Experimente um controlador PID para controlar a temperatura

Entendendo o controle de temperatura com PID: um guia de experimentação passo a passo Descrição Meta: Aprenda o controle de temperatura PID usando experimentos práticos. Este guia fornece uma explicação detalhada da teoria, configuração, ajuste (manual da Ziegler Nichols), teste e análise para ajudá-lo a aprender o controle do processo.

1. Introdução

O controle de temperatura de precisão é essencial em muitas indústrias e para fins científicos. Isso é crucial para manter a qualidade do produto e aumentar a eficiência em uma variedade de ambientes, desde o processamento de alimentos e produtos químicos até eletrodomésticos e pesquisas laboratoriais. Entre as estratégias de controle mais eficazes e amplamente utilizadas para atingir esse nível de precisão e estabilidade está o controle proporcional-integral-derivativo (PID). O controlador PID ' A saída é ajustada dinamicamente com base nas diferenças entre um ponto de ajuste desejado (o alvo) e uma variável de processo real. Isso é conseguido combinando três ações de controle diferentes, a saber, Proporcional, Integral e Derivada. O PID é uma habilidade vital para qualquer engenheiro ou técnico que trabalhe em automação.

O software Siemens Step 7 é uma plataforma de programação poderosa e proeminente que a Siemens desenvolveu para seus controladores lógicos programáveis. Os PLCs são as principais unidades de processamento dos sistemas de automação. Eles executam a lógica de controle, gerenciam o sinal de entrada/saída e executam outras funções. O ambiente da etapa 7 fornece uma plataforma integrada para o desenvolvimento, configuração e implantação de estratégias de controle. Isso inclui controladores PID. Este guia destina-se a fornecer uma explicação abrangente e passo a passo sobre como implementar e testar um sistema de controle de temperatura baseado em PID. Todo o processo será percorrido, desde a teoria fundamental até a configuração de hardware e software, ajuste de PID e testes práticos. Este experimento visa fornecer uma compreensão prática e clara do controle de temperatura PID, para que essa tecnologia vital, mas complexa, possa ser compreendida. Este experimento dará aos alunos uma experiência valiosa em controles PID, ajuste prático e como analisar o desempenho do sistema.

2. Teoria de fundo: Controle PID de temperatura

É importante entender os princípios fundamentais do PID no que se refere à regulação da temperatura antes de prosseguir. Entendendo como o sistema de controle PID ' O trabalho dos componentes dentro de um loop é crucial para sua eficácia.

Um loop de controle de feedback, em sua essência, é um conceito de automação. O loop de controle de feedback é composto por vários elementos que trabalham juntos para manter uma variável em um intervalo específico. O loop para controle de temperatura normalmente consiste em um sensor que mede as temperaturas atuais (o PV ou Variável de Processo); um controlador que contém o algoritmo PID; um atuador que controla a temperatura por aquecimento ou resfriamento; e um processo que representa o sistema real (por exemplo, um banho-maria ou um forno). O controlador compara continuamente a temperatura medida PV com o ponto de ajuste desejado SP. O erro é a diferença entre os dois valores (E = PV - SP). Este erro é então usado para calcular um sinal de saída que será enviado ao atuador para alterar a temperatura.

Três ações de controle primárias são integradas ao controlador PID:

Controle (P) Proporcional: O componente produz um resultado de controle proporcional ao erro atual. Se a temperatura cair 5 graus abaixo do ponto de ajuste, a ação P fornecerá uma fração da potência máxima, proporcional à diferença de 5 graus. O ganho proporcional Kp é usado para determinar a sensibilidade da resposta. Valores mais altos de Kp resultam em respostas mais fortes aos erros, o que pode levar a ajustes mais rápidos. Um valor de Kp muito alto pode tornar o sistema instável e fazer com que ele oscile. Um Kp baixo pode fazer com que um sistema responda lentamente e tenha um erro persistente no estado estacionário, o que significa que a temperatura nunca atinge seu alvo.

Controle (I) Integral: Este componente integral corrige o erro no estado estacionário que muitas vezes é deixado para trás por controles proporcionais puros. O componente integral calcula o erro cumulativo e, em seguida, ajusta a saída de acordo. A ação integral aumenta (ou diminui) o controle de saída até que o erro seja eliminado. Tempo Integral A constante Ti governa a velocidade da resposta integral. A constante de tempo integral (Ti) é menor, o que significa que o termo desenvolve seus efeitos mais rapidamente. Isso ajuda a reduzir pequenos erros mais rapidamente. Ações integrais muito agressivas podem levar à instabilidade. Isso é especialmente verdadeiro no início de uma ação ou quando as condições mudam.

Controle (D) Derivada: O componente prevê erros futuros analisando a taxa na qual o erro muda. O componente mede a taxa na qual um erro aumenta ou diminui e toma ações corretivas proporcionais a essa taxa. Ao neutralizar as mudanças que ocorrem rapidamente com erro, a ação derivada pode ajudar a amortecer as oscilações. A ação derivada também ajuda a melhorar a resposta inicial. As constantes de tempo derivadas (Td) influenciam a força das ações derivadas. A capacidade preditiva é aprimorada por um Td maior, mas o controlador pode ser mais sensível ao ruído na medição. Isso pode causar alterações erráticas se o ajuste do controlador não for feito com cuidado.

Essa equação é frequentemente usada para representar a saída de um controle PID.

Saída = Kp * E + (Ki / Td) * E dt + Kd * dE/dt

Onde:

A saída envia o sinal para o atuador.

E (SP-PV) é um erro.

Kp representa o ganho proporcional.

Ki representa o Ganho Integral.

Kd representa o ganho derivado (geralmente expresso como Td).

E Dt é o erro integral no tempo.

dE/dt é a taxa de alteração no erro.

Em inúmeras aplicações, os controles PID são usados para manter a temperatura com precisão, incluindo sistemas de aquecimento, geladeiras, fornos e incubadoras. O ajuste é o processo de determinar valores ideais para os parâmetros Kp, Kd e Ki. Os controladores PID que não são ajustados corretamente podem ter tempos de resposta lentos, overshoots, erros de estado estacionário ou oscilações perigosas. A afinação de Ziegler Nichols envolve a determinação do período crítico e do ganho do sistema. O ajuste manual é baseado na observação e ajuste dos parâmetros com base no comportamento. É importante entender essas bases teóricas para projetar e implementar um experimento de controle de temperatura PID.

Configuração do experimento

Para um experimento bem planejado, é importante considerar o protocolo de segurança, materiais e equipamentos envolvidos. Esta seção explica a configuração e os componentes necessários para conduzir o experimento de controle de temperatura com um controlador PID.

Os materiais e equipamentos necessários para um experimento dependem de seu nível de complexidade e recursos. Uma configuração típica pode consistir no seguinte.

Controlador de temperatura O controlador de temperatura pode ser um módulo PID ou um PLC com PID integrado. Este controlador é o cérebro do sistema e executará os algoritmos PID.

Sensor de temperatura: O sensor mede a temperatura. As escolhas mais comuns são termopares, como Tipo K ou Tipo J, Detectores de Temperatura de Resistência, como PT100 e PT1000 ou termistores. A seleção é baseada em faixas de temperatura, precisão e tempos de resposta. Os sensores devem funcionar com canais de entrada no controlador.

Atuador Um atuador é um dispositivo que influencia fisicamente a temperatura de uma carga. As opções de aquecimento incluem módulos Peltier que podem ser usados para aquecer ou resfriar, ou valores solenóides que controlam o fluxo de água quente. Um Peltier ou ventilador pode ser usado para resfriamento. Deve ter a potência necessária para controlar a temperatura do processo e ser controlado pelo sinal de saída do controlador.

Temperatura de carga: O meio ou recipiente que é controlado pela temperatura. Um copo de água ou um tanque, um bloco feito de metal ou um recipiente vazio são exemplos. A carga representa o processo a ser controlado.

Fonte de alimentação: Fontes de alimentação adequadas devem ser usadas para alimentar o atuador, o sensor (se for necessária energia externa) e o controlador. Eles devem fornecer a tensão certa e corrente suficiente para cada componente.

Aquisição/Medição de Dados: Ferramentas são necessárias para monitorar o sistema ' s desempenho. Os multímetros podem ser usados para medir tensões ou correntes ou software conectado a controladores e sensores (por exemplo, via USB ou Ethernet), para registrar dados e mostrar tendências. Você pode usar softwares como LabVIEW ou Python, com as bibliotecas relevantes (por exemplo, pySerial e numpy), bem como Step 7' s ferramentas de monitoramento.

Software Ao usar um PLC ou microcontrolador, você precisará do ambiente de desenvolvimento de software necessário para compilar e carregar seu código de controle. Por exemplo, a Etapa 7 fornece blocos de função para controles PID (FB41 e FB42), que podem ser configurados no ambiente de software.

As conexões são mostradas em um diagrama de blocos simples. Ele mostra o sensor de temperatura conectado a um canal de entrada do controlador, o atuador conectado à carga (através do canal de saída) e, finalmente, o controlador conectado ao atuador. A temperatura da carga é chamada de variável de processo, o ponto de ajuste é conhecido como ponto de ajuste e a saída do controlador é a variável manipulada, que é o que afeta o atuador.

Qualquer experimento que envolva componentes elétricos ou manipulação de temperatura deve ser feito com a segurança em mente. As precauções de segurança são:

Os procedimentos de bloqueio/sinalização (LOTOs) devem ser seguidos antes de modificar ou acessar o hardware.

Usar luvas resistentes ao calor, óculos de segurança e outros equipamentos de proteção individual.

Para evitar choque elétrico ou curtos-circuitos, certifique-se de que todas as conexões e cabos elétricos estejam devidamente presos.

Conhecer a temperatura máxima que os componentes e a carga podem atingir com segurança e tomar as precauções necessárias (por exemplo, um desligamento de alta temperatura), se necessário.

Entender como desligar o sistema com segurança em caso de emergência.

O procedimento

Este procedimento descreve a implementação e o teste passo a passo do Sistema de Controle de Temperatura PID. O leitor é guiado pela montagem do hardware e software, pelo ajuste do controlador, bem como pelo teste.

Montagem do Sistema: Comece conectando os componentes ao controlador de acordo com a configuração escolhida. O sensor de temperatura deve estar fisicamente conectado à entrada do controlador, o atuador deve estar fisicamente conectado à saída e as fontes de alimentação precisam ir para todos os componentes. Todas as conexões devem estar seguras e conectadas corretamente. Se você estiver usando uma placa Arduino, por exemplo, certifique-se de que o sensor (termistor ou outro) esteja conectado ao pino de entrada analógica e, em seguida, ao elemento de aquecimento com o transistor/mosfet apropriado e resistência limitadora de corrente ao pino de saída digital.

Configuração do software

O ambiente de software escolhido será aberto (por exemplo, Etapa 7, Arduino IDE ou Python). Novos projetos ou espaços de trabalho podem ser criados.

Crie a estrutura do projeto usando a etapa 7 e, em seguida, adicione os símbolos para pontos de ajuste de temperatura, entrada do sensor, saída do atuador, parâmetros PID (Kp Ki Kd) e configuração de hardware.

Em seguida, adicione os blocos de função PID (por exemplo, FB41 e FB42) ao programa. Defina seus parâmetros, como tipos de sinais de entrada e saída, faixas e diferenciadores (por exemplo, 0-10V para analógico, 4-20mA ou 0-32000 inteiro).

Defina o canal do sensor de entrada para que a tensão ou corrente seja dimensionada corretamente para um valor de temperatura preciso.

Defina o canal de saída do atuador para o valor PID calculado para corresponder à faixa de tensão ou faixa de corrente que o atuador requer.

O software solicitará que você insira um valor como o ponto de ajuste inicial da temperatura. A temperatura alvo é o que você pretende manter.

Teste inicial: Execute o teste inicial após a configuração do software e do hardware para verificar se a comunicação entre os dois está funcionando.

Ligue o sistema, certificando-se de que as precauções de segurança foram observadas.

Leia a temperatura exibida manualmente. Se você medir com um multímetro, a leitura da temperatura corresponde à do sensor?

Defina a saída manualmente (se puder, por exemplo, enviando uma tensão ou definindo um pino para alto/baixo). O atuador deve responder às suas expectativas.

Fase PID de ajuste: Nesta fase, os parâmetros PID (Kp) são definidos. Existem duas maneiras comuns de fazer isso:

Calcule o período de oscilação e o ganho final usando o método de Ziegler Nichols. Defina o Ganho Derivativo (Kd) e o Ganho Integral (Ki) como zero. Aumente gradualmente o ganho proporcional (Kp), até ver a oscilação do sistema com o período Pu. Este é o valor Ku. Ziegler Nichols pode ser usado para estimar os valores iniciais de Kp, Kd e Ki (por exemplo, Kp = 0,6 * Ku, Kp / Ti = 2 * Ku, Kd = 0,5 * Ku / Pu e Kp = 0,125 * Ku, por exemplo). Ziegler Nichols funciona melhor em sistemas de primeira ordem.

Sintonia manual: Comece com os valores iniciais de Kp, Kd e Ki. Estes podem ser baseados em regras práticas ou experiências anteriores. Altere o ponto de ajuste em um pequeno passo (por exemplo, alterando a temperatura do SP para seu novo alvo) e observe a resposta do sistema. Obtenha um bom tempo de resposta sem ultrapassar o ajuste de Kp. Introduza Ki, começando com um valor baixo para reduzir os erros de estado estacionário. Por fim, adicione Kd à equação (começando em um valor baixo), a fim de reduzir as oscilações. Muitas vezes, esse processo requer várias iterações.

Teste do sistema: Após o ajuste inicial, execute testes mais completos para avaliar o desempenho do seu sistema sob várias condições.

Teste de resposta ao degrau: Altere o ponto de ajuste em etapas (por exemplo, mude de 25 graus C para 50 graus C). O software pode ser usado para registrar as temperaturas ao longo do tempo. Meça e observe os principais indicadores de desempenho, incluindo: o tempo de subida, o pico de ultrapassagem, o tempo de estabilização e o erro de estado estacionário.

Teste de perturbação: Crie uma perturbação no sistema. Se você estiver usando um banho de água quente, por exemplo, substitua uma grande quantidade por fria ou vice-versa. Observe como ele responde. Observe a rapidez com que atinge o ponto de ajuste e se está estável. Anote os dados de resposta. Esta simulação simula um cenário da vida real em que as condições do processo podem mudar repentinamente.

Gravação de dados: Mantenha registros meticulosos de todos os dados durante as fases de ajuste e teste. Estão incluídos os valores dos parâmetros PID (Kp Ki Kd) escolhidos, pontos de ajuste, medições de temperatura (etapas e distúrbios), bem como quaisquer observações. Recomenda-se usar os recursos gráficos do software para exibir o controlador e as saídas de temperatura ao longo do tempo. Isso fornece uma excelente representação visual.

Análise dos dados e resultados

Esboço: Registro de dados, plotagem de gráficos, análise da resposta ao passo (KPIs, impacto dos ganhos), análise da resposta a distúrbios, discussão da experiência de ajuste.

Conteúdo:

Para avaliar o controlador PID' s desempenho e eficácia, os dados coletados devem ser classificados e analisados. Esta seção é dedicada à interpretação dos resultados.

A. A.

Os dados devem ser apresentados de forma sistemática. Tabelas podem ser criadas para rastrear os parâmetros do PID (Kp Ki Kd), pontos de ajuste, resposta de temperatura (PV), bem como a saída do controlador (MV). Use o recurso de tendências de softwares como Step 7 Comfort e WinCC Comfort para criar gráficos que mostram a curva de temperatura e o sinal de controle.

B. B. Traçando os resultados

Crie gráficos claros que ilustrem claramente o desempenho do seu sistema. Em um gráfico típico de resposta ao passo, a temperatura é plotada (eixo y), em relação ao tempo (eixo x). Para facilitar a comparação, você pode plotar a resposta de temperatura e o ponto de ajuste desejado no mesmo gráfico. Um gráfico da resposta à perturbação mostrará as variações de temperatura ao longo do tempo. Certifique-se de que os eixos e o título reflitam com precisão o experimento. Por exemplo: "Análise de resposta em etapas: controle de temperatura com controlador PID ajustado".

C. Analise a resposta passo a passo

A análise de resposta ao degrau é usada para avaliar a capacidade do sistema de atingir o ponto de ajuste com rapidez e precisão. O desempenho é quantificado usando indicadores-chave de desempenho.

Tempo de subida: Tempo necessário para a temperatura atingir o primeiro ponto de ajuste. Em geral, um tempo de subida mais curto indica uma reação mais rápida.

Ultrapassagem máxima: o desvio máximo de temperatura em relação ao ponto de ajuste. Overshoots excessivos podem causar danos ao equipamento ou processo.

Tempo de ajuste: Um período de tempo necessário para manter a temperatura dentro da faixa especificada de tolerância em torno do ponto de ajuste. O sistema se estabilizará mais rapidamente se o tempo de estabilização for menor.

Erro de estado estável: Diferença entre a temperatura final e o ponto de ajuste, após o sistema se estabelecer. Erros menores indicam um controlador melhor.

Calcule os KPIs usando o gráfico de resposta em etapas. Discussão dos valores observados e como eles se relacionam com a afinação. O sistema foi caracterizado por um tempo de subida rápido, overshoot mínimo e baixo erro de estado estacionário? Qual foi o impacto desses parâmetros PID nos KPIs? Por exemplo, aumentar Kp pode reduzir os erros no estado estacionário, mas aumentar o potencial de superação. A ação derivada (Kd), se ocorreu, provavelmente amorteceu as oscilações.

D. Analise a resposta a distúrbios:

A robustez do sistema é examinada nesta análise. Após a perturbação, com que rapidez a temperatura retornou ao seu ponto de ajuste? Acredita-se que um sistema bem projetado tenha um baixo desvio com rápida recuperação. Discussão dos resultados e sua relação com o procedimento de ajuste. O que era o controlador PID?#39; s capacidade de mitigar perturbações?

E. Discussão sobre a experiência de afinação

Considere o aspecto prático de ajustar um controlador PID. Descreva o processo de afinação e quaisquer dificuldades encontradas. O ajuste manual foi necessário ou o método Ziegler Nichols funcionou bem como ponto de partida? O ajuste iterativo é um bom tópico para discutir