Artigo: Controle de temperatura usando controlador PID: diagrama de circuito e explicação

I. I. Introdução

Controle de temperaturaA precisão é um requisito para inúmeras aplicações em muitos setores diferentes. A capacidade de regular com precisão a temperatura é essencial para uma ampla gama de aplicações, desde a manutenção de condições ideais nos processos de fabricação industrial até os data centers e a garantia da estabilidade em ambientes de laboratório até o conforto e a segurança das áreas residenciais. Um controle de temperatura deficiente pode resultar em redução da qualidade do produto, equipamentos danificados, uso excessivo de energia e resultados de experimentos comprometidos. Entre os métodos mais eficazes e amplamente empregados para obter um controle sofisticado de temperatura está o controle proporcional-integral-derivativo (PID). A técnica é uma maneira confiável de manter uma variável em um sistema, como a temperatura, dentro de um valor de ponto definido. O objetivo deste artigo é explicar os princípios básicos do PID aplicados ao controle de temperatura e fornecer um diagrama de circuito detalhado que destaca os principais componentes e interconexões.

II. Entendendo o controle PID para temperatura

Um. O que é o PID Control (Controle Integrado de Dispositivo Programável)?

O controle PID, que significa Proporcional-Integral-Derivativo, representa uma forma fundamental e altamente prevalente de malha de controle de feedback. Um loop de controle é composto de componentes interconectados que trabalham juntos para ajustar uma variável para corresponder ao ponto de ajuste predeterminado. Esse loop é controlado pelo controlador PID, que calcula as ações corretivas com base nos desvios entre as variáveis reais e os valores desejados. No contexto do controle de temperatura, o objetivo principal do PID é reduzir esse erro. Isso permitirá uma reação rápida a quaisquer distúrbios e atingirá e manterá a temperatura desejada.

B. Os três componentes (P, I e D):

PID' A eficácia se deve aos seus três componentes interconectados, mas distintos, cada um abordando diferentes aspectos do erro no tempo. É importante entender esses componentes para apreciar completamente como o PID regula a temperatura.

1. O termo Proporcional gera um sinal diretamente proporcional à magnitude do erro. Nesse contexto, o erro é a diferença entre as temperaturas de ponto de ajuste desejadas e as temperaturas reais medidas pelo sensor. Se e(t), o erro dependente do tempo, é definido matematicamente como ' P = Kp* e(t), ' Kp,' constante de ganho, pode então ser usada para calcular a saída proporcional 'P. A produção proporcional aumenta com um erro maior e vice-versa. A reação imediata ajuda a iniciar a correção e aproximar a temperatura do sistema do ponto de ajuste. Se você confiar apenas na resposta proporcional, isso pode levar a um erro de estado estacionário. Este é um erro residual que permanece mesmo após a estabilização do sistema. A saída do controlador não será suficiente para eliminar completamente o erro, mas apenas grande o suficiente para a correção. O aumento do ganho proporcional pode reduzir esse erro, mas se for definido muito alto pode causar instabilidade ou oscilações.

2. Integral (I):

Os termos integrais podem eliminar o erro no estado estacionário que não pode ser eliminado apenas por termos proporcionais. O termo integral integra-se continuamente e calcula a soma cumulativa do erro. Saídas integrais ' I,' são geralmente proporcionais à integral do erro para um determinado intervalo de tempo. Isso geralmente é escrito como I = Ki* e(t), dt onde ' Ki, ' é constante de ganho integral. O termo de ganho integral se acumulará se o erro continuar por qualquer período de tempo. Essa ação corretiva aproxima o sistema do ponto de ajuste. Os erros de estado estacionário são essencialmente ' eliminado' ao longo do tempo por esta ação, que garante que as temperaturas do sistema eventualmente atinjam os valores desejados. O termo integral é de reação lenta e pode contribuir para um overshoot quando não ajustado corretamente.

3. Derivada (D):

O termo derivativo está relacionado com a taxa na qual o erro muda. A derivada de tempo é calculada e, com base na taxa de erro atual, pode prever a tendência no futuro. D é geralmente proporcional à variação da taxa de erro e é expresso por D = Kd* de(t/dt), onde "Kd" é a constante de ganho derivada. O componente derivado pode ser muito útil para melhorar a estabilidade e parar oscilações e ultrapassagens. O termo derivado, ajustando-se à inclinação, pode tomar medidas corretivas antes de se tornar muito grande. Isso amortece a resposta do sistema e garante uma convergência mais rápida e estável em direção ao ponto de ajuste. Este é um tipo de controle Yu Jian Xing (antecipatório), que ajuda a suavizar as mudanças de temperatura.

C. O Circuito de Controle

Um sistema PID opera dentro de um ciclo de feedback. A sequência típica é: Um sensor mede a temperatura com precisão dentro do sistema. O sensor transforma a temperatura física em um sinal elétrico. Isso geralmente é mudanças de tensão ou resistência. Os sinais dos sensores são alimentados para o controle PID. A temperatura medida (variável de processo ou PV) no controlador é comparada com a temperatura do ponto de ajuste (SP) inserida pelo usuário. Essa diferença é o erro. (E = PV - SP). Os controladores PID calculam os termos P, D e I usando esse histórico de erros. Esta soma dos três termos produz o sinal de controle de saída final. O sinal de saída enviado pelo controlador é então transmitido ao atuador. Este é um dispositivo que pode influenciar fisicamente a temperatura do sistema (por exemplo, ligar ou desligar um aquecedor, alterar a velocidade dos ventiladores de resfriamento). A ação do atuador altera a temperatura do sistema. O loop mede a mudança de temperatura e ajusta o atuador de acordo.

III. Diagrama do Circuito de Controle de Temperatura

A. Visão geral:

Os diagramas de circuito são representações gráficas de componentes eletrônicos em um sistema PID. Eles mostram os caminhos do sinal e as conexões funcionais. O diagrama de circuito é um projeto que ajuda a entender como todos os elementos interagem para atingir o controle de temperatura desejado. A implementação específica pode variar dependendo de quais componentes são usados (por exemplo, um controlador analógico PID vs. um microcontrolador), mas a estrutura básica é a mesma.

B. Componentes chave:

Os diagramas de circuito geralmente incluem vários componentes, cada um desempenhando um papel no controle do processo.

1. O sensor de temperatura é essencial para a determinação do status atual do sistema. Os tipos mais comuns são termopares (RTDs) e termistores de coeficiente de temperatura negativa (NTC). Os termopares produzem uma mudança de tensão proporcional à temperatura. Os RTDs mudam a resistência com a temperatura. E os termistores mostram uma grande mudança de resistência. A seleção do sensor é baseada em faixas de temperatura, precisão e condições ambientais. O condicionamento do sinal é necessário porque a saída do sensor não pode ser usada diretamente pelo controle PID.

2. O Circuito de Condicionamento de Sinal é uma etapa intermediária crucial que prepara o sinal de saída do sensor para o controlador PID. Os sinais brutos de sensores como termopares e termistores podem ser fracos, não lineares ou fora de uma faixa normal de tensão/corrente. Os circuitos de condicionamento de sinal executam funções necessárias, como amplificação de sinal (conversão do sensor' s resposta de não linear para linear com temperatura), filtragem de ruído e, possivelmente, conversão de sinal (de tensão para corrente, ou vice-versa). Uma tabela de pesquisa, conversão digital ou um circuito amplificador operacional podem ser usados para obter a linearização. O sinal é então apresentado em um formato preciso, estável e compatível com o controle PID.

3. Unidade Controladora PID (também conhecida como Unidade Controladora PID): O cérebro do sistema que executa os cálculos. As unidades PID podem ser implementadas usando diferentes métodos. Um método comum é usar um microcontrolador equipado com bibliotecas de software (como Arduino, Raspberry Pi ou PLCs especializados) para implementar o algoritmo PID. Existem também CIs de controle PID analógicos autônomos que integram todos os amplificadores operacionais, circuitos e outros componentes necessários. O controlador recebe o sensor' s sinal condicionado (que representa o PV ou Variável de Processo), bem como a temperatura do ponto de ajuste que o usuário definiu. O controlador calcula termos proporcionais, integrais e derivativos usando o erro e seu histórico acumulado (E = PV - SP). As saídas de controle final são tipicamente sinais de tensão (por exemplo, dentro da faixa de 0-5 V, 0-10 V ou 4-20 mA) ou sinais de corrente (por exemplo, entre 0-20 mA e 4-20 mA).

4. Atuador: Um atuador é um dispositivo que traduz um sinal elétrico enviado pelo controle PID em ações físicas que afetam a temperatura do sistema. A seleção do atuador é baseada na aplicação. Os relés de estado sólido são usados para comutar elementos de aquecimento e cargas de resfriamento. Ventiladores acionados por motor também podem ser usados para resfriamento de ar forçado. As válvulas solenóides controlam o fluxo de fluido para o sistema de aquecimento/resfriamento. O atuador é o dispositivo que recebe e executa comandos. Pode aquecer, resfriar ou modificar a temperatura.

5. O circuito deve ter uma fonte de alimentação confiável e suficiente. Fonte de alimentação: A unidade transforma a tensão principal (por exemplo, AC 230V), em baixa tensão DC (por exemplo, +5V (ou +12V ou -12V), para sensor, condicionamento de sinal, controlador PID e, possivelmente, componentes de interface do usuário.

6. Uma interface de usuário (opcional, mas comum:) geralmente é incorporada para facilitar o monitoramento e a operação. Geralmente inclui elementos como um display, por exemplo, uma tela LCD, que mostra a temperatura e o ponto de ajuste, bem como o status do sistema. Dispositivos de entrada, como potenciômetros, permitem que o usuário ajuste manualmente os parâmetros PID.

C. Explicação do diagrama:

Imagine um diagrama.

Esses componentes podem ser representados visualmente em um diagrama de blocos simplificado. Os blocos principais do sistema seriam representados por caixas retangulares: Sensores de Temperatura, Circuitos de Condicionamento de Sinais, Controladores PID, Atuadores e Fontes de Alimentação. As setas indicam a direção do sinal. O sensor, por exemplo, exibiria uma seta que apontava para o circuito de condicionamento. Um controlador PID receberia uma seta do circuito de condicionamento, rotulada como "Variável de processo (PV). A entrada do ponto de ajuste também será uma seta que entra no controlador PID, rotulada como "Setpoint" O controlador PID enviaria uma seta em direção ao atuador, rotulada como "Control Output". O atuador mostrará então uma seta indicando seu impacto no "Processo" (o ambiente controlado), e isso retornará ao Sensor de Temperatura, fechando o loop. As setas da fonte de alimentação se conectariam aos blocos necessários. O sistema de feedback é mostrado claramente neste visual.

D. Opcional):

Dê uma olhada em uma maneira simples de controlar a temperatura da água em um tanque usando um elemento aquecedor. A temperatura é medida por um sensor de temperatura, como um RTD submerso em água. O sinal RTD é então enviado para o circuito de condicionamento de sinal, que lineariza e converte esse sinal em uma tensão de 0-5V. A tensão condicionada é enviada ao controlador PID junto com a tensão do ponto de ajuste definida pelo usuário. Este controlador calculará as saídas P, I e D. A saída PID aumentará se a temperatura da água estiver baixa (Erro > 0,) e um relé de estado sólido puder ser ativado. O SSR ativa o elemento de aquecimento para aquecer a água. Os sensores medem o aumento da temperatura da água, resultando em um erro menor que é processado pelo controlador PID. O controlador PID reduz a saída quando a temperatura da água atinge um ponto de ajuste. Isso resulta em um erro zero ou quase zero.

IV. O Circuito (Passo a Passo)

Conforme mostrado no diagrama de circuito abaixo, a operação do sistema pode ser explicada por uma série de etapas:

Medição de temperatura: Um sensor de temperatura monitora constantemente as temperaturas no sistema (por exemplo, o ar dentro de uma sala ou o líquido dentro de um tanque). O sensor gera um sinal elétrico que corresponde à temperatura medida.

Circuito para Condicionamento de Sinal: O sinal bruto do sensor é enviado através deste circuito. Este circuito lineariza a resposta do sensor para garantir uma relação direta com a temperatura real. Ele também filtra qualquer ruído elétrico e transforma a saída em um formato padrão que pode ser usado pelo controlador PID (por exemplo, uma tensão de 0-5 VCC).

Calcular erro: Insira a temperatura condicionada, que representa o PV (Variável de Processo), no Controlador PID. O usuário,#39; A temperatura desejada (o Setpoint) é inserida simultaneamente no controlador PID. O erro (E), calculado pelo controlador, é a diferença entre o Setpoint e a Variável de Processo.

Cálculo do PID: Este erro é imediatamente processado pelo controlador PID usando seus próprios algoritmos. O controlador PID calcula o Termo Proporcional com base no erro atual. Em seguida, ele integra esse erro no tempo, abordando qualquer compensação persistente (o Termo Integral), antes de calcular um termo derivativo baseado na taxa de variação. O sinal de controle de saída final é produzido pela combinação desses três componentes.

Geração de sinal de controle: Este sinal de controle é gerado usando o algoritmo PID e enviado pelo controlador para um atuador. O sinal de saída está normalmente dentro de uma determinada faixa (0-5V) e indica o grau desejado de aquecimento, resfriamento ou outra ação.

Ação do Atuador: Recebe o sinal. O atuador ativará o aquecedor se o sinal indicar um aumento de temperatura (por exemplo, um volume positivotage). O atuador pode ativar o ventilador de resfriamento ou desligar o aquecedor se o sinal indicar uma diminuição na temperatura.

Ajuste de temperatura: A ação tomada pelo atuador tem influência direta na temperatura do processo. O sistema é aquecido ou resfriado.

Loop de feedback: Após a ação do atuador, o sensor de temperatura medirá a temperatura. A variável de processo atualizada é baseada nessa nova medição.

Repetição: Este sensor enviará esta nova leitura de temperatura para o circuito de controle PID e, se necessário, para o sistema de condicionamento de sinal. Com base nas informações atualizadas, o controlador calcula o erro E = SP – PV e ajusta o controle de saída. O atuador recebe um novo sinal de controle e adapta a ação. O ciclo de medir, calcular, agir e receber feedback é repetido continuamente. Isso permite que o sistema responda dinamicamente a mudanças de temperatura e outros distúrbios.

Um. A importância do ajuste:

O algoritmo PID é uma estrutura poderosa. No entanto, o desempenho do sistema PID depende de quão bem seus parâmetros são ajustados: o ganho proporcional Kp, o ganho integral Ki e o ganho derivado Kd. O controlador responderá aos erros de uma determinada maneira com base nesses parâmetros. O sistema de controle de temperatura pode ter um desempenho ruim se não for ajustado corretamente. Isso pode ser devido a aquecimento/resfriamento insuficiente, tempos de resposta lentos ou excessos excessivos além do ponto de ajuste. O sistema responderá com rapidez e precisão à temperatura definida. Ele também funcionará de forma suave e constante.

B. B. Métodos comuns de afinação:

O ajuste do controlador PID é o processo de determinar os melhores valores para Ki, Kp e Kd. Existem vários métodos, desde regras básicas até técnicas sofisticadas.

A afinação de Ziegler e Nichols é um método que;#39; s frequentemente citados, o que pode ser útil para obter um bom ponto de partida. O método começa identificando o ganho crítico (Kc) e o tempo crítico (Tcp) para um sistema. O ganho crítico (Kc) é o ganho máximo que faz com que a resposta do sistema a uma etapa de entrada se torne instável. Em seguida, começa a oscilar em uma frequência constante. O tempo crítico é definido como a duração de uma oscilação quando esse ganho crítico é atingido. Ziegler e Nichols fornecem fórmulas empíricas para estimar os valores dos parâmetros PID, uma vez que esses valores experimentais tenham sido determinados:

Para calcular o valor de Kp para um controle proporcional apenas (P): Kp = 0,5*Kc

Para um controlador Proporcional-Integral (PI): Kp 0,45 * Kc, Ki 0,83 * Kc / Tcp

Para um controlador Proporcional-Integral-Derivativo (PID): Kp 0,6 * Kc, Ki 2 * Kc / Tcp, Kd Kc * Tcp / 8

Os valores iniciais dos parâmetros podem ser ajustados manualmente ou usando métodos mais sofisticados.

O ajuste manual é outra opção. Envolve monitorar cuidadosamente a resposta do sistema a pequenos ajustes feitos nos parâmetros PID. Normalmente, o processo começa com o ajuste de Kp para obter uma resposta estável, mas rápida. Depois que Kp foi definido para um nível razoável, a Integral (Ki) é ajustada para remover o erro de estado estacionário. A derivada (Kd), que amortece as oscilações, é então ajustada. A abordagem de tentativa e erro é um método que requer paciência e compreensão da dinâmica do sistema.

C. C.

Nem sempre é possível determinar os valores exatos para Kp, Kd ou Ki necessários para o melhor desempenho. Eles dependem das características específicas do sistema. O ajuste é influenciado pela massa térmica (quanto calor deve ser adicionado ou retirado) do sistema, os coeficientes de transferência de calor e o nível de precisão desejado. Sistemas com altas massas térmicas tendem a ser mais lentos e requerem ganhos menores. Sistemas com tempo de resposta rápido podem tolerar ganhos maiores. O ajuste geralmente é necessário se as condições ou configurações do sistema forem alteradas.

VI. O controle PID em sistemas de temperatura tem muitas vantagens

O controlador PID é a melhor escolha para tarefas de controle de temperatura porque oferece muitas vantagens.

Um. Os controladores PID podem atingir níveis de precisão muito altos no controle de temperatura. O sistema é capaz de rastrear e manter o ponto de ajuste com desvio mínimo usando os termos PID.

B. Estabilidade: Em particular, o termo derivado desempenha um papel importante na melhoria da estabilidade do loop. Isso ajuda a antecipar erros e tomar ações corretivas com antecedência, reduzindo as oscilações. O sistema responderá da mesma maneira mesmo se ocorrerem distúrbios ou se os pontos de ajuste mudarem.

C. Flexível: O algoritmo PID pode ser usado para resolver uma ampla gama de problemas relacionados ao controle de temperatura, desde sistemas simples de aquecimento em residências até processos industriais que exigem controle rigoroso de temperatura. Os parâmetros Kp, Ki e Kd podem ser facilmente ajustados para um desempenho ideal em diferentes condições de operação.