinyali, düzeltici bir yanıt oluşturan PID algoritması tarafından işlenir. Aktüatör daha sonra ısıtma veya soğutmayı ayarlar. Sensör, ayarlamadan sonra yeni sıcaklığı ölçer ve bu, geri bildirim sağlamak için kullanılır. Bu yeni bilgi, kontrolör tarafından bir sonraki düzeltme eylemini belirlemek için kullanılır. Döngü daha sonra devam eder. Sistem, bu kapalı döngüyü kullanarak sürekli olarak istenen sıcaklığa ayarlanır.

Kapalı döngü sistemleri, bir PID kontrolöründe bir geri besleme döngüsü oluşturmak için kullanılır. Kontrolör, proses değişkeninin sıcaklığını (ayar noktası) istenen sıcaklıkla (gerçek sıcaklık) sürekli olarak karşılaştırır ve hatayı azaltmak için ısıtıcıyı/soğutucuyu (aktüatör) ayarlar.

6. Faydalı Uygulama Örnekleri: Anlam

Haydi' Bir PID kontrolörünün ne olduğunu daha iyi anlamak için basit bir duruma bakın: küçük bir muhafaza içindeki sıcaklığı düzenler.

B. Küçük bir elektronik muhafazanın ısıdan zarar görmüş hassas bileşenler içerdiğini hayal edin. Ayar noktası 50degC olarak ayarlanmıştır. İç sıcaklığı belirlemek için kontrolör tarafından bir DS18B20 kullanılır. Sensör verileri kontrolörün mantığına (örn. bir mikrodenetleyici) gönderilir. Mikrodenetleyiciler hatayı hesaplar. (mevcut sıcaklık 50degC'den az). Hataya bağlı olarak, PID P, I ve D terimlerini hesaplar. Bu kontrolör, hesaplanan düzeltici eylemi temsil etmek için bir PWM üretir (örn. ısıtma gücünün arttırılması). PWM kontrol sinyali, bir SSR kullanarak muhafazaya bağlı ısıtma elemanını 12V ayarlar. Bu sistem sürekli olarak sıcaklığı ölçer, hatayı hesaplar ve ardından ısıtma gücünü ayarlar. Kapalı döngü sistemi, cihazın içindeki sıcaklığın 50°C'ye yakın kalmasını sağlar. Bu, bir PID denetleyicisinin nasıl çalıştığına iyi bir örnektir. Ayarlanan sıcaklığı korumak için bir aktüatörü (ısıtma bileşeni) sürekli olarak ayarlar.

Bu örnekte, PID kontrolörü açıkça tanımlanmıştır: Isıtma elemanı için gerekli ayarlamayı belirlemek için Oransal İntegral ve Türev Terimlerini kullanan bir PID sistemidir. Bu, ısıtıcının sıcaklığını ölçmek ve bunu ayar noktası ile karşılaştırmak için sürekli bir geri besleme döngüsü kullanılarak yapılır. Sıcaklık, muhafaza içinde doğru ve tutarlı bir şekilde düzenlenebilir.

7. PID sıcaklık kontrol cihazı kullanmanın avantajları

PID kontrolörü, hassas sıcaklık kontrolü gerektiren birçok uygulamada popüler bir seçimdir.

B. Bu avantajlar PID algoritmasına dayanmaktadır ve#39; Hata sinyalini yönetme ve aşağıdaki faydaları sağlama yeteneği.

C. Doğruluk: PID algoritması hatalara dayalı düzeltici eylemleri hesaplayabildiğinden, sıcaklığı çok doğru bir şekilde düzenleyebilir. Yüksek doğruluk, kontrolörün proses değişkenlerini ayar noktasına çok yakın tutabildiği anlamına gelir. PID terimi bunu başarmak için kullanılır: P-terimi hemen bir düzeltme sağlar' hata ile orantılıdır. I-terimi, zaman içindeki kararlı durum hatasını ortadan kaldırır. Ve D terimi değişiklikleri öngörür ve aşmaları ve salınımları önler. Yüksek doğruluk, kontrolörün sıcaklığı dar toleranslar dahilinde tutabildiği anlamına gelir. Bu, hassas bileşenlerin korunması ve güvenilir operasyonların sağlanması için çok önemlidir.

Kararlı çalışma: PID algoritmasındaki D terimi, salınımları önlemeye yardımcı olur. Kararlı çalışma, sistemin herhangi bir aşırı döngü veya dalgalanma olmadan ön ayar noktasına yerleşmesi anlamına gelir. D terimi tepkiyi azaltır ve değişiklikleri öngörerek sistemin çılgınca sallanmasını önler. Kararlı çalışma, sıcaklığın öngörülebilir ve güvenilir bir şekilde korunabileceği anlamına gelir.

Enerji verimliliği: PID algoritmaları, kontrolörün ısıtma gücünü hassas bir şekilde ayarlamasına olanak tanıyan hassas kontroller sağlar. Enerji verimliliği, kontrolörün yalnızca istenen sıcaklıklara ulaşmak ve korumak için gereken gücü uyguladığı anlamına gelir. Sistem, gereksiz ısınmayı önleyerek enerji kullanımını azaltır. Enerji verimliliği, sistemin atık enerjiyi azaltması anlamına gelir.

F. Güvenilirlik: Güvenilirliğin tanımı, işlevinizi zaman içinde tutarlı bir şekilde yerine getirme yeteneğidir. Bu anlam, denetleyici için seçilen bileşenlerden etkilenir. Güvenilirliğin anlamı budur: sistemin güvenilir sıcaklık düzenlemesi sağlaması.

Esneklik Bu, kontrolörün sensörünü, aktüatörünü ve ayar noktasını değiştirerek farklı uygulamalar için uyarlanabilir olduğu gerçeğini ifade eder. Esneklik, kontrolörü sıcaklık düzenlemesi gerektiren farklı senaryolarda kullanma yeteneğidir.