PID sıcaklık kontrolörü nedir? Kapsamlı Bir Kılavuz

I. I. Giriş: Hassas Kontrol ve Bunun Zorunluluğu

 "Nasıl" olduğunu anlıyorsanız bu cihazları kullanın ve bunlarla ilgili sorunları çözün.

II. Ambalajı Açılan Temel Bileşenler: PID Kontrolü Nedir?

PID kontrolörü, bir ayar noktası içinde değişken bir işlemi (sıcaklık gibi) büyük bir hassasiyetle korur. Bu' bileşenlerinin yeteneklerini anlamak önemlidir.

Süreç: İşte kontrol sistemi. Bizim bağlamımızdaki süreç genellikle su banyosu veya kimyasal reaktör gibi bir soğutma veya ısıtma sistemidir. Sıcaklıkla ilgileniyoruz.

Sensör: İşlemin sıcaklığını ölçer. Sensörler aşağıdakileri içerir:

Termokupllar Tek bir noktada (ölçüm bağlantısı) bir araya getirilmiş iki metalden yapılırlar. Termokupllar, bir ölçüm bağlantısı ile referans bağlantı noktası arasındaki sıcaklık farklarıyla orantılı bir voltaj üretir. Bunlar sağlamdır, ucuzdur ve geniş bir sıcaklık aralığı için kullanılabilir. Soğuk bağlantı telafisi kontrolör tarafından yapılmalıdır.

Direnç sıcaklık dedektörleri: Elektrik dirençleri, tıpkı Platin RTD'ler gibi sıcaklıkla değişir. Bu sensörler termokupllardan daha doğru ve kararlıdır ve bunlar' Genellikle laboratuvar veya yüksek hassasiyetli uygulamalar için kullanılır. Sinyal koşullandırma gereklidir (örn. bir entegre devre veya Pt100 modülü kullanarak). Başka türler de var, ama onlar' standart PID kontrollerinde daha az yaygındır.

Denetleyici: Sistemin "beyni" dir. Analog kontrolörler, algoritmayı yürütmek için geleneksel olarak işlemsel yükselteçler ve kapasitörler içeren devreler kullanmıştır. Çoğu modern denetleyici, hesaplamalar için dijital ve bir mikroişlemci (MCU) kullanır. Daha fazla esneklik ve programlanabilirlik sağlar. Bu kontrolör ham sensör sinyalini alır, dijitale (A/D veya Analogdan Dijitale) dönüştürür, algoritmayı çalıştırır ve ardından kontrol sinyalleri üretir.

Son kontrol elemanı (Aktüatör). Bu bileşen son kontrolördür ve sinyali dijital termostattan alır. Daha sonra proses sıcaklığını etkilemek için fiziksel olarak harekete geçer. Aktüatörler aşağıdakileri içerir:

Katı Hal Röleleri: Kontrol sinyallerine dayalı olarak ısıtma elemanlarına gücü açıp kapatan elektronik anahtar.

Güç Transistörünün Çıkışları: Dirençli ısıtma elemanlarına (örn. bir güç direnci veya ısıtma bobini) iletilen güç miktarını değiştirmek için kullanılır.

Röleler Düşük güçlü bir kontrol sinyali kullanarak (genellikle diğer aktüatörlerle kombinasyon halinde) yüksek güç devrelerini anahtarlayan mekanik anahtar.

Solenoid Valfler: Soğutma sistemlerinde soğutucu akışkanların ve soğutucuların akışını düzenlemek için kullanılır.

III. Temel konsept: Ayar Noktası Sıcaklığı ile Proses Sıcaklığı Arasındaki Boşlukları Kapatma

Bir PID kontrolörü ve#39; Temel amacı, ayar noktası sıcaklığı ile gerçek sıcaklık arasındaki sıcaklık farkını azaltmaktır. Bu fark, Hata Sinyali olarak bilinir. Bu hata, prosesin sıcaklığını sürekli olarak izleyen ve ölçen kontrolör tarafından hesaplanır ve bunu ayar noktasıyla karşılaştırır.

Ölçüm Döngüsü: Giriş devresini kullanarak, kontrolör sıcaklık sensörünü alır ve#39; s sinyali. Devre, sinyal koşullandırma, amplifikasyon ve filtrelemeden sorumludur (termokupllarda soğuk bağlantı kompanzasyonu veya RTD'lerin doğrusallaştırılması gibi).

Hataların Hesaplanması: Dijital bir kontrolde, dijital işlemci şartlandırılmış sinyalleri sıcaklık değerlerine dönüştürür. Ölçülen sıcaklık, kullanıcı tanımlı ayar noktası ile karşılaştırılır. Bu karşılaştırmanın sonucu Hata Sinyalidir: Ayar Noktası = Ölçülen Sıcaklık.

Pid algoritması, denetleyici zekasının merkezinde yer alır. Kontrolör, aktüatör için bir çıkış oluşturmak üzere hesaplanan sinyali kullanır. Bu' Bu çıktının yalnızca eldeki hataya tepki vermediğine dikkat etmek önemlidir; daha ziyade, geçmiş hata geçmişini hesaba katan karmaşık bir hesaplamadır.

IV. Matematiksel Kalp: PID Algoritmasını Parçalamak - Oransal İntegral ve Türev

Algoritma, her biri sinyale farklı yanıt veren üç terimin birleşimidir. PID kontrolörlerinin hassas kontrolü nasıl sağladığını tam olarak kavramak için bu bileşenleri anlamak önemlidir.

(P) ile orantılı kontrol:

Prensip: Oransal kontrol, hata sinyalinin mevcut büyüklüğüne anında yanıt verir. Kontrol eylemi hata ile orantılıdır.

Matematiksel gösterim: P bileşeninin çıktısını şu şekilde hesaplayın: Output_P = Kp'nin orantılı kazancı temsil ettiği hata. Çıktıyı ifade etmek için orantılı bantlar da kullanılır. Daha küçük bir PB, daha yüksek bir Kp'yi gösterir. Hata 5degC ve Kp değeri 2 ise, P bileşeninin çıktısı 10 birim olabilir. (Gerçek anlam, %0-100 veya 0-20mA gibi denetleyicinin çıkış aralığına bağlı olacaktır). P bileşeni olduğunda büyüktür' Bu büyük bir hata. Bu, aktüatörü düzeltmek için çok çalışmaya iter.

Faydaları: Proses sıcaklıklarındaki veya ayar noktalarındaki ilk değişikliklere hızlı bir şekilde yanıt verir.

Dezavantaj: Oransal kontrol yalnızca akım hatalarına yanıt verir ve artık bir ofset bırakır. Ayar noktası sıcaklığı 100°C ise ancak 98°C civarında stabilize olursa, P-kontrolörü tam düzeltmeyi uygulamayı durdurur, ancak sıcaklık asla ayar noktasına ulaşmayacaktır.

Kontrol İntegrali:

Kavram: İntegral Kontrol, zaman içinde hataların birikmesine tepki verir. Amaç, hataları sürekli olarak toplayarak P-eyleminin neden olduğu artık ofseti ortadan kaldırmaktır.

Matematiksel gösterim: I bileşeninin çıktısı şu şekilde hesaplanabilir: Output_I = Hata * Ki, burada Ki integral kazançtır. Bu integral terimi zaman içindeki hataları toplar ve ardından bu toplamla orantılı bir düzeltici eylem uygular. Hata devam ederse integral terimi artar ve aktüatörleri sıfır olana kadar daha uzun veya daha fazla çalışmaya zorlar.

İntegral Kurma: Bir aktüatör istenen konuma ulaşamazsa bir sorun oluşabilir. (Örneğin, röle tamamen açık olabilir, ancak işlemin sıcaklığı çok düşüktür). İntegral kurma, integral terimin biriktiği ve bir sınıra ulaşabileceği bir durumdur. Düzeltme gerekirse uzun gecikmelere neden olabilir. Modern kontrolörler, kurma önleme tekniklerini kullanır.

Faydaları: Genellikle "kararlı durum" (ofset) nedeniyle oluşan orantılı kontrollerle ilişkili hatayı azaltır. Bu, ayar noktalarına çok daha doğru bir şekilde uyulmasına yol açar.

Dezavantaj: Sıcaklık ayar noktasından daha yüksek olduğunda aşmaya neden olabilir ve entegre eylemler çok agresifse genel olarak yanıtı yavaşlatabilir. Bu da dikkatli bir ayar gerektirir.

Türev (D) Kontrolü:

Kavram: Türev kontrolü, hata sinyalindeki değişim oranına dayanır. Sistem, mevcut hatanın ne kadar hızlı geliştiğini analiz ederek hataları tahmin eder.

Matematiksel gösterim: D bileşeninin çıktısı şu şekilde hesaplanabilir: Output_D= (Kd* d(Hata),/dt), Burada Kd, genellikle Td türev zamanı ile ilgili olan türev kazancıdır. Terimin "frenleme" etkisi vardır. D bileşeni, hata hızla artarsa (sıcaklık ayar noktasına doğru çok hızlı yükselirse) sisteme direnç ekler. Hata hızla azalırsa, bu, sistem ataletiyle mücadele etmek için küçük bir destek sağlar.

Faydaları: Kararlılığı artırır ve aşmayı azaltır.

Dezavantaj: Türev eylem, sıcaklık sinyalindeki gürültüye (elektriksel girişim veya hava akımlarından kaynaklanan) duyarlıdır. Bazen giriş sinyalini filtrelemek gerekir. Sabit bir hata varsa (ne kadar büyük olursa olsun) filtrenin hiçbir etkisi yoktur.

P, I ve D olmak üzere üç elementi birleştirmek. Bu, aktüatöre gönderilen son çıktıdır. Çıktı= Output_P artı Output_I artı Output_D. Ağırlıklandırma faktörleri, bir kontrol eyleminin doğasını tanımlayan ayarlama parametreleridir. Ayarlama, en uygun kombinasyonu bulma sürecidir.

Bir PID Termostatı Nasıl Kontrol Edilir (Teoriyi Uygulamaya Koymak).

Bu' Bileşenleri anlamak için bir şey, gerçek bir sistemde nasıl etkileşime girdiklerini görmek başka bir şey. Bu, döngünün ayrıntılı bir genel bakışıdır.

Ölçüm: Kontrolör, bağlı sensörü kullanarak sıcaklığı ölçer. Örneğin bir termokupl, kontrolörün daha sonra bir sıcaklık okumasına dönüştürdüğü voltaj üretir.

Hesaplama: Ölçülen sıcaklık ile Ayar Noktası arasında bir karşılaştırma yapılır. Kontrolör hata sinyallerini hesaplar. Algoritma, P, I ve D bileşenlerini mevcut hata ve geçmişe (I için) ve değişim oranına (D için) dayalı olarak hesaplar.

Çalıştırma: Miktarı hesaplayın Kontrol çıktısı Son kontrol elemanına bir P I D kombinasyonu gönderilir. Olabilir:

Bir ısıtıcı elemanın gücünü artırın.

Bir ısıtıcı elemanın gücünü azaltın.

Bir soğutma cihazı (buzdolabı veya fan gibi) etkinleştirilir.

Bir sıcaklık kontrol vanasının konumunun ayarlanması.

Sabit Döngü: Bu işlem neredeyse anında tekrarlanır (genellikle saniyede binlerce kez). Kontrolör sürekli olarak sıcaklığı izler ve gerekli eylemleri hesaplar. Daha sonra aktüatörleri buna göre ayarlar. Geri besleme döngüsü hızlıdır ve proses sıcaklığının ayar noktasına yakın kalmasını sağlar.

VI. Operatörün manuel ve otomatik kontrol modları üzerindeki etkisi

Modern PID kontrolörleri, operatöre daha fazla esneklik sağlamak için hem otomatik kontrol (otomatik) hem de Manuel (insan) çalışma modları sunar.

Otomatik (Otomatik) Mod: PID algoritması otomatik modda çalışır. Kontrolör, mevcut hata sinyaline dayalı olarak gerekli çıkışı aktüatöre gönderir. Operatör müdahalesi olmadan sabit bir sıcaklığı korumak için varsayılan çalışma modudur.

Mod Manuel (Manuel): Aşağıdakiler hakkında daha fazla bilgi edinebilirsiniz: Manuel kontrol Operatör, çıkış sinyalini doğrudan etkileyebilir. Çoğu durumda, çıkış sinyali bir operatör tarafından kontrol edilir. önyargı Ayrıca manuel ayar noktası hakkında daha fazla bilgi edinebilirsiniz Değer girilir. Yine de işlemin sıcaklığını gösterir, ancak çıktıyı hesaplarken bunu yok sayar. Yalnızca manuel olarak girilen önyargı değeri çıkış sinyalini belirler. Aşağıdaki uygulamalar bu moddan yararlanabilir:

Otomatik kontrolü açmadan önce hassas ayarlamalar yapın.

Sorun gidermek için aktüatörü doğrudan kontrol etme.

Rampa yukarı veya aşağı gibi belirli görevleri gerçekleştirin.

Otomatik kontrolü geçici olarak geçersiz kılma

VII. PID kontrolörünün ayarlanması (Optimum performansın elde edilmesi)

Bir PID kontrolü kullanmanın en zor kısmı P, I ve D arasındaki dengeyi bulmaktır. Kötü bir ayar, yavaş tepkiye, salınımlara veya kararsızlıklara yol açabilir. İyi bir ayar, hassas ve güvenilir kontrol sağlayacaktır.

Tuning Nedir? Ayarlama işlemi, belirli bir işlem için en iyi kazancı (Kp Ki Kd) veya eşdeğer ayar sabitleri PB Ti Td'yi bulmaktır.

Önem Tepki süresi, yerleşme süresi, minimum aşma ve kararlılık gibi istenen performans metriklerini elde etmek için sistemi ayarlamak önemlidir. Bu, enerji verimliliğini ve ürünlerin kalitesini doğrudan etkiler.

Ayarlama yöntemleri:

Açık Döngü veya Kapalı Döngü (Ziegler Nichols): Tipik bir başlangıç noktası, sistem salınana kadar kazancı orantılı olarak artırmaktır. Ardından, belirli kuralları kullanarak ilk ayarlamayı hesaplayabilirsiniz. Sistemi dikkatlice gözlemlemek önemlidir.

Otomatik Ayarlama Yazılımı: Çoğu modern denetleyici, otomatik ayarlama işlevleriyle birlikte gelir. Çeşitli testler gerçekleştirirler (röle testi veya proses yanıtının analizi gibi) ve ardından önerilen ayar parametrelerini otomatik olarak hesaplarlar. İşleri basitleştirir, ancak sonuçları anlamak gerekebilir.

Otomatik Ayar Rölesi: Gelişmiş kontrolörler, kontrollü salınımlar oluşturmak için entegre bir röle kullanabilir ve ardından ayar sabitlerini bulmak için sistem özelliklerini ölçebilir.

Analitik yöntemler: Optimal parametreleri belirlemek için daha basit süreçler için matematiksel modeller kullanılır. Ancak, bu yöntem ileri düzeyde bilgi gerektirir.

Proses reaksiyon eğrisi yöntemi: Bu, ayar noktasının manuel olarak ayarlanmasını, proses yanıtlarının çizilmesini ve ayarlanacak parametrelerin belirlenmesini içerir.

Dikkate alınması gereken faktörler: Bir sürecin ayarlanması, büyük ölçüde dinamiklerine (atalet veya zaman sabitleri ve gecikmeler) ve ayrıca belirli süreçlere bağlıdır. Ölçümden kaynaklanan gürültü ve diğer rahatsızlıklar gibi diğer faktörler de dikkate alınmalıdır. Otomatik ayarlama veya deneme yanılma genellikle bir başlangıç noktası bulmak için kullanılır ve daha sonra gözlemlenen performansa göre ince ayar yapılır.

VIII. PID sıcaklık kontrol cihazlarının gerçek dünya durumlarında uygulanması

PID, özellikle sıcaklık kararlılığının önemli olduğu durumlarda çok çeşitli uygulamalarda kullanılabilen çok yönlü ve hassas bir kontroldür.

Laboratuvar araştırması: PCR makinesi hassas termal döngü gerektirir. İnkübatörlerin hücre kültürleri için stabil olması gerekir. NMR spektrometreleri kontrollü ortamlar gerektirir. Kalorimetreler sıcaklık değişimlerini doğru bir şekilde ölçer.

İmalat Endüstrisi: Kimyasal reaktörler hassas sıcaklık profilleri gerektirir. Otoklavlar buhar sterilizasyonuna bağlıdır. CIP/SIP Sistemlerinin kontrollü sıcaklıklarda temizlenmesi ve doldurulması gerekir.