implementação e teste do Projeto Controlador de Temperatura PID

Meta Descrição (Meta descrição: saiba como criar e testarControle de temperatura PIDProjetos. Este guia inclui seleção de hardware, implementação de software, ajuste de técnicas de PID e avaliação de desempenho para controle térmico.

I. I. Introdução

 o algoritmo de controle Proporcional-Integral-Derivativo (PID). O artigo explora um controlador PID em detalhes. O artigo começa com uma discussão sobre os princípios básicos que sustentam os controles PID. Em seguida, passa para o estágio crítico de definição e especificação do projeto. Em seguida, é discutido o processo de seleção e integração dos principais componentes de hardware. Em seguida, é explicado como o algoritmo PID pode ser implementado na plataforma de software selecionada. O artigo também examina o processo crucial de ajuste do PID e os métodos para testar e avaliar o desempenho do sistema. O artigo conclui examinando os desafios futuros e possíveis caminhos de desenvolvimento. O objetivo desta visão geral abrangente é fornecer aos leitores uma compreensão dos aspectos de design, implementação e operação de um projeto de controlador de temperatura PID. Ele demonstrará sua aplicação prática usando uma abordagem passo a passo.

II. O algoritmo de controle PID: entendendo-o

O algoritmo PID é um sistema de controle de feedback poderoso e flexível. O algoritmo de controle PID é projetado para ajustar uma entrada do sistema, por exemplo, energia para um aquecedor, para regular a variável do processo. O PID é amplamente usado porque usa três ações de controle diferentes, cada uma abordando um aspecto específico do erro. As três ações de controle, Integral Proporcional e Derivada, são integradas sequencialmente.

Ação Proporcional P: Este componente produz um sinal de saída diretamente proporcional à magnitude do erro. A diferença entre a temperatura do ponto de ajuste desejada e a temperatura realmente medida pelo sensor é o sinal de erro. Um erro maior resultará em uma saída proporcional mais alta. Seu objetivo principal é corrigir a variável em primeiro lugar, aproximando-a de seu ponto de ajuste. No entanto, usar apenas ações proporcionais pode levar a um erro de estado estacionário. A temperatura final pode não corresponder ao ponto de ajuste precisamente devido a atrasos do sistema e condições imutáveis.

Ação integral (I): O componente integral é usado para eliminar o erro persistente no estado estacionário. O componente integral calcula a soma ao longo do tempo dos sinais de erro. O termo integral aumentará (ou diminuirá) o sinal de saída se o erro continuar, não importa quão pequeno seja. Isso empurra a variável de processo para mais perto do ponto de ajuste. O sistema acabará atingindo a temperatura definida se o atuador for capaz de superar a força oposta. Se não for ajustado com cuidado, um termo integral pode introduzir oscilação ou atraso.

Ação derivada (D), Este componente derivado é baseado na taxa de variação no sinal de erro. A saída é baseada na taxa de alteração do erro. A derivada produz um sinal de saída significativo se o erro aumentar ou diminuir rapidamente. Isso ajuda a antecipar desvios futuros e amortece possíveis oscilações. Melhora a capacidade de resposta e a estabilidade, especialmente em sistemas propensos a instabilidade ou ultrapassagem devido a mudanças rápidas.

Essa combinação de três ações permite que um controlador de temperatura PID responda adequadamente aos erros atuais, aprenda com os erros anteriores e antecipe os futuros, alcançando assim alta precisão e estabilidade na regulação da temperatura. Essa base algorítmica é essencial para entender os recursos dos controladores PID e sua implementação adequada nas configurações do projeto.

III. As especificações e requisitos do projeto

É importante definir claramente os objetivos e restrições antes de iniciar a montagem do hardware e o desenvolvimento do software. Nesta etapa, são determinados os objetivos de controle, métricas de desempenho e requisitos de software/hardware.

Os objetivos de controle definem claramente o que o sistema precisa regular. O projeto pode ter como objetivo regular a temperatura do ar em pequenos gabinetes, manter a temperatura da água dentro de uma determinada faixa ou controlar a temperatura dos componentes eletrônicos para evitar o superaquecimento. Essa escolha de objetivo influenciará diretamente os componentes selecionados e o design geral.

O desempenho desejado é uma meta quantitativa que o sistema deve atender. A temperatura alvo (ponto de ajuste), precisão ou tolerância aceitável (por exemplo, +-0,5 ° C), tempo de resposta necessário e capacidade do sistema de resistir a distúrbios de carga estão incluídos. Essas especificações fornecem um padrão para avaliar o desempenho do sistema.

Os requisitos de hardware são uma lista dos componentes físicos que devem ser usados. Isso inclui sensores de temperatura, microcontroladores ou unidades controladoras, atuadores (elementos de aquecimento ou mecanismos de resfriamento), fontes de alimentação adequadas e, possivelmente, uma interface de usuário (display ou botões). Determinar os requisitos de hardware com antecedência ajuda a orientar a seleção de componentes e também a garantir a compatibilidade.

Os requisitos de software definem as ferramentas e os ambientes necessários. Pode ser baseado no poder de processamento, capacidade de E/S, custo e facilidade de uso de um microcontrolador específico (por exemplo, Arduino Uno/Nano/Mega ESP32 Raspberry Pi STM32). Alternativamente, um módulo PID ou um controlador lógico programável pode ser usado. A plataforma de software determina a linguagem de programação e o ambiente de desenvolvimento.

Os estágios de design, implementação e teste podem ser direcionados de forma mais eficaz definindo as especificações e requisitos do projeto na fase inicial. Isso aumentará as chances de criar um controle de temperatura PID funcional e bem-sucedido.

IV. Componentes de hardware

Termopares Eles são amplamente utilizados porque podem medir temperaturas em uma ampla faixa e têm um preço relativamente baixo. Os termopares funcionam medindo a tensão criada na interseção de dois metais. Quando usados com controladores digitais, os termopares requerem condicionamento de sinal, como Leng Jie DianBu Chang (compensação de junção fria) ou circuitos de linearização.

Detectores de temperatura de resistência: Fornecem maior precisão e maior estabilidade do que os termopares em baixas temperaturas. O PT100 e o PT1000 são baseados na mudança de resistência elétrica de um material metálico (geralmente, platina). Os RTDs são mais lineares em resposta, mas também podem ser mais caros do que os termopares.

Os termistores são conhecidos por suas altas sensibilidades, principalmente dentro de uma determinada faixa de temperatura. Os termistores têm um coeficiente de temperatura positivo ou negativo. Os termistores tendem a ser mais baratos que os RTDs, mas têm uma faixa de temperatura menor. Eles também são menos lineares.

Este controlador é o cérebro do sistema e executa os cálculos PID. No passado, controladores de hardware dedicados e PLCs eram usados. Os microcontroladores são usados em muitos projetos modernos devido à sua flexibilidade, acessibilidade e apoio da comunidade. Devido à sua simplicidade e grandes bibliotecas, o Arduino Uno (baseado no Atmel AVR) é uma escolha popular para projetos DIY. O ESP32 possui Wi-Fi integrado, Bluetooth e permite a integração com IoT. Os microcontroladores STM32 são mais adequados para aplicações que exigem maior poder de processamento. Eles também têm periféricos avançados. A decisão é baseada na complexidade do projeto, orçamento e requisitos de processamento. Um controlador PLC ou módulo PID dedicado pode ser usado, o que oferece maior confiabilidade, recursos industriais, mas é mais caro. É importante que o controlador tenha recursos de entrada/saída (E/S) suficientes para permitir que ele se comunique com o sensor e o atuador.

Atuador é um componente que recebe um comando de saída e o converte em um ato físico que altera a temperatura do processo.

 Operação segura É importante usar conectores e fiação instalados corretamente.

Embora não seja essencial para a operação básica do sistema, uma interface de usuário pode melhorar os recursos de diagnóstico e usabilidade. A tela normalmente inclui uma tela LCD ou OLED para exibir o status do sistema, valores de erro, temperatura do ponto de ajuste e o valor atual. Os potenciômetros são usados para ajustar manualmente os parâmetros, como ajustar os ganhos do PID. Os botões podem ser usados para definir o ponto de ajuste e alternar os modos. Indicadores de status, como LEDs, podem indicar energia, condição de erro ou status do atuador. Um sistema simples pode operar sem uma interface, mas um básico é recomendado para testar e ajustar o sistema.

Um gabinete adequado protegerá os componentes de hardware contra elementos ambientais, como poeira, umidade e danos físicos. Isso pode melhorar a confiabilidade e a durabilidade do sistema.

O próximo passo, após selecionar e montar os componentes de hardware, é implementar o algoritmo PID na plataforma de software. Envolve escrever código para ler os dados do sensor, calcular a saída PID e controlar o atuador. As plataformas de software têm um impacto significativo no processo de desenvolvimento.

As plataformas de software oferecem uma ampla gama de opções. Devido ao Arduino' A facilidade de uso, a grande comunidade de suporte e a disponibilidade de bibliotecas, microcontroladores como o Arduino são muito populares em projetos DIY. O Arduino IDE simplifica o processo de escrever código e carregá-lo. Plataformas como o ESP32, que possui recursos integrados de WiFi e Bluetooth e é adequado para projetos complexos (e fornece mais poder de processamento) também são opções. Python em um microcontrolador ou computador com as bibliotecas apropriadas, como pyautotune (para ajuste automático) e numpy (para operações numéricas), pode ser preferível para projetos que exigem robustez. Pacotes de controladores PID comerciais ou PLC podem ser usados em alguns projetos. Depende da complexidade do projeto, se o programador tem experiência com a plataforma e qual funcionalidade ela exige.

O design de software geralmente envolve vários módulos-chave. Primeiro, o módulo lerá os dados do sensor. Se você estiver usando um Arduino, isso pode envolver a leitura de valores analógicos usando ADCs (Conversores Analógicos para Digitais). O código para sensores digitais pode ler dados usando protocolos como I2C ou SPI (por exemplo, um sensor RTD). O código deve conter as fórmulas de calibração apropriadas para converter os dados brutos do sensor em uma leitura significativa da temperatura (por exemplo, degC ou °F).

A implementação dos algoritmos PID está no centro do software. Na estrutura do código, os parâmetros do PID (Kp Ki Kd) são definidos. Estes serão ajustados durante a fase de ajuste. O algoritmo determina a diferença (o ponto de ajuste e a temperatura medida) para calcular o erro. O código usa esse erro para calcular a contribuição dos termos integrais, derivativos e proporcionais. * é o termo proporcional. O termo integral é calculado somando os erros ao longo do tempo. Este termo pode ser impedido de crescer muito usando uma técnica de enrolamento integral. O método mais comum é usar um "total acumulado" em que o erro é adicionado ao longo do tempo e, em seguida, uma limitação é definida. Esta estimativa derivada é obtida dividindo * (erro-previous_error)/time_interval. Este erro anterior será armazenado como uma variável. A soma dos três termos calculados é o que representa a saída. O sinal de saída deve ser mapeado no sinal de controle do atuador.

O código para controle do atuador traduz o controlador' em uma mensagem que pode ser compreendida pelo atuador. O código, por exemplo, usa a saída calculada para determinar o ciclo de trabalho do PWM para controlar o elemento de aquecimento usando um MOSFET. Esse valor geralmente está entre 0 e 255 em um Arduino. O código usará a saída calculada (geralmente um valor entre 0 e 255 para um Arduino) para determinar o estado do pino digital. Esta função de mapeamento combina a faixa de saída do controlador com os requisitos do atuador.

O código de uma interface de usuário deve lidar com entradas, como definir o ponto de ajuste (talvez por meio de botões ou potenciômetros) e exibir informações relevantes no módulo de exibição (por exemplo, temperatura atual, ponto de ajuste e erro).

Esta sequência é repetida em um intervalo predeterminado pelo loop de controle principal (por exemplo, usando loop() no Arduino ou estruturas semelhantes) para obter um loop de feedback contínuo. Declare variáveis para manter as leituras do sensor e outros dados, como valor do ponto de ajuste, erro ou erro anterior, cálculo integral, componentes derivados e saída final. A modularidade pode ser alcançada usando funções (por exemplo, uma função de leitura, uma função de atuador e uma função de cálculo PID).

Os estágios iniciais de desenvolvimento são críticos para teste e depuração. Instruções de impressão podem ser incluídas no código (por exemplo, serial.print() para Arduino) que exibem valores de sensores, números de erro e resultados calculados para permitir o ajuste manual. Na versão final, eles seriam removidos ou substituídos por uma função de exibição apropriada.

VI. Instalação e Montagem do Sistema

Após a seleção dos componentes de hardware e a escrita do código do software, a fase seguinte é a montagem física e a configuração da operação. É necessária atenção aos detalhes para garantir a segurança e o bom funcionamento.

Conectar os componentes é o primeiro passo na montagem de um sistema. A conexão dos componentes começa com a conexão dos sensores. Os sensores são normalmente conectados à entrada analógica ou aos pinos digitais do controlador. Os pinos de saída do controlador (por exemplo, pinos analógicos para PWM ou pinos digitais para comutação de relé) são conectados aos atuadores. Os pinos da fonte de alimentação devem ser conectados às entradas de energia do controlador e às necessidades de energia do sensor. Informações importantes de segurança: Verifique novamente suas conexões antes de ligar a energia. A fiação incorreta pode danificar os componentes. Todas as conexões devem ser isoladas e seguras. Para sensores e circuitos digitais, o aterramento é essencial para uma operação confiável.

Os componentes devem ser instalados em um gabinete adequado. Pode ser na forma de uma caixa de projeto ou até mesmo uma configuração personalizada. A montagem protege os componentes contra contato acidental ou influências ambientais. É importante colocar o controlador em uma área com fluxo de ar adequado. Abraçadeiras e mangas podem ser usadas para gerenciar os fios de maneira organizada.

O código do software pode ser compilado em um computador ou baixado para o microcontrolador. O código deve estar livre de erros. Testes simples envolvem a conexão dos três componentes mais importantes: o sensor, o controlador e o atuador. Eles são então testados para verificar a funcionalidade básica, como se o controlador pode ler o sensor ou controlar o atuador.

7. Processo de ajuste PID

O ajuste correto de um controlador PID é essencial para alcançar o desempenho desejado. O sistema pode ser instável (formas de onda excessivas), lento para responder ou não atingir o ponto de ajuste desejado. O ajuste é o processo de encontrar valores para os parâmetros Kp proporcional, Ki integral e Kd derivado, a fim de otimizar o comportamento do sistema. A alteração iterativa desses parâmetros faz parte do processo de ajuste. Métodos de ajuste comuns:

Controle proporcional ao (P):

Uma expressão proporcional gera um resultado que é diretamente proporcional ao erro. O ganho proporcional aumenta a resposta do sistema a um erro. Isso leva a uma correção mais rápida. O objetivo do termo proporcional é mover a variável do processo em direção ao ponto de ajuste. Seu objetivo principal é corrigir a variável em primeiro lugar, aproximando-a do alvo. No entanto, usar apenas o controle proporcional pode levar a um erro de estado estacionário. A temperatura final pode não corresponder precisamente ao ponto de ajuste devido a atrasos do sistema ou condições de carga constantes. O sinal de saída' A magnitude é determinada pelo ganho proporcional. Kp mais alto resultará em uma reação agressiva, enquanto Kp mais baixo produzirá uma resposta gradual. O sinal de saída' A magnitude é determinada pelo ganho proporcional. Kp mais alto resultará em uma reação agressiva, enquanto Kp mais baixo produzirá uma resposta gradual. O sinal de saída' A magnitude é determinada pelo ganho proporcional. Kp mais alto resultará em uma reação agressiva, enquanto Kp mais baixo produzirá uma resposta gradual. O sinal de saída' A magnitude é determinada pelo ganho proporcional. Kp mais alto resultará em uma reação agressiva, enquanto um Kp mais baixo produzirá uma resposta gradual. O sinal de saída' A magnitude é determinada pelo ganho proporcional. Kp mais alto resultará em uma reação agressiva, enquanto Kp mais baixo produzirá uma resposta gradual.

Controle Integral (I): Ao usar o termo integral, o controle pode corrigir o erro no estado estacionário que pode ser deixado pelos termos proporcionais. O ganho integral (Ki), que determina a velocidade na qual o controlador pode corrigir esse erro, é determinado pelo ganho integral. O termo integral é usado para calcular o erro cumulativo total. O termo integral aumentará (ou diminuirá) o sinal de saída se o erro persistir. Isso empurra a variável de processo para mais perto do ponto de ajuste. O sistema acabará atingindo a temperatura do ponto de ajuste se o atuador for capaz de superar todas as forças opostas. O ganho integral (Ki), que é a quantidade de tempo que o controlador reage a um erro, determina a força com que o faz. Um Ki mais alto resultará na remoção mais rápida dos erros de estado estacionário, enquanto um Ki mais baixo levará a respostas mais lentas. Ganho integral (Ki), determina a força do controlador ' s resposta ao erro. Ki mais alto significa correção mais rápida do erro de estado estacionário. Ki mais baixo indica uma resposta mais gradual.

Controle (D) Derivada: Este controle derivativo fornece ações corretivas com base na rapidez com que o erro está mudando. Isso ajuda a melhorar a resposta do sistema quando há distúrbios.