Artículo: Control de temperatura usando controlador PID: diagrama de circuito y explicación

I. I. introducción

Control de temperaturaLa precisión es un requisito para innumerables aplicaciones en muchos sectores diferentes. La capacidad de regular con precisión la temperatura es esencial para una amplia gama de aplicaciones, desde el mantenimiento de condiciones óptimas en los procesos de fabricación industrial hasta centros de datos y garantizar la estabilidad en entornos de laboratorio, pasando por el confort y la seguridad de las zonas residenciales. Un mal control de temperatura puede resultar en una reducción de la calidad del producto, equipos dañados, uso excesivo de energía y resultados comprometidos del experimento. Entre los métodos más eficaces y ampliamente empleados para lograr un control de temperatura sofisticado es el control proporcional, integral y derivado (PID). La técnica es una manera confiable de mantener una variable en un sistema, como la temperatura, dentro de un valor de punto de ajuste. El propósito de este artículo es explicar los principios básicos de PID como se aplican al control de temperatura y proporcionar un diagrama de circuito detallado que destaca los componentes principales y las interconexiones.

II. Entender el Control PID para la temperatura

A. ¿Qué es el Control PID (Programmable Integrated Device Control)?

Control PID, que significa proporcional-integral-derivado, representa una forma fundamental y altamente prevalente de bucle de control de retroalimentación. Un bucle de control se compone de componentes interconectados que trabajan juntos para ajustar una variable para que coincida con el punto de ajuste predeterminado. Este bucle es controlado por el controlador PID, que calcula las acciones correcbasadas en las desviaciones entre las variables reales y los valores deseados. En el contexto del control de temperatura, el objetivo principal de PID es reducir este error. Esto permitirá una rápida reacción ante cualquier perturby lograr y mantener la temperatura deseada.

B. los tres componentes (P, I y D):

PID's eficacia se debe a sus tres componentes interconectados pero distintos que cada uno aborda diferentes aspectos del error en el tiempo. Es importante entender estos componentes para apreciar completamente cómo PID regula la temperatura.

1. El término proporcional genera una señal directamente proporcional con la magnitud del error. En este contexto, el error es la diferencia entre las temperaturas de ajuste desey las temperaturas reales medidas por el sensor. Si e(t), el error dependiente del tiempo, se define matemáticamente como 'P = Kp* e(t), 'Kp,' La constante de ganancia, entonces puede ser usada para calcular la salida proporcional 'P. La salida proporcional aumenta con un mayor error, y viceversa. La reacción inmediata ayuda a iniciar la corrección y acercar la temperatura del sistema al punto de ajuste. Si se basa únicamente en la respuesta proporcional, puede conducir a un error de estado estacionario. Este es un error residual que permanece incluso después de que el sistema se haya estabilizado. La salida del controlador no será suficiente para eliminar el error por completo, pero sólo lo suficientemente grande para la corrección. El aumento de la ganancia proporcional puede reducir este error, pero si se establece demasiado alto puede causar inestabilidad u oscil.

2. Integral (I):

Los términos integrales pueden eliminar el error en el estado estacionque no puede ser eliminado por términos proporcionales solamente. El término integral se integra continuamente y calcula la suma acumulada del error. Productos integrales y#39;I,' Normalmente son proporcionales a la integral del error para un intervalo de tiempo dado. Esto se escribe a menudo como I = Ki* e(t), dt where 'Ki,' Es constante de ganancia integral. El término de ganancia integral se acumulará si el error continúa durante cualquier período de tiempo. Esta acción correcempuja el sistema más cerca del punto de ajuste. Los errores de estado estacionson esencialmente ' eliminado ' Con el tiempo por esta acción, lo que asegura que las temperaturas del sistema finalmente alcanzar los valores deseados. El término integral es de reacción lenta y puede contribuir a un reajuste cuando no se ajusta correctamente.

3. Derivada (D):

El término derivado se refiere a la tasa a la que cambia el error. Se calcula la derivada temporal, y sobre la base de la tasa de error actual se puede predecir la tendencia en el futuro. D es normalmente proporcional al cambio de la tasa de error, y se expresa por D = Kd* de(t/dt), donde "Kd" Es la constante de ganancia derivada. El componente derivado puede ser muy útil para mejorar la estabilidad y detener oscily overshoot. El término derivado, ajustándose a la pendiente, puede tomar medidas correcantes de llegar a ser demasiado grande. Esto amortigua la respuesta del sistema y asegura una convergencia más rápida y estable hacia el punto de ajuste. Este es un tipo de control Yu Jian Xing (anticipatorio), que ayuda a suavilos cambios de temperatura.

C. el bucle de Control

Un sistema PID opera dentro de un bucle de retroalimentación. La secuencia típica es: un sensor mide la temperatura con precisión dentro del sistema. El sensor transforma la temperatura física en una señal eléctrica. Esto es a menudo cambios de tensión o resistencia. Las señales de los sensores se envían al control PID. La temperatura medida (variable de proceso o PV) en el controlador se compara con la temperatura de ajuste (SP) introducido por el usuario. Esta diferencia es el error. (E = PV - SP). Los controladores PID calculan los términos P, D e I usando este historial de errores. Esta suma de los tres términos produce la señal de control de salida final. La señal de salida enviada por el controlador se transmite al actuador. Este es un dispositivo que puede influir físicamente en la temperatura del sistema (por ejemplo, encender o apagar un calentador, cambiar la velocidad de los ventilde refrigeración). La acción del actuador cambia la temperatura del sistema. El bucle mide el cambio de temperatura y ajusta el actuador en consecuencia.

III. Diagrama del circuito de Control de temperatura

A. resumen:

Los diagramas de circuitos son representaciones gráficas de componentes electrónicos en un sistema PID. Muestran las rutas de señal y las conexiones funcionales. El diagrama del circuito es un plano que ayuda a entender cómo interactúan todos los elementos para alcanzar el control de temperatura deseado. La implementación específica puede variar dependiendo de qué componentes se utilizan (por ejemplo, un controlador analpid vs. un microcontrolador), pero la estructura básica es la misma.

B. componentes clave:

Los diagramas de circuito típicamente incluyen varios componentes que juegan un papel en el control del proceso.

1. El sensor de temperatura es esencial para determinar el estado actual del sistema. Los tipos más comunes son termopares (RTDs) y termistores de coeficiente de temperatura negativo (NTC). Los termopares producen un cambio de voltaproporcional a la temperatura. Los RTDs cambian la resistencia con la temperatura. Los termistores muestran un gran cambio de resistencia. La selección del sensor se basa en rangde temperatura, precisión y condiciones ambientales. El acondicionamiento de la señal es necesario porque la salida del sensor no puede ser usada directamente por el control PID.

2. El circuito de acondicionamiento de señal es un paso intermedio crucial que prepara la señal de salida del sensor para el controlador PID. Las señales crude de sensores como termopares y termistores pueden ser débiles, no lineales o fuera de un rango normal de volta/ corriente. Los circuitos de acondicionamiento de señal realizan funciones necesarias como la amplificación de señal (convertir el sensor's respuesta de no lineal a lineal con temperatura), filtrado de ruido, y posiblemente conversión de señal (de voltaa corriente, o viceversa). Una tabla de búsqueda, conversión digital, o un circuito amplificador operacional podría ser utilizado para lograr la linearización. La señal se presenta entonces en un formato preciso, estable y compatible con el control PID.

3. PID Controller Unit (también conocida como PID Controller Unit): el cerebro del sistema que realiza los cálculos. Las unidades PID se pueden implementar usando diferentes métodos. Un método común es utilizar un microcontrolador equipado con bibliotecas de software (como Arduino, Raspberry Pi o PLCs especializados) para implementar el algoritmo PID. También hay circuitos integrados de control PID analógicos independientes que integran todos los amplificadores operacionales requeridos, circuitería y otros componentes. El controlador recibe el sensor's señal condicionada (que representa la Variable PV o de proceso), así como la temperatura de ajuste que el usuario ha definido. El controlador calcula términos proporcionales integrales y derivados usando el error y su historia acumulada (E = PV - SP). Las salidas de control finales son típicamente señales de volta(por ejemplo, dentro del rango 0-5V, 0-10V, o 4-20mA) o señales de corriente (por ejemplo, entre 0-20mA, y 4-20mA).

4. Actuador: un actuador es un dispositivo que traduce una señal eléctrica enviada por el control PID en acciones físicas que afectan a la temperatura del sistema. La selección del actuador se basa en la aplicación. Los relés de estado sólido se utilizan para cambiar los elementos de calefacción y las cargas de refrigeración. Los ventilcon motor también se pueden utilizar para la refrigeración por aire forzado. Las electroválvulas controlan el flujo de fluido para el sistema de calefacción/refrigeración. El actuador es el dispositivo que recibe y ejecuta comandos. Puede calentar, enfrio modificar la temperatura.

5. El circuito debe tener una fuente de alimentación fiable y suficiente. Fuente de alimentación: la unidad transforma el voltaprincipal (por ejemplo, AC 230V), en DC de bajo volta(por ejemplo, +5V (o +12V o -12V), para el sensor, acondicionamiento de señal, controlador PID, y posiblemente componentes de interfaz de usuario.

6. Generalmente se incorpora una interfaz de usuario (opcional pero común):) para facilitar el monitoreo y operación. Normalmente incluye elementos como una pantalla, por ejemplo una pantalla LCD, que muestra la temperatura y el punto de ajuste, así como el estado del sistema. Los dispositivos de entrada, como los potenciómetros, permiten al usuario ajustar manualmente los parámetros PID.

C. explicación del diagrama:

Imagine un diagrama.

Estos componentes pueden ser representados visualmente en un diagrama de bloques simplificado. Los bloques principales del sistema estarían representados por cajas rectangulares: sensores de temperatura, circuitos de acondicionamiento de señal, controladores PID, actuadores y fuentes de alimentación. Las flechas indican la dirección de la señal. El sensor, por ejemplo, mostraría una flecha que apuntaba hacia el circuito de acondicionamiento. Un controlador PID recibiría una flecha del circuito de acondicionamiento, etiquet" variable de proceso (PV). La entrada de Setpoint también será una flecha que entra en el controlador PID, con la etiqueta "Setpoint" El controlador PID entonces enviaría una flecha hacia el actuador, etiquetado "salida de Control". El actuador entonces mostrará una flecha que indica su impacto en "proceso", (el ambiente controlado), y esto alimentará de nuevo al Sensor de temperatura, cerrel lazo. Las flechas de fuente de alimentación se conectarían a los bloques necesarios. El sistema de retroalimentación se muestra claramente en este visual.

D. Opcional):

Eche un vistazo a una manera sencilla de controlar la temperatura del agua en un tanque mediante el uso de un elemento calentador. La temperatura se mide mediante un sensor de temperatura, como un RTD sumergido en agua. La señal de RTD se envía entonces al circuito de acondicionamiento de señal, que linealiza y convierte esta señal a un voltade 0-5V. La tensión condicionada se envía al controlador PID junto con la tensión de ajuste definida por el usuario. Este controlador calculará las salidas P, I y D. La salida PID aumentará si la temperatura del agua es baja (Error > 0,) y un relé de estado sólido puede ser activado. SSR activa el elemento calentador para calentar el agua. Los sensores miden el aumento de la temperatura del agua, lo que resulta en un menor error que es procesado por el controlador PID. El controlador PID reduce la salida cuando la temperatura del agua alcanza un punto de ajuste. Esto resulta en un error de cero o casi cero.

IV. El circuito (paso a paso)

Como se muestra en el diagrama de circuito a continuación, el funcionamiento del sistema se puede explicar por una serie de pasos:

Medición de temperatura: un sensor de temperatura vigila constantemente las temperaturas en el sistema (por ejemplo, el aire dentro de una habitación o el líquido dentro de un tanque). El sensor genera una señal eléctrica que corresponde a la temperatura medida.

Circuito para acondicionamiento de señal: la señal del sensor crudo es enviada a través de este circuito. Este circuito linealiza la respuesta del sensor para garantizar una relación directa con la temperatura real. También filtra cualquier ruido eléctrico y transforma la salida en un formato estándar que puede ser utilizado por el controlador PID (por ejemplo, un voltade 0-5VDC).

Error de cálculo: introduzca la temperatura condicionada, que representa la PV (Variable de proceso), en el controlador PID. El usuario y#39;s la temperatura deseada (el punto de ajuste) se introduce simultáneamente en el controlador PID. El error (E), calculado por el controlador, es la diferencia entre Setpoint y Variable de proceso.

Cálculo de PID: este error es inmediatamente procesado por el controlador PID usando sus propios algoritmos. El controlador PID calcula el término proporcional basado en el error actual. Luego integra este error en el tiempo, abordando cualquier desplazamiento persistente (el término Integral), antes de calcular un término derivado que se basa en la tasa de cambio. La señal de control de salida final se produce mediante la combinación de estos tres componentes.

Generación de señal de Control: esta señal de Control es generada usando el algoritmo PID y enviada por el controlador a un actuador. La señal de salida está típicamente dentro de un cierto rango (0-5V), e indica el grado deseado de calentamiento, enfriamiento u otra acción.

Acción del actuador: recibe la señal. El actuador activará el calentsi la señal indica un aumento de temperatura (por ejemplo, un voltapositivo). El actuador puede activar el ventilador de refrigeración o apagar el calentador si la señal indica una disminución de la temperatura.

Ajuste de temperatura: la acción del actuador influye directamente en la temperatura de proceso. El sistema se calienta o enfría.

Después de la acción por el actuador, el sensor de temperatura medirá la temperatura. La Variable de proceso actualizada se basa en esta nueva medición.

Repetición: este sensor enviará esta nueva lectura de temperatura al circuito de control PID, y si es necesario al sistema de acondicionamiento de señal. Sobre la base de la información actualizada, el controlador calcula el error E = SP - PV y ajusta el control de salida. El actuador recibe nueva señal de control y adapta la acción. El ciclo de medir, calcular, actuar y recibir retroalimentación se repite continuamente. Esto permite que el sistema responda dinámicamente a los cambios de temperatura y otras perturbaciones.

A. la importancia de afinar:

El algoritmo PID es un poderoso framework. Sin embargo, el rendimiento del sistema PID depende de qué tan bien se ajusten sus parámetros: la ganancia proporcional Kp, la ganancia integral Ki y la ganancia derivada Kd. El controlador responderá a los errores de una cierta manera en función de estos parámetros. El sistema de control de temperatura puede funcionar mal si no se ajusta correctamente. Esto podría deberse a un calentamiento/enfriamiento insuficiente, tiempos de respuesta lentos o excesos excesivos más allá del punto de ajuste. El sistema responderá rápidamente y con precisión a la temperatura establecida. También funcionará sin problemas y de manera constante.

B. B. métodos de afinación común:

Afinar el controlador PID es el proceso de determinar los mejores valores para Ki, Kp y Kd. Hay varios métodos, desde reglas básicas de oro a técnicas sofisticadas.

Ziegler and Nichols tuning es un método that's a menudo citado, que puede ser útil para obtener un buen punto de partida. El método comienza identificando la ganancia crítica (Kc), y el tiempo crítico (Tcp), para un sistema. La ganancia crítica (Kc) es la ganancia máxima que hace que la respuesta del sistema a un paso de entrada se vuelva inestable. Entonces comienza a oscia una frecuencia constante. El tiempo crítico se define como la duración de una oscilación cuando se ha alcanzado esta ganancia crítica. Ziegler y Nichols proporcionan fórmulas empíricas para estimar los valores del parámetro PID una vez que se han determinado estos valores experimentales:

Para calcular el valor de Kp para un solo control proporcional (P) : Kp = 0.5*Kc

Para un controlador proporcional integral (PI) : Kp 0.45 * Kc, Ki 0.83 * Kc/Tcp

Para un controlador proporcional, integral y derivado (PID) : Kp 0.6 * Kc, Ki 2 * Kc/Tcp, Kd Kc * Tcp / 8

Los valores iniciales de los parámetros se pueden ajustar manualmente o mediante el uso de métodos más sofisticados.

El ajuste Manual es otra opción. Implica monitorear cuidadosamente la respuesta del sistema a ajustes menores en los parámetros PID. Típicamente, el proceso comienza con ajustar Kp para obtener una respuesta estable pero rápida. Después de que Kp se ha establecido a un nivel razonable, la Integral (Ki), se sintonipara eliminar el error de estado estacionario. La derivada (Kd), que amortigua las oscil, es afin. El enfoque de prueba y error es un método que requiere paciencia, y una comprensión de la dinámica de sistemas.

C. C.

No siempre es posible determinar los valores exactos para Kp, Kd, o Ki que se requieren para el mejor rendimiento. Dependen de las características específicas del sistema. La sintonía está influenciada por la masa térmica (la cantidad de calor debe ser añadido o quitado) del sistema, los coeficientes de transferencia de calor y el nivel de precisión deseada. Sistema con altas masas térmicas tienden a ser más lento y requieren menores ganancias. Los sistemas con un tiempo de respuesta rápido pueden tolerar mayores ganancias. A menudo se requiere un ajuste si cambian las condiciones o configuraciones del sistema.

VI. El control PID en sistemas de temperatura tiene muchas ventajas

El controlador PID es la mejor opción para tareas de control de temperatura porque ofrece muchas ventajas.

R. los controladores PID pueden alcanzar niveles de precisión muy altos en el control de temperatura. El sistema es capaz de rastrear y mantener el valor de consigna con la mínima desviación usando los términos PID.

B. estabilidad: en particular, el término derivado juega un papel importante en la mejora de la estabilidad del bucle. Esto ayuda a anticipar los errores y tomar acciones correcpor adelantado, reduciendo las oscil. El sistema responderá de la misma manera incluso si ocurren perturbaciones o si cambian los valores de ajuste.

C. Flexible: el algoritmo PID puede ser usado para resolver una amplia gama de problemas relacionados con el control de temperatura, desde simples sistemas de calefacción en los hogares hasta procesos industriales que requieren un estricto control de temperatura. Los parámetros Kp, Ki y Kd se pueden ajustar fácilmente para un rendimiento óptimo en diferentes condiciones de funcionamiento.