Artículo: Arduino PWM PID Temperature Control
Yo. I. introducción
A. Un breve resumen de los requisitos de control de temperatura para proyectos de bricolaje y de menor escala
B. Arduino es una plataforma popular utilizada por aficionados electrónicos.
C. C. Introduction to Pulse-Width Modulation: A Control Technique (en inglés)
La modulación de ancho de pulso es una técnica importante para controlar la cantidad de energía que recibe un dispositivo electrónico, especialmente un actuador como un calentador o motor. PWM es el cambio rápido de una salida digital entre los Estados bajo y alto. el Ciclo de trabajo Es el parámetro más importante. Es el porcentaje de tiempo que la señal de salida es alta en un ciclo. PWM simula una señal analógica variando el ciclo de trabajo. En las aplicaciones de calefacción, los ciclos de trabajo más altos significan que el elemento calefactor estará encendido durante más tiempo. Esto aumenta la potencia, y por lo tanto la temperatura. Un ciclo de trabajo más bajo reducirá la potencia y por lo tanto la temperatura. El método permite un ajuste fino de la potencia.
D. Introduction to PID Control: proportional-integral-derivatives algorithm (en inglés)
Los simples controles de encendido/apagado pueden ser suficientes para ciertas aplicaciones básicas, pero a menudo no proporcionan la precisión necesaria para una regulación de temperatura sensible y estable. El algoritmo PID es esencial en esta situación. La estrategia PID es un control de retroalimentación de bucle cerrado que utiliza el error como la diferencia entre la temperatura objetivo y la temperatura real. Este algoritmo aplica tres términos diferentes a la corrección:
1. Proporcional: Esta corrección es proporcional al error. La corrección es mayor cuando el error es mayor. Esto ayuda a obtener el sistema a su punto de ajuste más rápidamente.
2. Integral: La corrección es proporcional al error acumulado en el tiempo. El término se utiliza para eliminar los errores de estado estacionario - es decir, la deriva de temperatura cuando el sistema se acerca al punto de ajuste, pero no lo alcanza exactamente.
3. Derivada (D): La corrección es proporcional al cambio en la tasa de error. El término se utiliza para predecir errores futuros, utilizando la tendencia actual. También ayuda a amortiguar el sistema y evitar excesos y oscil.
La combinación de estos tres términos puede resultar en un mejor equilibrio de respuesta, precisión y estabilidad en comparación con métodos más simples.
E. El propósito de este artículo es explicar cómo se pueden implementar los controles de temperatura PID usando Arduino y PWM.
Este artículo y#39;s objetivo principal es dar una guía práctica y detallada para la implementación de un sistema de Control de temperatura PID utilizando un microcontrolador Arduino con modde ancho de pulso para el elemento calent. El artículo cubrirá los conceptos fundamentales y esbozará todos los componentes. También proporcionará información sobre cómo programar el Arduino para que pueda ejecutar los algoritmos PID. We' le guiará a través de la conexión de hardware y le dará consejos sobre cómo ajustar y probar su configuración final. Después de leer este artículo, el lector debe ser capaz de construir su propio ArduinoControlador de temperatura PID.
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II. Los componentes principales
A. El microcontrolador Arduino - papel y operaciones básicas (procesamiento de entradas, salidas de control).
El microcontrolador Arduino es el núcleo del sistema de control de temperatura Arduino. Los microcontroladores son un pequeño ordenador construido sobre un circuito integrado. El microcontrolador contiene un procesador integrado, periféricos de entrada/salida programables y memoria para almacenar código de programa. En este caso, la Arduino's función principal es la de la unidad de control del sistema. La Arduino&#Las tareas principales son leer la lectura de temperatura del sensor y procesarla usando el algoritmo PID para determinar el nivel de calentamiento correcto. A continuación, genera la señal PWM, así como el control de SSR (relés de estado sólido) o cualquier otro mecanismo de conmutación para controlar la cantidad de potencia entregada al elemento calentador. Ejecuta todas las instrucciones programadas, tomando decisiones en tiempo real para mantener la temperatura.
B. La selección de sensores de temperatura: tipos comunes (por ejemplo, DS18B20 y termopares DHT11/22 con MAX6675, DHT11/22)
Los sensores de temperatura son cruciales para la precisión y fiabilidad. Diferentes tipos de sensores de temperatura se utilizan en los proyectos Arduino.
· sensores digitales: Este sensor convierte la medición de la temperatura en un código digital, facilitando la interpretación de Arduino. El DS18B20 es un termómetro digital con un solo cable that's conocido por su precisión, múltiples sensores y su capacidad multisensor. Otros ejemplos incluyen el DHT11 y DHT22 que pueden medir la temperatura así como la humedad. El DS18B20 proporciona lecturas que son precisas a + -0,5degc con una resolución tan baja como 0,1degc. Los sensores de temperatura DHT tienen una precisión de +-2degC. Para lecturas precisas, los sensores digitales requieren soporte de biblioteca de Arduino.
· sensores analógicos: Este sensor produce una salida de voltaanalógica que es proporcional a la temperatura. El sensor lineal LM35 es un ejemplo común, ya que emite 10mV por cada grado Celsius. Los sensores analógicos son simples pero pueden tener ruido. Requieren una conversión de analógico a digital para leerlos (usando Arduino's ADC).
· los termopares Son sensores robustos que se pueden utilizar en un rango de temperaturas (desde muy baja a criogénica), pero tienen un menor nivel de precisión que el sensor digital. El efecto Seebeck se utiliza para generar un ligero voltaen la Unión entre dos metales. Los voltade los termopares son a menudo leídos usando circuitos más complejos, o ICs como el MAX6675 que ofrece salida digital y compensación de Unión fría para termopares de tipo n.
La selección del sensor se basa en su aplicación#39;s requisitos. Esto incluye el rango de temperatura requerido, la precisión necesaria, el coste y los puertos de entrada/salida disponibles en la placa Arduino. Los sensores DS18B20 y DHT son una gran opción para la mayoría de los proyectos de aficionados. Ofrecen un equilibrio entre la precisión, el costo y la facilidad de uso.
C. Consideraciones y tipos de elementos calefactores (p.ej. cables resistivos, bloques de resistencia, etc.)
Los elementos calefactores son los componentes que generan el calor necesario para aumentar o mantener un proceso ' Temperatura. Hay varios tipos disponibles.
· cables resistivos (serpentín eléctrico): Este alambre resistivo, que a menudo está hecho de materiales tales como Nichrome u otros metales similares, se calienta cuando una corriente eléctrica fluye a través de él. El alambre se puede formar en bobinas o tiras y luego montar en un objeto para calentar.
· bloques de calefacción: Los bloques sólidos están hechos de un material termoconductor e incorporados con componentes resistivos. Estos bloques proporcionan una superficie uniforme para el calentamiento y se utilizan comúnmente en hotends de impres3d, incubde laboratorio, etc.
Relés de estado sólido: Los relés de estado sólido son dispositivos de conmutación. Sin embargo, en este caso juegan un papel crucial como interfaz entre Arduino's señal de baja potencia y el elemento calentador. Los SSR utilizan tecnología de semiconductores para encender/apagar la fuente de alimentación principal. Normalmente se controlan a través de una señal de entrada de baja tensión, como la salida Arduino PWM. Los SSR son más rápidos y más fiables que los relés mecánicos (sin contactos metálicos), pero también tienen una vida útil más corta.
Al seleccionar el elemento calefactor adecuado para su aplicación, debe tener en cuenta factores como los requisitos de alimentación, los rangde temperatura requeridos, la uniformidad de la distribución de calor, el coste, la seguridad y más. La elección de los mecanismos de conmutación (SSR y relé) también está influenciada por el tipo de fuente de alimentación (AC orDC).
D. Concepto del ciclo de trabajo y generación de la señal PWM en Arduino
PWM, como se mencionó anteriormente, es un método de simulación de señales analógicas utilizando señales digitales. PWM es soportpor varios pines en la mayoría de las placas Arduino estándar. En las placas con un reloj de 8 bits (como el Uno y el Nano), estos pines son capaces de generar una onda cuadrada, que tiene una tasa de trabajo variable. El rango es típicamente de 0% (siempre apagado) a 255 (siempre encendido). Ciclos de trabajo Representa el porcentaje en un ciclo que la señal está activa. Un ciclo de 0% significa que la producción siempre será baja. El ciclo de 50% significa que siempre será alto, pero sólo durante la mitad del tiempo. 100% ciclo de trabajo significa siempre alto. El algoritmo Arduino PID, cuando se utiliza para el control de temperatura, calcula un ciclo de trabajo (entre 0 y 255) que es apropiado basado en error. Este valor es enviado al conector PWM conectado a SSR. El SSR interpreta esta señal PWM para controlar la potencia media entregada al elemento calentador.
E. El algoritmo PID: una breve recapitulación de los términos (P, I y D), así como su importancia para el control dinámico
Entender el algoritmo PID requiere una recapitulación. Es importante entender el algoritmo PID para implementarlo.
1. Término proporcional (P): Este término produce una salida de control proporcional al error actual. El P_output es igual a Kp*E. Un error mayor resultará en una señal de salida más alta que intenta corregir rápidamente la temperatura. Una alta ganancia de P, sin embargo, puede hacer que el sistema oscile y rebase su punto de ajuste. La ganancia proporcional constante Kp, que es un parámetro variable, puede ser ajustada.
2. Término Integral (I): Iterm aborda el error acumulativo en el tiempo. El término I integra error (E dt), y añade esto al valor integral. I_output = KI * E dt. Este término elimina los errores de estado estacionario - diferencias de temperatura que permanecen incluso si el sistema está cerca del valor de ajuste. El término integral crecerá si el error es persistente por un período prolongado de tiempo. Esto empuja la salida para corregir el problema. Una integral demasiado fuerte puede causar oscil. La constante de ganancia integral Ki también puede ser sintonizable.
3. Términos derivados (D) : Los términos D predicen errores futuros mediante el análisis de la velocidad a la que cambia el error. D_output = dE/dt * Kd. El sistema calcula los cambios de error con el tiempo, y amortigua su respuesta usando esta información. Los términos D positivos indican que el sistema puede estar corrigiendo el problema demasiado rápido y podría rebasarse. Por lo tanto, reducirá la salida. Los términos D negativos indican que el sistema se ha corregido demasiado lentamente. Esto da lugar a un aumento de salida. Los D-terms ayudan a estabilizar el sistema y prevenir excesos. La ganancia derivada constante Kd, es otro parámetro que puede ser ajustado.
Así es como se calcula la salida del PID: U = Kp E + KiE + Kd*dE/dt. La salida calculada es la que representa la acción de control que se desea realizar, en este caso el ciclo de trabajo del PWM. El método PID es especialmente eficaz en el control de temperatura, ya que aborda simultáneamente el error actual (P), el error acumulado I y la tasa de cambio D. Esto resulta en una respuesta más precisa y estable que otros métodos de control.
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III. El algoritmo PID para Arduino
A. Configure su entorno Arduino: IDE y bibliotecas
Esto se debe a que la lógica principal para el controlador PID se encuentra en el software Arduino. El entorno de desarrollo integrado de Arduino, una aplicación libre multiplataforma creada por el equipo de Arduino, se utiliza para escribir el código (sketch). Incluye un editor de texto y un monitor serie de depuración. El programa debe interactuar con el hardware, leer el pin del sensor, calcular PID, y luego escribir el ciclo de trabajo calculado del PWM al pin PWM correcto. El cálculo del PID puede ser complicado, pero la comunidad de Arduino tiene un número de bibliotecas para simplificar la implementación. el PID_v1 Es una opción popular. Proporciona un marco integrado para los controles PID, y maneja los cálculos derivados. El administrador de bibliotecas de Arduino es usualmente requerido para instalar estas bibliotecas. Puede haber otras bibliotecas necesarias para ciertas lecturas del sensor.
B. Leer código de datos del Sensor: este código le permite leer la temperatura del Sensor.
Primero, necesita obtener la lectura de temperatura del sensor. El primer paso es configurar los pines digitales o entradas analógicas en el Arduino. A continuación, tendrá que utilizar la función o biblioteca correcta para los valores de temperatura. el Línea aérea Se utiliza, por ejemplo, para enviar datos a través de una red de 1 hilo, mientras que la función de lectura del sensor DS18B20 se invoca. Para sensores analógicos como el LM35 the Análogos () La función Arduino se utiliza para leer el voltade un pin analógico. Este voltapuede ser convertido en temperatura usando las características del sensor. el DHT La biblioteca maneja el sensor& DHT#39;s protocolo de comunicación específico. Para asegurar que las lecturas válidas se pueden obtener, el código debe incluir una función de comprobación de errores. El valor de temperatura bruta se pasa a la biblioteca PID.
C. Escribir o usar código de biblioteca existente para la función PID en Arduino
El cálculo de PID se realiza normalmente dentro de una función de biblioteca. Por ejemplo, el La biblioteca pid_v1requiere definir la estructura del PID, establecer la entrada, salida y setpoint y llamar a Función Compute() en el Función Loop(). La lectura de la temperatura se utiliza como entrada, la salida se calcula los ciclos de trabajo PWM y el setpoint será introducido por el usuario. Además, la biblioteca requiere que el usuario defina o proporcione los parámetros de ajuste. Estos son la ganancia proporcional Kp, la ganancia integral Ki y la ganancia derivada Kd. El controlador#El comportamiento de 39;s está determinado por estas ganancias. En la sección VII, discutimos la afinación con mayor detalle.
D. La importancia de los parámetros de ajuste (Kp Ki Kd) y los métodos básicos
La afinación es la clave para lograr un buen rendimiento con PID. Los parámetros de ajuste Kp, Ki y Kd determinan la agresividad de cómo reacciona el controlador ante el error. La estabilidad y la precisión dependen de encontrar los mejores valores. El sistema puede ser más lento para reaccionar si Kp es bajo. También podría tener errores de estado estacionario. Si Kp llega a ser demasiado alto, puede causar que el sistema se vuelva inestable y oscilar alrededor de su punto de ajuste. El Ki puede causar inestabilidad y oscilsi es demasiado alto. Esto ocurre especialmente cuando las temperaturas son bajas. Se dejará un error de estado estacionario si el valor es demasiado bajo. Si Kd es demasiado alto puede causar ruido, pero si it's demasiado bajo entonces puede haber amortiguinsuficiente. Aunque hay un número de técnicas de afinación, no hay un método único para todos. Método: Un enfoque que implica encontrar la ganancia final de un sistema y su tiempo de ciclo final. Sobre la base de estos valores, se aplican reglas simples para determinar Kp y Ki iniciales. Es difícil utilizar este método en el mundo real, ya que puede causar inestabilidad.
1. El método más popular de implementación es «Prueba y error». Esto funciona mejor con una biblioteca PID. Este proceso comienza con una suposición inicial para Kp y Ki y observa la respuesta del sistema a un cambio en el punto de ajuste. Las ganancias se ajustan en función del comportamiento observado (por ejemplo, usando el Monitor serie Arduino, para ver PV, SP y la salida calculada). Es importante tener una respuesta rápida y estable (oscilmínimas, desbormínimos, pequeño error de estado estacion). Este proceso implica ajustar Kp y poner Ki a cero, seguido por la adición de acción integral y, si es necesario, acción derivada.
E. El ciclo de trabajo se escala para ajustarse al rango de Arduino PWM (0-255, para la mayoría de los pines PWM).
Las bibliotecas PID calculan el control de salida, que a menudo se muestra como un rango de valores que puede estar muy lejos del rango de 0-255 adecuado para PWM en muchas placas Arduino. Para producir la señal de control, PID suma los términos I y D (por ejemplo, el ciclo de trabajo deseado para PWM). El valor calculado debe ser escalado para que quepa en el rango de 0-255. Es tan simple como esto: PWM_value = Maps (PID_output) lower_bound and upper_bound (0, 255);, donde PID_output Representa el valor calculado de la biblioteca. Lower_bound, and Upper_bound, definir el rango de salida. el PWM_value El resultado de esto se escribe usando AnalogueWrite (pwmPin and PWM_value);. El ciclo de trabajo se utiliza para controlar el SSR que, a su vez, controla la potencia entregada al elemento calentador.
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IV. Instalación de Hardware y conexión de componentes
A. Representación esquemática de las conexiones: (Sensor- > Arduino, Arduino- > elemento de calefacción vía SSR & PWM, Power Supply considerations (en inglés).
Un esquema detallado no es posible en este texto. Sin embargo, una visión general del concepto es útil. Los sensores están conectados a pines de entrada analógicos y digitales en Arduino. El pin de Arduino PWM está conectado al SSR's entrada. Los terminales de salida SSR están conectados a la fuente de alimentación (tensión y tierra) y al elemento calefactor. Arduino necesita una fuente de alimentación que coincida con su volta(típicamente, 5V o DC 12V). Como precaución, se debe instalar un fusible en la línea que suministra energía a los elementos SSR/ calefactores. Ud puede querer considerar la protección básica, tal como un condensador colocado a través del SSR' terminales. En línea, puede encontrar diagramas para cierta combinación de sensor/SSR.