Entendendo o controle de temperatura PID analógico

Eu. I. Introdução

B. B. Introdução ao Controle PID: Derivada Integral Proporcional

Uma das estratégias de controle mais eficazes e amplamente utilizadas para obter uma regulação precisa da temperatura é o algoritmo de controle Proporcional-Integral-Derivativo (PID). O algoritmo de controle PID calcula as ações corretivas com base nos três componentes de Proporcional, Integral e Derivativo. O termo D prevê o erro futuro com base em como a taxa de erro muda. Combinando esses três componentes, os sistemas de controle PID podem fornecer controle preciso, estável e preciso, minimizando o tamanho do erro, bem como o tempo necessário para corrigi-lo.

C. Diferença entre digital e analógicoControladores PID

A tecnologia PID analógica ou digital pode ser usada para implementar o controle. Os controladores PID analógicos usam componentes eletrônicos, como amplificadores operacionais (OA), resistores e capacitores, juntamente com potenciômetros e outros dispositivos semelhantes para gerar sinais de controle e realizar cálculos matemáticos. Os controladores PID digitais, por outro lado, usam software para executar os algoritmos. Os controladores digitais são mais flexíveis, têm maiores recursos de diagnóstico e programabilidade. No entanto, os controles PID analógicos continuam sendo uma opção para aplicações mais simples, onde robustez, custo-benefício e estabilidade em ambientes estáveis são uma prioridade.

D. O objetivo deste artigo é explicar os termostatos PID analógicos.

Este artigo tem como objetivo explicar os controladores PID analógicos em detalhes. Este artigo explorará como os controladores funcionam internamente. Nós' examinará seus principais componentes e examinará sua operação elétrica. Também discutiremos as vantagens e desvantagens dos controladores de temperatura PID analógicos em comparação com seus equivalentes digitais. Além disso, nós' examinará aplicativos típicos nos quais eles ainda são usados, bem como fornecerá conselhos sobre como ajustá-los e mantê-los. O leitor deve ser capaz de entender o que um controlador de temperatura analógico PID faz, por que eles são preferidos em algumas situações e como ele funciona.

II. O que os controladores PID analógicos fazem

Um controlador de temperatura analógico PID é um loop de feedback. Princípio básico: meça continuamente a temperatura que está sendo controlada e compare-a com o ponto de ajuste desejado. Calcule o erro (diferença) e gere um sinal de saída proporcional ao erro. Isso ajustará o elemento de aquecimento ou dispositivo de resfriamento. Examinaremos os componentes de um controle PID analógico e como eles interagem.

Um. Um. Componentes básicos: sensores, junção de somação, elementos proporcionais, integrais e derivados

Um controlador analógico PID é composto de vários blocos básicos. Um sensor de temperatura, como um RTD ou termopar, é usado primeiro para determinar a temperatura do objeto ou meio que está sendo controlado. O sensor é usado para converter a temperatura de um objeto ou meio em um sinal elétrico.

O sinal do sensor é alimentado para um circuito de somação, que pode ser implementado por um amplificador operacional configurado como terra virtual (opamp) ou amplificador diferencial. Este circuito de soma subtrai o sinal do sensor do ponto de ajuste (que é a temperatura desejada) para produzir o sinal de erro. Esta tensão é proporcional à diferença de temperatura.

Três circuitos separados são então usados para processar o sinal de erro, que corresponde aos componentes PID I e D. Cada um desses circuitos calcula uma contribuição de controle com base em um sinal de erro.

B. B. Processamento de sinal elétrico: Amplificador, filtro

Muitas vezes, os sinais brutos da temperatura e do ponto de ajuste do sensor são muito fracos para que os circuitos sejam processados de forma eficaz. Na maioria dos casos, isso é feito usando amplificação. Os amplificadores operacionais, que fornecem ganho, são frequentemente usados para conseguir isso. Eles garantem que o sinal esteja dentro do alcance dos elementos P, D e I.

A filtragem também pode ser usada para filtrar os sinais do sensor, reduzindo o efeito do ruído. O ruído em altas frequências pode levar a cálculos erráticos de derivadas, resultando em ações de controle instáveis. Você pode usar filtros RC simples (resistor/capacitor). Eles suavizarão o sinal, antes que ele entre no circuito do elemento D.

C. Relés, relés de estado sólido ou TRIACs

Este sinal final é formado pela adição das saídas de todos os três estágios de cálculo (geralmente usando outro opamp). O sinal representa o nível de resfriamento ou aquecimento desejado. A saída do controlador é acionada por esta tensão final.

Em muitos controladores PID analógicos, o estágio de saída controla o aquecimento ou resfriamento do elemento com base em um sinal de controle. Relés de estado sólido (SSRs) ou Triacs são usados em muitos controladores PID analógicos para conseguir isso. Em muitas aplicações de controle de temperatura, os SSRs têm uma velocidade de comutação mais alta e maior expectativa de vida (uma vez que não há partes móveis mecânicas). Eles também tendem a consumir menos energia do que os relés mecânicos. Os relés mecânicos ainda estão disponíveis, principalmente para aplicações que exigem maior potência ou onde a robustez é uma vantagem.

D. Explicando o mecanismo de controle do loop de feedback de maneira simplificada

Considere o ciclo de feedback para entender como o sistema funciona: o sensor de temperatura mede a temperatura atual (T_current). A medição é então enviada para a junção de soma onde#39; s em comparação com a temperatura do ponto de ajuste. Calcule a diferença entre T_setpoint e T_current (Erro). Os elementos P, I e D processam esse sinal de erro para produzir contribuições (P_terms, I_terms, D_terms). Esta soma (Sinal de Controle = Ki P_term + PI_term * Kd*D_term onde Ki e Kd são constantes de ganho), determina o estado de saída do relé. A saída controla o elemento de resfriamento ou aquecimento que, por sua vez, afeta a temperatura do processo. Este ciclo de medição, comparação e cálculo é repetido continuamente pelo sistema para manter a temperatura próxima ao ponto de ajuste desejado.

III. Os principais componentes dos circuitos

Examine os componentes eletrônicos que são normalmente usados em controles PID analógicos e como eles afetam o algoritmo.

Um. Termopares e RTDs (sensores de temperatura)

Primeiro, o sensor é responsável por medir a temperatura do processo. Os mais comumente usados são termopares (também conhecidos como detectores de temperatura de resistência ou RTDs) e detectores de temperatura de resistência. Os termopares são compostos de dois fios de metal que foram unidos em uma extremidade. Uma tensão é produzida nesta junção em proporção à temperatura. A resistência dos RTDs é previsível e muda com a temperatura. Eles são normalmente feitos de platina.

Os terminais de entrada do controlador devem ser conectados a esses sensores. Os projetos de sensores e controladores determinam o tipo e o método de conexão (por exemplo, conectores BNC para termopares e terminais de parafuso ou RTDs). Para medições precisas de temperatura, é importante ter a fiação correta e, em alguns casos, o condicionamento do sinal, como compensação de junção fria (para termopares).

B. B.

O amplificador somador é um circuito importante que' s geralmente construídos em um amplificador de operação. O amplificador somador recebe entrada da temperatura do sensor (geralmente amplificada), bem como a entrada que indica a temperatura do ponto de ajuste. O sensor' A leitura é subtraída da temperatura do ponto de ajuste para gerar o sinal de erro. A configuração pode ser um inversor de soma simples ou não inversor, dependendo dos requisitos específicos.

C. Potenciômetro com ganho proporcional (P) e seus efeitos

A contribuição do termo proporcional (P) para o controle final do sinal é diretamente proporcional ao erro de magnitude. Os potenciômetros são usados para ajustar o ganho do termo P, o que permite ao usuário controlar como o controlador reage ao erro. Ganhos de P mais altos resultam em respostas mais fortes (a saída mudará mais rapidamente em caso de erro). Isso pode fazer com que a temperatura suba mais rápido, mas também pode levar à oscilação e ao overshoot. Um ganho de P menor resultará em uma resposta gradual que é menos estável, mas pode levar mais tempo para atingir seu ponto de ajuste.

D. Componentes que impedem o enrolamento e fornecem temporização (por exemplo, capacitor, resistor).

A integral (I), por outro lado, elimina o erro de estado estacionário por meio da adição do sinal de erro ao controle de saída. Na maioria dos casos, isso é implementado conectando um circuito RC (resistor-capacitor) em paralelo ao loop de feedback em um amplificador operacional que foi configurado como integrador. Este circuito RC ' A constante de tempo determina a rapidez com que o termo integral se acumula. Um diodo pode ser usado para evitar que um integrador acumule sinais de erro excessivos (também conhecidos como "enrolamento integral"), especialmente quando próximo ao ponto de ajuste desejado. O diodo descarrega o capacitor quando o sinal de erro muda, limitando efetivamente a contribuição do termo integral.

E. Cálculo da derivada (D) usando um circuito diferenciador ou elemento sensor de taxa

Este termo, Derivativo(D), prevê erros no futuro com base na rapidez com que o sinal de erro muda. Ajuda a reduzir a sobrecarga do sistema e amortecer a coisa toda. Para implementações analógicas simples, você pode usar um circuito baseado também em um componente Op-amp e RC. Os circuitos diferenciadores podem ser sensíveis ao ruído. Isso pode causar oscilações e instabilidade no termo D. Implementações mais simples podem usar um termistor ou filtros passa-banda sintonizados com a frequência das mudanças de temperatura esperadas. Isso permitiria que a taxa de mudança fosse sentida de uma forma mais sensível.

F. Considerações sobre a fonte de alimentação

Todos esses componentes eletrônicos requerem uma fonte de energia eficiente e estável, que geralmente é fornecida por fontes de tensão CC. As fontes de alimentação devem fornecer corrente suficiente para todos os componentes ativos e ser reguladas adequadamente para uma operação consistente do controlador. As capacitâncias de desacoplamento podem ser colocadas entre as entradas e as saídas da fonte de alimentação para circuitos sensíveis, como opamps. Isso ajuda a eliminar qualquer ruído do sistema elétrico.

IV. Vantagens dos controladores PID analógicos

As vantagens dos controladores PID analógicos são muitas e os tornam ideais para aplicações onde a confiabilidade e a simplicidade são importantes.

Um. Um.

Por sua própria natureza, os controladores PID analógicos têm circuitos eletrônicos relativamente simples. Os controladores são compostos por componentes conhecidos, como amplificadores operacionais e resistores. A simplicidade do design leva a um processo mais fácil e, em muitos casos, a menos pontos de falha. A ideia básica de definir a temperatura, ler o nível e ajustar a saída é intuitiva para os operadores. Isso significa que eles exigem menos treinamento do que sistemas digitais complexos.

B. Ação de controle contínua e em tempo real

Os controladores analógicos geram saídas contínuas e entradas de processo. Os controladores digitais coletam amostras das entradas em intervalos de tempo discretos e realizam cálculos usando software. Controladores analógicos não#39; t fazer isso. O processamento contínuo permite responder muito rapidamente às mudanças de temperatura, tornando o controle mais suave.

C. C.

Os controladores PID analógicos tendem a ser altamente robustos e confiáveis devido ao seu design simples e à falta de microprocessadores e software. Os controladores digitais são mais suscetíveis a falhas, como travamentos de microprocessadores ou bugs de software. Os controladores analógicos têm menos chance. Os controladores analógicos são capazes de fornecer muitos anos de serviço em condições estáveis.

D. Econômico em comparação com controladores digitais sofisticados

Os controladores PID analógicos usam componentes que são mais baratos em geral do que microprocessadores e chips de memória. Eles também não requerem software sofisticado ou módulos de comunicação. Os controladores analógicos são, portanto, uma opção econômica para as aplicações que não exigem a sofisticação dos sistemas digitais.

E. O método de ajuste intuitivo (mas potencialmente mais tentativa e erro)

Os controladores analógicos são mais intuitivos para engenheiros com experiência em eletrônica analógica. Eles podem entender os princípios básicos de ajuste de um controlador analógico. Os potenciômetros são ajustados diretamente observando como o sistema responde. Este processo não é isento de erros, mas pode ser intuitivo para aqueles que têm o conhecimento adequado.

V. V.

Os controladores PID analógicos têm suas limitações.

Um. A afinação digital é menos precisa e flexível do que a analógica

Normalmente, o ajuste de um controle PID analógico envolve o ajuste manual dos potenciômetros P, I e D, enquanto observa o comportamento do sistema. Muitas vezes, alcançar ganhos ideais requer muita experiência e muitos ajustes. Em contraste, os controladores digitais podem fazer cálculos sofisticados e oferecer algoritmos de ajuste automático. Eles também permitem o ajuste fino por meio de software e exibem representações gráficas do comportamento da malha de controle. Isso torna o processo de ajuste mais preciso e eficiente em termos de tempo, principalmente em sistemas complexos.

B. B.

Os circuitos digitais usam sinais digitais que não são tão suscetíveis a interferências. Os circuitos analógicos têm maior suscetibilidade ao ruído. Mudanças de temperatura, envelhecimento de componentes e flutuações na fonte de alimentação podem fazer com que os componentes analógicos se desviem. Isso leva a uma perda geral na precisão do controle de temperatura. Pode ser necessário fazer uma calibração regular para garantir o desempenho.

C. C.

A porta de saída de um controlador analógico geralmente é limitada a um único SSR ou relé. Os controladores digitais têm mais opções de entrada/saída e programabilidade. Eles também podem se comunicar por meio de redes, como Modbus e Ethernet, aceitar vários sensores e controlar várias saídas ao mesmo tempo.

D. Dificuldade em implementar recursos avançados (por exemplo, controle em cascata ou protocolos de comunicação).

Os controladores PID analógicos padrão não são capazes de implementar estratégias de controle avançadas, como controles em cascata (controlando um loop usando sua saída) ou comunicação com ShangWei Ji (computador supervisório) ou com outros dispositivos em uma rede. Os controladores digitais têm esses recursos devido à sua velocidade de processamento e programabilidade.

E. O cenário de histerese geralmente é mecânico

Nos controladores analógicos, a histerese (a diferença de temperatura entre ligar e desligar) é definida por um simples potenciômetro ou interruptor mecânico. Eles geralmente estão localizados perto da frente do dispositivo. É menos preciso ou fácil de usar do que as opções digitais para programação de histerese disponíveis em controladores digitais.

VI. Aplicação onde os controladores PID analógicos ainda são usados

Os controladores PID analógicos ainda são relevantes em muitas aplicações, especialmente onde a simplicidade e a acessibilidade são importantes.

Um. Aquecimento/resfriamento industrial (fornos e fornos)

Muitas aplicações industriais ainda usam controladores PID analógicos. Esses controladores são usados para controlar a temperatura de fornos industriais, como os de processamento de metais, fornos de secagem e cura ou tanques que aquecem líquidos. Esses cenários exigem controle preciso da temperatura, mas a complexidade dos processos pode não justificar um controlador digital completo. Os sistemas analógicos são uma boa escolha por causa de sua robustez, e eles...#39; re também mais barato.

B. B. Sistemas HVAC

Para sistemas HVAC (Aquecimento, Ventilação e Ar Condicionado), os controladores PID analógicos podem ser usados para controlar a temperatura de um loop simples, como o aquecimento ou resfriamento em um edifício menor, ou para uma zona ou área dentro de um sistema maior. Os controladores digitais, no entanto, são preferidos para sistemas HVAC com recursos avançados, como várias zonas, controle de economizadores e otimização sofisticada.

C. C. Equipamento de laboratório

Os controladores PID analógicos são frequentemente usados em ambientes de laboratório para incubadoras básicas para cultivar bactérias ou células, bem como banhos-maria que aquecem amostras. Essas aplicações requerem uma temperatura constante, dentro de uma faixa. Os controladores analógicos são uma boa escolha para isso, pois são simples e econômicos.

D. Eletrodomésticos (geladeiras, freezers - modelos mais simples)

Os controladores PID analógicos podem ser usados em alguns aparelhos de consumo mais simples, como geladeiras e modelos mais antigos de freezers. Os aparelhos modernos podem usar microcontroladores para gerenciar energia e realizar controles mais complexos, mas o princípio PID ainda pode ser implementado analogicamente em projetos mais simples.

E. Controle de processos em situações que exigem simplicidade e baixos custos

Muitas aplicações de controle de processo ainda escolhem controladores PID analógicos quando o principal requisito é o controle de temperatura confiável e estável com um custo razoável. Isso inclui aplicações em aquicultura, agricultura e indústrias de nicho onde as soluções digitais podem ser consideradas desnecessárias ou muito caras.

VII. Ajustando um controlador PID analógico

Um controlador PID deve ser ajustado corretamente para garantir que ele funcione no nível desejado. Os controladores não ajustados podem oscilar, demorar para atingir seu ponto de ajuste ou não eliminar o erro de estado estacionário. Para ajustar um PID analógico, ajuste os potenciômetros P, D e I de acordo com a resposta do sistema.

A. O ajuste de desempenho é importante para um desempenho ideal

O controlador responderá a desvios de temperatura de forma rápida, suave e sem ultrapassagem. Isso minimiza o tempo necessário para estabilizar a temperatura (tempos de estabilização) e garante que o sistema esteja operando o mais próximo possível de seu ponto de ajuste (reduzindo erros em estado estacionário). Um bom ajuste acabará por levar a uma maior eficiência do processo, melhor qualidade do produto e redução do consumo de energia.

B. Métodos comuns de ajuste

Existem vários métodos para ajustar os controles PID. Ziegler e Nichols fornecem diretrizes sistemáticas baseadas no ganho final do sistema (o ganho quando o sistema atinge o ponto em que é instável), bem como no período final da oscilação. É útil, mas requer que o sistema seja levado ao ponto em que oscila, o que pode ser difícil ou indesejável de fazer na realidade. Os controladores analógicos são mais propensos a usar o método de tentativa e erro. O método envolve definir ganhos iniciais (muitas vezes zerando os ganhos D e I inicialmente e focando apenas no P), observando a resposta do sistema a uma mudança na carga ou ponto de ajuste e, em seguida, ajustando os ganhos P, D e I de acordo com o comportamento observado.

C. Os potenciômetros podem ser usados para ajustar o ganho P, I e D.

O processo de afinação geralmente começa com o ganho proporcional (P). Ajustar o potenciômetro de ganho P enquanto observa como seu sistema responde a distúrbios é uma boa maneira de começar.