Artigo sobre Controle de Temperatura com um Controlador PID

I. I. Introdução

e então ser capaz de aplicá-los em seus próprios desafios de controle de temperatura.

II. Conceito e Design do Projeto

Este projeto envolve várias considerações importantes de design.

É importante primeiro definir com precisão o objetivo do controle. Qual é a regulamentação exata necessária? Pode ser a temperatura em um pequeno invólucro selado ou a temperatura do líquido dentro do recipiente. Ou pode até ser a temperatura da superfície em um componente eletrônico. Isso ocorre porque a natureza de uma variável controlada, ou "carga", tem um impacto significativo no projeto do componente e na seleção do sistema.

Em segundo lugar, é necessário determinar a faixa de operação desejada.

A terceira decisão de projeto é a escolha do atuador. Este dispositivo adiciona ou remove calor para atingir a temperatura desejada. É importante que o atuador escolhido seja compatível com a capacidade de saída do sistema de controle.

O quarto passo é selecionar o sensor de temperatura correto. Os sensores devem ser capazes de determinar com precisão a temperatura (ou ponto representativo) da variável que está sendo controlada. Os tipos mais comuns são termopares que, embora robustos, podem ser usados em uma variedade de condições de temperatura. No entanto, eles oferecem menos precisão. Os detectores de temperatura de resistência, também conhecidos como RTDs, têm maior precisão, estabilidade e precisão, especialmente em uma faixa mais ampla. E termistores para aplicações que exigem um alto nível de sensibilidade. A seleção desses tipos, bem como de outras opções, como amplificadores de termopar e módulos de sensores integrados, depende de vários fatores, incluindo a faixa de temperatura necessária, a precisão necessária, o tempo de resposta necessário, o custo envolvido e a facilidade com que o módulo pode ser integrado ao controlador. Neste projeto, você deve escolher um tipo de sensor específico, como um termômetro NTC ou módulo tipo K, e justificar brevemente sua escolha.

Este diagrama explica como o sensor fornece feedback ao controlador. Ele também demonstra como o controlador usa esses dados e gera o sinal de saída que controla o atuador para influenciar a temperatura da carga.

III. Seleção e fornecimento de componentes

O próximo passo é identificar e selecionar o hardware necessário. Para garantir que nada seja esquecido durante a aquisição, é criada uma lista de todos os componentes necessários. Os componentes principais incluem um computador, também conhecido como microcontrolador. Este é o mecanismo que executa todo o sistema. É' s frequentemente selecionados para o equilíbrio entre poder de processamento e facilidade de uso, juntamente com as portas de E/S disponíveis (por exemplo, placas Arduino como Uno, Nano ou Raspberry Pi ou módulos ESP32). Outra opção é um módulo PID, que integra os algoritmos PID e fornece opções de interface simplificadas. No entanto, a implementação do PID usando bibliotecas em um microcontrolador também é uma abordagem educacional e viável.

Para um feedback preciso, é importante selecionar um sensor de temperatura adequado durante a fase de projeto. Também é necessário especificar o atuador de temperatura. Pode ser um módulo Peltier ou aquecedor resistivo. Os amadores costumam usar atuadores de potência relativamente baixa, mas ainda devem ser capazes de influenciar a faixa de temperatura de sua carga. Fontes de alimentação separadas para o microcontrolador e o sensor são necessárias para garantir que cada componente esteja recebendo a tensão e a corrente corretas. Se os pinos de saída do microcontrolador não forem capazes de lidar com a corrente consumida pelo atuador, pode ser necessário um módulo de relé. A lista também inclui componentes básicos, como um protótipo de placa de ensaio, cabos jumper para conexão e um possível gabinete para abrigar o sistema.

Para obter esses componentes, você precisa identificar fornecedores confiáveis. Adafruit, SparkFun, Digi-Key, Mouser ou Amazon são todos varejistas online especializados em componentes eletrônicos. O equipamento original pode ser encontrado nos sites dos fabricantes.

IV. Instalação e montagem de Hardware

A configuração de hardware é a fase que traduz os conceitos de design em uma configuração física. A fase de configuração do hardware envolve a conexão de cada componente de acordo com seu design. Cada conexão recebe instruções detalhadas, com ênfase na adesão às folhas de dados dos componentes para evitar danos e garantir a confiabilidade.

Primeiro, o sensor de temperatura é conectado. Os pinos de saída do sensor são normalmente conectados aos pinos de entrada do módulo PID ou microcontrolador (por exemplo, VCC, GND e pinos de sinal no caso de um sensor analógico ou pinos de sinal com um digital). Para alguns tipos de sensores e interfaces (como sensores digitais que se comunicam por I2C, SPI ou I2C), resistores pull-up ou resistência podem ser necessários. Para leituras precisas, é importante usar a fiação correta.

O atuador será conectado em seguida. Os diodos flyback podem ser usados nos terminais da bobina do relé se você estiver acionando dispositivos indutivos como motores e relés. Isso protegerá o pino de saída no microcontrolador contra picos.

A alimentação do sistema como um todo requer atenção. O microcontrolador, sensor, atuador e módulo de relé (se houver) requerem tensões diferentes (por exemplo, 5 V, 3.3 V ou 12 V, 24 V ou até mais para o atuador). A fonte de alimentação deve atender aos requisitos de todos os componentes e ser capaz de fornecer corrente suficiente, principalmente para o atuador. As conexões devem ser feitas de forma segura usando conectores, juntas soldadas ou isolando-as para evitar curtos-circuitos. Para prototipagem inicial e fácil modificação, as placas de ensaio podem ser uma opção conveniente.

O software é o cérebro do Sistema de Controle de Temperatura PID, convertendo dados do sensor em ações para controlar o atuador. O desenvolvimento deste software requer várias etapas. Começa com a configuração do ambiente de desenvolvimento. As instruções de instalação estão incluídas para as ferramentas de software necessárias.

Isso ocorre porque o algoritmo PID, em si, forma o núcleo do programa. O código para as funções abaixo deve ser escrito.

Ler dados do sensor: Implemente o código para ler os valores de temperatura do sensor. Isso pode envolver a leitura de uma tensão analógica (usando analogRead() no Arduino) ou a leitura de dados digitais (usando Wire.beginTransmission(), Wire.requestFrom(), etc., para sensores I2C).

Implementando PID: Integrando equações PID no código. Embora seja possível escrever sua própria lógica PID, é recomendável que os iniciantes usem uma biblioteca como a PID_v1. Ele lida com todos os cálculos internamente e oferece opções de configuração. A biblioteca requer que você defina os tipos de ganho (Kp, Ki, Kd), o ponto de ajuste de temperatura, bem como a medição de entrada. A biblioteca calcula o erro (a diferença nos pontos de ajuste e medições), usa o PID para processar esse erro e, em seguida, gera um valor.

Calculando sinais de saída: As saídas brutas das bibliotecas PID geralmente requerem dimensionamento ou interpretação. Se você estiver usando um relé de calor, por exemplo, pode ser necessário usar o sinal PID para ajustar o ciclo de trabalho em um sinal PWM. Também pode ser simplesmente um número digital (0 ou 1) para acionar o relé. A saída pode ser um número enviado a um DAC ou controlado diretamente por um PWM.

Controle do atuador: Na etapa final, o sinal de saída é usado para controlar o atuador. O microcontrolador pode ser controlado através dos pinos de saída digital ou pinos de saída analógica para PWM, bem como um módulo de relé.

Tratamento básico de erros Ao implementar um tratamento de erros simples, como uma verificação de falhas nas comunicações do sensor ou no status dos atuadores, você pode aumentar a robustez do sistema.

É importante fornecer a estrutura completa do código ou a estrutura mínima. Isso inclui todos os comentários que explicam a função e a finalidade das variáveis. Estruture o código para facilitar a leitura e a manutenção. Se você deseja incluir funções de exibição e interface do usuário (por exemplo, mostrar pontos de ajuste, temperatura e PID em um LCD), haverá um código adicional necessário para a interface do módulo de exibição, bem como para manipular as entradas de botões para definir os pontos de ajuste.

VI. Processo de ajuste PID

O ajuste correto dos parâmetros PID (Proporcional (P), Integrado (I) e Derivado (D) é crucial para obter um controle de temperatura eficaz. Antes de ajustar, é importante entender como os parâmetros afetam o comportamento do sistema. O termo proporcional (P), que impacta diretamente na saída, é proporcional ao erro. (A diferença entre a temperatura do ponto de ajuste e a temperatura medida). Se definido como um valor mais alto, o termo P responderá mais fortemente aos erros. No entanto, pode causar oscilação ou instabilidade se for muito alto. No termo Integral, os erros passados são acumulados ao longo do tempo. Esse ajuste constante é usado para remover o erro de estado estacionário. Ações excessivas I podem causar oscilações. O termo derivada (D), que prevê o erro futuro com base nos erros atuais, ajuda a reduzir oscilações, melhorar os tempos de resposta do sistema e contribuir para a estabilidade.

Pode ser difícil encontrar os melhores valores de P, I e D, que geralmente requerem experimentação e observação atenta. Embora existam rotinas de ajuste automático que podem ser integradas com módulos PID e outros controladores, é importante entender o processo de ajuste manual. Ziegler-Nichols é um método comum para determinar um sistema e#39; s Ganho final e tempo de ciclismo final. Isso envolve aumentar o ganho proporcional até que as oscilações sejam consistentes em amplitude. Com base em fórmulas empíricas, esses valores podem ser usados para determinar o valor inicial de P, I e D. Esse método pode ser difícil de usar para projetos menores ou com menos previsibilidade.

Técnicas práticas de ajuste manual para este projeto são geralmente mais eficazes e viáveis. É comum começar com o Proporcional. Comece com um valor baixo de P (por exemplo, P = 1 e P = 0,1) e, em seguida, observe como o sistema responde quando você altera o ponto de ajuste. Aumente gradualmente P até ver o sistema oscilar. O ponto em que o sistema começa a oscilar dá uma ideia do que você ganhará no final. Como alternativa, você pode começar usando um valor de P moderado e depois ajustá-lo de acordo com suas observações. Depois que um valor P fornece uma resposta rápida, sem oscilações excessivas, você pode introduzir o termo integral. Defina Ki em um valor baixo, por exemplo, Ki = 0,1, e veja se melhora a capacidade do sistema de manter o ponto de ajuste, eliminando o desvio lento. Se a deriva continuar, aumente o Ki lentamente. Certifique-se de ficar de olho em novas oscilações. O termo derivado pode ser adicionado no final. Defina Kd em um valor baixo, por exemplo, Kd = 0,01, e veja se o amortecimento melhora. O ajuste iterativo envolve alterar um parâmetro um de cada vez e observar como o sistema se comporta. Em seguida, outros ajustes são feitos.

É importante encontrar um sistema equilibrado que responda rapidamente às mudanças no ponto de ajuste. O objetivo é que o sistema atinja o ponto de ajuste sem ultrapassagens, mantenha uma temperatura estável em torno do ponto de ajuste e se recupere rapidamente de quaisquer perturbações. Existem várias dicas de afinação, incluindo começar com P e passar para I e D, observar os tempos de oscilação, ultrapassagem e estabilização, além de fazer pequenos ajustes. Os valores finais de P, I e D devem ser guardados no programa. Se o microcontrolador permitir, o armazenamento não volátil também pode ser usado.

VII. Teste e validação do sistema

Depois que o hardware for montado e os parâmetros PID forem ajustados, é importante testar o sistema rigorosamente para garantir que o desempenho seja o esperado. O teste começa com verificações básicas. Ligue o sistema e verifique se o microcontrolador executa o programa. Confirme também se as leituras do sensor e a exibição estão corretas. Mesmo que um controlador ' O sinal de controle foi inicialmente ajustado em um nível fixo (por exemplo, totalmente ligado, desligado), verifique se o atuador está respondendo adequadamente.

Para realizar o teste primário, você precisará definir a temperatura desejada através da interface do sistema (por exemplo, um potenciômetro ou configurações de software, se disponíveis). Observe a resposta do sistema enquanto ele tenta manter e atingir essa temperatura. O monitoramento das temperaturas ao longo do tempo é melhor feito usando os recursos de registro e plotagem do software, se estiverem disponíveis. Os principais indicadores de desempenho são o tempo de subida, que é a rapidez com que a temperatura atinge seu ponto de ajuste. A resposta ideal é que o sistema seja relativamente rápido, suave e mantenha a temperatura próxima ao ponto de ajuste.

Introduza distúrbios controlados para testar ainda mais a robustez do seu sistema. Se o gabinete for controlado pelo sistema, você pode abri-lo brevemente para permitir a entrada de ar mais frio e ver como o sistema reage. Deve ser capaz de detectar a queda de temperatura e aumentar a saída de aquecimento, se necessário, para elevar a temperatura ao ponto de ajuste. Se você estiver controlando a temperatura do líquido, adicione um pouco de líquido mais frio e observe a reação.

Revise os dados que foram registrados (por exemplo, gráficos de temperatura versus tempo). É possível analisar o desempenho do sistema com mais detalhes, facilitando muito a detecção de quaisquer problemas, como oscilações persistentes ou respostas lentas, além de falhas no alcance dos setpoints. As observações podem exigir pequenos ajustes no parâmetro PID, mas o ajuste mais significativo geralmente é reservado para a fase de ajuste. A fase de teste dá confiança na capacidade do sistema de manter a temperatura desejada em diferentes condições.

VIII. Conclusões do Projeto e Exploração Adicionaln

A implementação de controles de temperatura usando um controlador PID é uma demonstração dos princípios básicos de controle. O leitor foi guiado por todas as etapas principais: desde o projeto e conceito inicial até a seleção de componentes, montagem de hardware, software, ajuste PID e teste do sistema. Este projeto não apenas permitiu que os indivíduos construíssem um sistema de controle de temperatura de trabalho, mas também ganhassem uma experiência valiosa na aplicação da teoria PID. Se o ajuste estiver correto e os componentes forem selecionados corretamente, a operação bem-sucedida deste sistema fornecerá uma compreensão concreta desses conceitos.

Refletindo sobre o projeto it' É provável que você tenha encontrado desafios ao longo do caminho. Alguns desses desafios podem ter sido dificuldades em obter ajuste PID estável ou problemas de integração de sensores, bem como solucionar problemas relacionados a conexões de hardware. Aprender a superar esses desafios é uma parte crucial do aprendizado. Em muitos casos, problemas comuns, como oscilações e respostas lentas, indicam a necessidade de ajustar ainda mais o PID, possivelmente fazendo ajustes menores ou começando de um novo ponto. Ao abordar essas questões, você pode entender melhor os princípios.

Existem muitas oportunidades para melhorar e explorar o projeto. O ambiente controlado poderia ser melhorado adicionando mais isolamento, o que reduziria a tensão no atuador e melhoraria a eficiência. Atualizações para sensores de temperatura mais precisos ou microcontroladores de resolução mais alta podem melhorar a precisão. Implementação de estratégias de controle sofisticadas, como cascata ou