Освоение PID-контроллеров температуры: Пошаговое руководство по проектированию и внедрению

PID или пропорционально-интегрально-дифференцирующий (PID) контроллер находит применение в управлении давлением, потоком, другими процессными переменными и, более того, температурой. Цель пропорционально-интегрально-дифференцирующего контроллера — заставить обратную связь соответствовать определенной уставке на основе температурной настройки. PID-контроллеры температуры в основном находят тяжелое применение в системах, которые быстро реагируют на изменения добавленной энергии в процесс. Такие высоко полезны в системах с постоянными изменениями нагрузки и состоящими из слегка малой массы.

Коротко, PID-контроллер — устройство, которое смотрит на уставку и затем преобразует температуры в желаемую уставку. Так как настроить ваш PID-контроллер температуры? Какие инструменты, шаги и меры предосторожности вам нужно следовать? Статья пытается обсудить почти всё, касающееся PID-контроллера температуры, от настройки до необходимых инструментов, шагов для следования, чтобы назвать несколько.

Принцип работы PID-контроллера температуры

Чтобы четко понять принцип работы за PID-контроллером температуры, вам может понадобиться внимательно посмотреть на диаграмму ниже.

Так что происходит здесь? Уставка (Setpoint, SP) — желаемое значение, которое весь процесс должен производить. Предположим, что система контроля температуры в вашем доме имеет уставку 22 °C;

Поэтому, если вы хотите, чтобы весь процесс создавал стабильную температуру близкую к 22 °C или что-то очень близкое к этому. Это точка, где PID-контроллер температуры вступает в дело. PID-контроллер учитывает уставку и затем сравнивает её с реальным значением Процессной Переменной (Process Variable, PV).

Вернувшись в ваш дом, PID-контроллер затем смотрит на текущее значение температуры комнаты и видит, насколько далеко или близко оно к 22 °C. В случае, если уставка (SP) и процессная переменная (PV) одинаковы, тогда ваш контроллер не должен делать ничего как такового. Но если есть разница между двумя значениями, это означает, что есть ошибка, требующая коррекции.

Вернувшись в ваш дом, ошибка, требующая коррекции, может быть охлаждением или нагревом, и это зависит от того, является ли значение PV выше или ниже SP. Если температура низкая, сенсор подхватит более низкую температуру и передаст её контроллеру. Контроллер затем видит «ошибку в температуре» и пытается исправить её или преобразовать в желаемый диапазон. Если возмущение (повышение/понижение температуры) снова ударит систему, контроллер снова вступает в дело. Это так просто.

Настройка вашего PID: Инструменты и материалы, необходимые

Планируете ли вы настроить PID-контроллер температуры самостоятельно? Если да, то есть некоторые инструменты и материалы, которые вы должны иметь. Используя неправильные или некачественные инструменты и материалы, будьте уверены в PID-контроллере температуры, чья функциональность будет неприятной. Правильные инструменты и типы оборудования необходимы для создания PID-контроллера температуры, который преобразует или устанавливает температуры в желаемую уставку.

Следующее составляет инструменты, которые вам понадобятся, когда вы захотите настроить PID-контроллер температуры самостоятельно:

• Паяльник, флюс, пинцет и припой
• Фрезерный станок
• Лазерный резак
• FTDI serial TTL-232 USB кабель
• Мультиметр (вольтметр и омметр)

Первый шаг к получению вашего PID-контроллера температуры — убедиться, что все вышеуказанные инструменты в вашем владении.

Материалы

Помимо инструментов, следующее составляет комбинацию материалов, которые вам также понадобятся:

• Односторонняя бакелитная медная пластина (хорошо использовать 60*35 мм)
• Attiny 45 микроконтроллер
• Твердотельное реле
• 1N4004 диоды
• Ногтевой лак
• Конденсаторы (предпочтительно SMT 0603 Adafruit book)
• AC-DC трансформатор (предпочтительно 230В-9В)
• Транзистор
• Операционный усилитель
• Стабилизатор напряжения

Программирование контроллера

Программирование PID-контроллера температуры с единственной целью обеспечения того, что он выполняет свою роль, не сложный процесс как таковой. Все, что вам нужно — правильное программное обеспечение, и вы готовы к работе. Есть много программных пакетов, на которые можно положиться, хотя PID tuner кажется лучшим.

Есть несколько причин для такого. Например, программное обеспечение PID Tuner упрощает процесс настройки нескольких индивидуальных контуров за счет снижения осцилляций и увеличения полосы пропускания.

Программное обеспечение также позволяет достичь желаемого дизайна и требований к производительности, будучи бесплатным. PID Tuner надежен, прост и предлагает отличную производительность в огромном диапазоне операционных условий.

Помимо программного обеспечения PID Tuner, можно также использовать IJ-6 программное обеспечение. Этот тип программного обеспечения обеспечивает безопасный мониторинг и контроль огромного диапазона температур с большой легкостью.

Как настроить требуемое PID-значение

Настройка (Tuning) — процесс изменения температур до требуемого количества. К сожалению, настройка PID-контроллера температуры кажется немного хитрой, зная, где начать и какое направление следовать. Есть три основных метода настройки PID-контроллера температуры. Они включают ручную настройку, Авто-настройку и Эвристическую настройку, как объяснено ниже:

Ручная настройка

Ручная настройка достигается установкой времени сброса на максимальное значение, с скоростью, остающейся на нуле. После этого, коэффициент усиления должен увеличиваться до уровня, на котором контур начинает осциллировать на стабильной амплитуде. Исправьте любое смещение, выгода PID должна быть установлена на половину значения сброса при настройке времени.

Авто-настройка

Здесь PID-контроллер обычно «учится» как реагировать на любые изменения или возмущения в точных PID-настройках. Когда выбираете функцию «Авто-настройка», контроллер немедленно запускает выход. Важно отметить, что контроллеру требуется уставка 10 градусов или выше для успешной авто-настройки.

Эвристическая настройка

Также известная как метод Зиглера-Николса, эвристическая настройка — еще один метод настройки PID-контроллера. Для достижения этого, нужно установить интегральное значение I и дифференциальное D усилении на ноль. Пропорциональное усиление P затем медленно увеличивается до достижения так называемого конечного усилении K_u.

Некоторые вещи, на которые нужно обратить внимание

Когда речь идет о PID-контроллерах температуры, есть несколько вещей, на которые вам нужно обратить пристальное внимание всегда. Среди других вещей, безопасность и меры предосторожности важнее всего. Вам нужно обеспечить, что вы учитываете конкретные меры предосторожности, чтобы не ставить под угрозу свою жизнь или тех, кто близко к вам. Во-первых, если вы не знаете, как установить ваш новый PID-контроллер температуры, вы лучше обратитесь за услугами профессионала.

Дополнительно, важно обеспечить, что вы подключаете ваш контроллер температуры под директивой руководства. Также обеспечьте, что проводимое загрязнение исключено из местоположения, где контроллер должен сидеть. Наконец, убедитесь, что есть полная ограждающая оболочка жизненно важных частей контроллера.

Области применения PID-контроллеров температуры

PID-контроллеры температуры находят применение в нескольких приложениях, стоящих внимания. Хотя PID-контроль борется с шумом, тем не менее, они необходимы во многих полях. Миллионы домов, транспортных средств и бизнес-субъектов по всему миру полагаются на PID-контроллеры температуры. Однако они находят тяжелое применение через промышленный сектор.

Вот некоторые ежедневные промышленные приложения пропорционально-интегрально-дифференцирующих (PID) контроллеров температуры.

• Контроль температуры печи — большинство печей держат огромные количества сырья под высокими температурами. Независимо от тепла, температура материала не меняется быстро. Однако производный член корректирует ошибку, используя стабильный PV-сигнал.

• Пакетный контроль температуры — здесь операция под закрытой системой, где температуры могут подниматься до нежелательных уровней. PID-контроль температуры необходим, чтобы держать всё под контролем.

• Нейтрализация pH контроля — многие отрасли видят pH как значительную проблему. Например, они склонны быть нелинейными временами, аспект, с которым многие предприятия борются. Здесь PID-контроллер температуры вступает в дело. PID-контроллер температуры эффективно нейтрализует pH, чтобы привести его под контроль.

Резюме

Как идет название, PID-контроллер температуры — устройство, используемое в контроле температуры. Он состоит из сенсора, который принимает ввод, и на другом конце выход, подключенный к элементу/устройству, такому как нагреватель или вентилятор. PID-контроллеры температуры используются в домах, транспортных средствах и офисах. Однако они находят тяжелое применение через промышленные приложения управления. Настройка необходима для достижения желаемых уровней температуры. К счастью, есть более одного способа настройки этих устройств, которые пользователи могут использовать. Лучше того, есть пара программных платформ, на которые можно положиться для программирования PID-контроллера температуры для функционирования как желаемое. При настройке вашего PID-контроллера температуры, жизненно важно обеспечить, что конкретные превентивные меры учтены. С такими меры предосторожности, вы будете обеспечивать свою безопасность и долговечность вашего контроллера температуры.