PID Temperature Controller UK: Entendendo e implementando o controle proporcional-integral-derivativo

Descubra o Reino Unido' sControle de temperatura PIDSistemas. Aprenda sobre os princípios do controle de temperatura PID, seus componentes e como ele é usado em vários setores. Descubra como implementar e ajustar para obter o máximo desempenho. )

I. I. Introdução

Também é importante para garantir eficiência e segurança para eletrodomésticos. Entre as metodologias mais sofisticadas e amplamente adotadas para alcançar essa precisão está o algoritmo de controle Proporcional-Integral-Derivativo (PID). O artigo explora os sistemas de controle de temperatura PID no Reino Unido. O artigo começa explicando os princípios básicos que sustentam os controles PID. Em seguida, passa para os gritos o processo crucial de ajuste do PID e métodos para testar e avaliar o desempenho do sistema. O artigo conclui examinando o Reino Unido e#39; s aplicações, benefícios e tendências específicas do PID. Este overvfase técnica de definição e especificação do projeto. Em detalhes, o processo de seleção e integração dos principais componentes de hardware é discutido. Em seguida, é explicado como o algoritmo PID pode ser implementado na plataforma de software selecionada. O artigo também examinaO iew destina-se a fornecer aos leitores uma compreensão profunda dos controladores PID e#39; aspectos de projeto, operação e implementação. Ele também demonstra sua aplicação prática usando uma abordagem passo a passo que se aplica aos ambientes do Reino Unido.

II. O algoritmo de controle PID: entendendo-o

PID' A eficácia e a ampla adoção se devem à integração de três ações de controle diferentes, cada uma abordando um aspecto específico do erro de controle. As três ações, Integral Proporcional e Derivada, são integradas sequencialmente.

O componente proporcional (P) gera uma saída de sinal que está diretamente relacionada à magnitude do sinal de erro atual. O sinal de erro pode ser definido como a diferença entre a temperatura do setpoint pretendida e a temperatura realmente medida pelo sensor. Um erro maior resultará em um sinal de saída mais alto. Seu objetivo principal é corrigir a variável e aproximá-la do ponto de ajuste. Comprometer-se apenas com 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 e condições inalteradas.

O ganho integral (Ki) determina a rapidez com que o controlador corrige esse erro. O ganho integral (Ki), uma medida da velocidade na qual o controlador pode corrigir esse erro, é determinado pela rapidez com que ele ganha. 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 aumenta a influência do atuador em empurrar a variável de processo para mais perto do ponto de ajuste. O sistema atingirá a temperatura do ponto de ajuste se o atuador for capaz de lidar com qualquer oposição. O ganho integral (Ki), que é a quantidade de tempo que o controlador reage ao erro, determina a força com a qual ele responde. Um Ki mais alto resultará em uma eliminação mais precoce dos erros de estado estacionário, enquanto um Ki menor resulta em respostas mais graduais.

Ele fornece ações corretivas com base na rapidez com que o erro está mudando. O componente derivativo antecipa desvios no futuro, observando a rapidez com que um erro aumenta ou diminui. O termo de saída derivada gerará um grande sinal corretivo se o erro aumentar ou diminuir rapidamente. Isso ajuda a reduzir as oscilações e melhorar a estabilidade. É especialmente benéfico para sistemas propensos a instabilidade ou ultrapassagem devido a mudanças rápidas.

Esse processo de três etapas permite que o PID aprenda com os erros anteriores e preveja os futuros. O resultado é um controle de temperatura altamente preciso e estável. Essa base algorítmica é essencial para entender as capacidades dos controladores PID e sua implementação adequada em aplicativos do Reino Unido.

III. Partes do sistema de controlador de temperatura PID

Cada componente de um sistema controlador PID funcional desempenha um papel distinto no loop. É crucial selecionar e integrar esses componentes para alcançar o desempenho e a confiabilidade desejados.

Os tipos comuns são termopares (também conhecidos como RTDs), termistores e termistores. Cada um tem suas próprias características. Os termopares tipo K são robustos e têm uma ampla faixa de temperatura. Eles podem ser usados em muitas aplicações industriais do Reino Unido. Os RTDs (normalmente PT100 e PT1000) fornecem maior precisão e estabilidade em temperaturas mais baixas. Eles são, portanto, preferidos em aplicações de precisão, como equipamentos de laboratório ou na indústria farmacêutica no Reino Unido. Esses termômetros são usados para certas faixas de temperatura devido à sua alta sensibilidade. Eles também são relativamente baratos. A seleção do sensor é influenciada por fatores como a faixa de medição necessária, a especificação de precisão, a relação custo-benefício, o tempo de resposta e o ambiente operacional. Para garantir precisão e confiabilidade, pode ser importante aderir aos padrões publicados pela British Standards Institution. Os sensores geralmente requerem condicionamento de sinal, como amplificadores, circuitos para compensação de junção fria para termopares ou interfaces, como conversores analógico-digital e protocolos de comunicação digital, por exemplo, I2C ou SPI, para RTDs e termistores.

É o controlador que executa os cálculos do PID. Microcontroladores como o Arduino (Uno, Nano, Mega, etc.) são frequentemente usados em projetos do Reino Unido devido à sua relação custo-benefício, facilidade de uso e amplo suporte da comunidade. O Arduino IDE é uma ferramenta simples e fácil de usar para fazer upload de código. Se você precisar de mais poder de processamento ou melhor conectividade, o ESP32 com Bluetooth e Wi-Fi, ou o Raspberry pi, com sua maior capacidade de processamento, podem ser a melhor escolha. Alternativamente, os PLCs, que são frequentemente usados em ambientes industriais do Reino Unido, podem ser utilizados. Eles oferecem maior confiabilidade e escalabilidade. Depende da complexidade do projeto, da funcionalidade desejada e do seu orçamento. É importante que a unidade controladora tenha entrada/saída (E/S) suficiente para interagir efetivamente com o sensor e o atuador.

Atuador é a parte que traduz a saída do comando do controlador em ações físicas que modificam a temperatura do processo. O atuador controlador de temperatura mais comum é o elemento de aquecimento. Pode ser um fio de aquecimento resistivo, filme de aquecimento ou aquecedor de cartucho. Ele gera calor passando uma corrente elétrica através dele. Um elemento de aquecimento é selecionado com base em vários fatores, incluindo a potência necessária, a faixa de temperaturas e se o calor será transferido para um sólido, líquido ou ar. Módulos Peltier que podem ser usados para aquecer ou resfriar de acordo com a direção do fluxo de corrente e ventiladores que aumentam a dissipação de calor são opções para resfriamento. A fonte de alimentação e a saída do controlador devem corresponder ao atuador' s capacidade de lidar com o poder. A fonte de alimentação fornece a energia elétrica necessária para alimentar com segurança o sensor, o controlador e o atuador. A fonte de alimentação deve fornecer a tensão correta (5V, 12V ou 24V) e corrente suficiente para satisfazer os requisitos de energia de todos os componentes. Para uma operação confiável e segura, é importante usar conectores e fiação instalados corretamente. Para sensores e circuitos digitais, o aterramento é crucial para uma operação confiável.

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, temperatura atual, ponto de ajuste e valores de erro. 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 contribuir para a confiabilidade e durabilidade do sistema. É importante escolher um gabinete no Reino Unido que atenda às necessidades de sua aplicação.

IV. O design e a implementação de software

O próximo passo é implementar o algoritmo PID no software escolhido. 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 Wi-Fi / Bluetooth integrado e mais poder de computação para projetos complexos (e computação de uso geral), também são opções. Python em um microcontrolador ou computador com as bibliotecas apropriadas, como numpy , autotune , pode ser preferível para projetos que exigem robustez e escalabilidade. Alguns projetos podem usar pacotes de controladores PLC ou PID comerciais. Depende da complexidade do projeto, se o programador tem experiência com a plataforma e qual funcionalidade você precisa. É importante que a unidade controladora tenha entrada/saída (E/S) suficiente para interagir efetivamente com o sensor e o atuador.

O design de software geralmente envolve vários módulos. Primeiro, o módulo lerá os dados do sensor. Se você estiver usando um Arduino, isso pode envolver a leitura de valores analógicos usando ADC de um RTD ou termopar. 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 do PID está no centro do design de 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. A expressão proporcional é calculada por Kp + erro. 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 uma soma acumulada, na qual o erro é adicionado ao longo do tempo e, em seguida, um máximo é definido. Uma variável é usada para armazenar o erro anterior. O termo derivativo é usado para estimar a taxa de mudança de erro e#39; s calculado usando Kd* (erro – previous_error). Este erro anterior pode ser armazenado como uma variável.

Essa soma representa a saída do controlador. O sinal de saída deve ser mapeado no sinal de controle do atuador.

O código para controle do atuador traduz a saída calculada do controlador em um sinal que o atuador entende. 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 a entrada (por exemplo, definir o ponto de ajuste por meio de um botão ou potenciômetro) e exibir informações relevantes no módulo de exibição (por exemplo, temperatura atual, erro de ponto de ajuste).

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 outras informações, como o valor do ponto de ajuste, erro ou erro anterior, o cálculo do termo integral, componentes derivados, saída final, etc. A modularidade pode ser alcançada usando funções (por exemplo, uma para ler os sensores, outra para cálculos PID e ainda outra para um código de atuador).

Os estágios iniciais de desenvolvimento são críticos para teste e depuração. As instruções de impressão podem ser incluídas no código (por exemplo, serial.print() para Arduino) que exibem valores de sensor, 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.

V. V. 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 de um 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 condições 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 controlador, o sensor e o atuador. Eles são então testados para verificar a funcionalidade básica, como se o controlador pode ler o sensor ou controlar o atuador.

VI. Processo de ajuste PID

O ajuste correto de um controlador PID é essencial para alcançar o desempenho desejado. O sistema pode ser instável (sinfonias 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 derivativo para otimizar o comportamento do sistema. Esse processo é repetido iterativamente, ajustando os parâmetros em resposta às respostas do sistema.