O que é controlador de temperatura PID?

1. Introdução

A regulação da temperatura é um requisito básico para uma ampla gama de aplicações em ambientes industriais, científicos e comerciais. Condições térmicas estáveis não são apenas uma escolha, mas um requisito para muitas aplicações. Eles podem garantir a eficiência operacional, proteger a integridade de produtos ou materiais, atender aos regulamentos de segurança, otimizar o uso de energia, etc. Os termostatos onipresentes liga/desliga não são capazes de satisfazer as necessidades de hoje' s aplicações que exigem controle fino e estabilidade. Para superar essas restrições, estratégias de controle sofisticadas foram desenvolvidas, entre as quais o algoritmo de controle Proporcional-Integral-Derivativo (PID) é a pedra angular. Este dispositivo, o controle de temperatura PID, implementa esse algoritmo e oferece uma solução eficaz e confiável para problemas de regulação de temperatura. O artigo fornecerá uma exploração aprofundada do que é um controlador PID, usando como foco principal um controlador PID que regula a temperatura dentro de um pequeno gabinete. Este artigo fornecerá uma exploração detalhada do significado de um controlador de temperatura PID, usando como foco central um exemplo específico projetado para regular a temperatura interna em um pequeno invólucro eletrônico. Ao dissecar e examinar este exemplo específico, descrevendo sua operação em um sistema de malha fechada, ilustrando sua aplicação e discutindo seu processo de ajuste, você pode obter uma compreensão profunda e tangível de como um PID funciona na prática. O objetivo é fornecer uma exposição detalhada e clara que atenda ao EEA. T (Expertise, Expertise and Authoritativeness) na área de controle de temperatura e sistemas de controle.

2. O algoritmo PID: proporcional-integral-derivada explicada

O PID é o núcleo intelectual de controles de temperatura sofisticados. O algoritmo PID e#39; A função principal do é calcular uma correção com base na comparação do estado medido e desejado do sistema. A ação corretiva e#39; O objetivo é minimizar a diferença, também conhecida como sinal de erro. Examinando o PID' s partes constituintes nos ajudarão a entender melhor o algoritmo.

O sinal de erro é derivado em primeiro lugar de uma comparação muito simples, mas crucial. O ponto de ajuste é a temperatura desejada do sistema. O usuário pode definir uma temperatura alvo. A variável de processo também é importante, pois é a temperatura que está sendo medida atualmente pelo sensor no sistema. A diferença entre o ponto de ajuste e a variável de processo é o sinal de erro: Erro = Ponto de ajuste-Variável de processo. Este erro' A magnitude e o sinal determinam as ações corretivas.

O PID calcula as ações corretivas com base em três componentes, cada um contribuindo para um aspecto específico do controle.

Termo Proporcional (P): Este termo produz um sinal de controle que é diretamente proporcional à magnitude do sinal de erro. Isso pode ser expresso matematicamente por P_output = Erro * Kp, onde Kp é o ganho proporcional. Esse ganho proporcional é o que determina a força da resposta a um erro. O ganho proporcional aumenta com um erro maior e vice-versa. P-term' A principal função é reduzir o erro imediatamente. Muitas vezes resulta em erros residuais; Por exemplo, o sistema pode não atingir exatamente o ponto de ajuste e continuar a flutuar.

Termo Integral (I): Este termo refere-se ao acúmulo de erros ao longo do tempo. O sinal de erro é integrado ao longo do tempo, geralmente representado por I_output=Ki * Errordt onde Ki representa o Ganho Integral. O termo I resume continuamente o sinal de erro. O objetivo principal do termo I é remover erros de estado estacionário, o pequeno erro deixado pelo termo P. O termo I aumenta sua saída se o erro continuar, não importa quão pequeno seja. Isso fará com que o atuador tente remover o erro. O termo I tem uma desvantagem significativa se houver erro recorrente (como oscilar no ponto de ajuste) porque a integral pode levar a overshoot ou instabilidade.

Termos derivados (D): Este termo é baseado na taxa na qual o sinal de erro muda. A derivada é calculada (d(Error/dt) e uma saída gerada que contraria mudanças rápidas. Matematicamente D_output é igual a Kd* d(Erro/dt), onde Kd representa o ganho derivado. D atua como uma força de amortecimento. O termo D prevê erros no futuro com base nas tendências atuais e suaviza os sinais de controle. A antecipação reduz as oscilações que podem ocorrer quando os termos P ou I são excessivamente agressivos e fazem com que a temperatura flutue excessivamente entre o ponto de ajuste e o exterior. O termo D também ajuda a acelerar a resposta inicial porque antecipa a necessidade de correções antes que elas se tornem grandes. O termo D é sensível ao ruído que pode ocorrer em um sinal de erro e pode fazer com que o controlador aja de forma irregular.

Essa combinação de três termos geralmente é feita adicionando-os para criar o sinal final. O atuador recebe este sinal para executar a ação necessária. É importante equilibrar os termos P, D e I e ajustá-los para atingir o nível necessário de estabilidade e precisão.

3. Qual é a diferença entre "controlador" e "temperatura"?

Um. O "Controlador", em sua forma mais simples, é um dispositivo que compara o estado do sistema com o estado desejado. Em seguida, ele ajusta as saídas para minimizar as diferenças entre os dois estados. O controlador é usado para monitorar os níveis de temperatura e regular o aquecimento ou resfriamento para atingir a temperatura desejada.

B. Temperatura é a medida de quão quente ou fria é uma substância, geralmente usando um sensor de temperatura. É a medida que o sistema PID usa para regular a temperatura do processo.

O "Controlador de temperatura PID" é, portanto, uma combinação desses conceitos. Ele usa os algoritmos PID, que são implementados em uma unidade de controle, para comparar uma temperatura medida (o processo variável) com uma temperatura de ponto de ajuste e, em seguida, ajusta o elemento de aquecimento ou dispositivo de resfriamento (o atuador), de acordo, para manter essa temperatura.

4. Os principais componentes em um controlador PID

Embora a complexidade de um sistema PID possa variar, geralmente envolve vários componentes que funcionam juntos. É importante entender esses componentes para entender completamente o significado e a finalidade do controlador de temperatura PID.

B. Interface para Sensor de Temperatura: O componente responsável por medir uma variável de processo, a temperatura do sistema. É importante que o sensor tenha alta precisão e confiabilidade. Os tipos mais comuns são termistores (também conhecidos como detectores de temperatura de resistência ou RTDs), termopares e sensores digitais, como o DS18B20. A seleção do sensor depende de sua faixa de temperatura, precisão e aplicação. Normalmente, ele se conecta à lógica do controlador por meio de interfaces digitais, como sinais analógicos e de 1 fio.

O controlador PID ' O cérebro é C. Lógica do comparador / controlador: A principal função do controlador é calcular e usar o sinal de erro, que é a diferença entre a temperatura do ponto de ajuste e a variável do processo. Ele contém software ou hardware que calcula os termos integrais, derivativos e proporcionais e, em seguida, os combina no sinal de controle final. Essa lógica pode ser implementada em um microcontrolador.

Atuador Um atuador é um dispositivo que recebe o sinal de controle do controlador lógico e afeta diretamente a variável do processo (temperatura). É o atuador' de realizar as ações corretivas calculadas pelo algoritmo PID. Os relés de estado sólido são comumente usados em sistemas de controle de temperatura para alternar elementos de aquecimento ou resfriamento. Relés mecânicos também podem ser usados, mas os SSRs tendem a ser preferidos devido às suas velocidades de comutação rápidas e à falta de peças móveis. O controlador envia sinais específicos aos atuadores. Pode ser sinal de modulação por largura de pulso (PWM), sinal de tensão / corrente direta ou controle de sinal de comutação um SSR. O atuador controla a quantidade de energia que é fornecida ao elemento de resfriamento ou aquecimento.

5. Sistema de controle de circuito fechado

Os sistemas de circuito fechado usam feedback para controlar as variáveis do processo. Os sistemas de circuito fechado são frequentemente exemplificados pelo controle de temperatura PID.

B. Esta operação é realizada da seguinte forma: o sensor de temperatura envia as informações sobre a temperatura para o controlador lógico. Esta medição é comparada com a temperatura do ponto de ajuste pelo controlador. Essa diferença é chamada de sinal de erro. Esse sinal de erro é processado pelo algoritmo PID, que gera uma resposta corretiva. O atuador então ajusta o aquecimento ou resfriamento. O sensor mede a nova temperatura após o ajuste e isso é usado para fornecer feedback. Essas novas informações são usadas pelo controlador para determinar a próxima ação corretiva. O ciclo então continua. O sistema ajusta-se constantemente à temperatura desejada utilizando este circuito fechado.

Os sistemas de malha fechada são usados para criar uma malha de feedback em um controlador PID. O controlador compara continuamente a temperatura da variável de processo (o ponto de ajuste) com a temperatura desejada (a temperatura real) e ajusta o aquecedor/resfriador (atuador), para reduzir o erro.

6. Exemplos de aplicação úteis: Significado

Vamos#39; s olhar para um caso simples para entender melhor o que é um controlador PID: ele regula a temperatura em um pequeno gabinete.

B. Imagine que um pequeno gabinete eletrônico contém componentes sensíveis que são danificados pelo calor. O ponto de ajuste é definido em 50°C. Um DS18B20 é usado pelo controlador para determinar a temperatura interna. Os dados do sensor são enviados para a lógica do controlador (por exemplo, um microcontrolador). Os microcontroladores calculam o erro. (temperatura atual menos 50degC). Com base no erro, o PID calcula os termos P, I e D. Este controlador produz um PWM para representar a ação corretiva calculada (por exemplo, aumentar a potência de aquecimento). O sinal de controle PWM ajusta o elemento de aquecimento 12V conectado ao gabinete usando um SSR. Este sistema mede a temperatura continuamente, calcula o erro e depois ajusta a potência de aquecimento. O sistema de circuito fechado garante que a temperatura dentro do dispositivo permaneça próxima a 50 graus C. Este é um bom exemplo de como funciona um controlador PID. Ele ajusta continuamente um atuador (componente de aquecimento) para manter a temperatura definida.

Neste exemplo, o controlador PID é claramente definido: É um sistema PID que usa Termos Integrais Proporcionais e Derivados para determinar o ajuste necessário para o elemento de aquecimento. Isso é feito usando um loop de feedback contínuo para medir a temperatura do aquecedor e compará-la com o ponto de ajuste. A temperatura pode ser regulada com precisão e consistência dentro do gabinete.

7. As vantagens de usar um controlador de temperatura PID

O controlador PID é uma escolha popular em muitas aplicações que exigem controle preciso da temperatura.

B. Essas vantagens são baseadas no algoritmo PID e#39; de gerenciar o sinal de erro e fornecer os seguintes benefícios.

C. Precisão: Como o algoritmo PID pode calcular ações corretivas com base em erros, ele é capaz de regular a temperatura com muita precisão. Alta precisão significa que o controlador é capaz de manter as variáveis do processo muito próximas do ponto de ajuste. O termo PID é usado para conseguir isso: o termo P fornece uma correção imediata que;#39; s proporcional ao erro. O termo I elimina o erro de estado estacionário ao longo do tempo. E o termo D antecipa as mudanças e evita excessos e oscilações. Alta precisão significa que o controlador é capaz de manter a temperatura dentro de tolerâncias rígidas. Isso é crucial para proteger componentes sensíveis e garantir operações confiáveis.

Operação estável: O termo D no algoritmo PID ajuda a evitar oscilações. Operação estável significa que o sistema se acomoda no ponto pré-definido, sem ciclos ou flutuações excessivas. O termo D amortece a resposta e antecipa as mudanças, evitando que o sistema oscile descontroladamente. Operação estável significa que a temperatura pode ser mantida de forma previsível e confiável.

Eficiência energética: Os algoritmos PID fornecem controles precisos que permitem que o controlador ajuste com precisão a potência de aquecimento. Eficiência energética significa que o controlador aplica apenas a potência necessária para atingir e manter as temperaturas desejadas. O sistema reduz o uso de energia, evitando aquecimento desnecessário. Eficiência energética significa que o sistema reduz o desperdício de energia.

F. Confiabilidade: A definição de confiabilidade é a capacidade de desempenhar sua função de forma consistente ao longo do tempo. Esse significado é influenciado pelos componentes selecionados para o controlador. Este é o significado de confiabilidade: que o sistema fornecerá regulação de temperatura confiável.

Flexibilidade Refere-se ao fato de que o controlador é adaptável para diferentes aplicações, alterando seu sensor, atuador e ponto de ajuste. Flexibilidade é a capacidade de usar o controlador em diferentes cenários que requerem regulação de temperatura.