Experimenta con un controlador PID para controlar la temperatura

Understanding Temperature Control with PID: A Step by Step experiment Guide Description Meta: Learn PID Temperature Control using hands-on experiments (en inglés). Esta guía proporciona una explicación detallada de la teoría, configuración, ajuste (Ziegler Nichols manual), pruebas y análisis para ayudarle a aprender el control de procesos.

1. introducción

precisiónControl de temperaturaEs esencial en muchas industrias y para fines científicos. Esto es crucial para mantener la calidad del producto y mejorar la eficiencia en una variedad de entornos, desde el procesamiento de alimentos y productos químicos, hasta electrodomésticos e investigación de laboratorio. Entre las estrategias de control más efectivas y ampliamente utilizadas para lograr este nivel de precisión y estabilidad está el control proporcional, integral y derivado (PID). The PID controller& (en inglés)#La salida de 39;s se ajusta dinámicamente en función de las diferencias entre un punto de ajuste deseado (el objetivo) y una variable de proceso real. Esto se logra mediante la combinación de tres acciones de control diferentes, a saber, Integral proporcional y derivada. PID es una habilidad vital para cualquier ingeniero o técnico que trabaje en automatización.

Siemens Step 7 es una plataforma de programación que Siemens desarrolló para sus controladores lógicos programables. Los PLC son las unidades centrales de procesamiento de los sistemas de automatización. Ejecutan lógica de control, manejan señal de entrada/salida y realizan otras funciones. El entorno Step 7 proporciona una plataforma integrada para el desarrollo, configuración e implementación de estrategias de control. Esto incluye controladores PID. Esta guía está destinada a proporcionar una explicación detallada y detallada sobre cómo implementar y probar un sistema de control de temperatura basado en PID. Se recorrerá todo el proceso, desde la teoría fundacional hasta la configuración de hardware y software, ajuste de PID y pruebas prácticas. Este experimento pretende dar una comprensión práctica y clara del Control de temperatura PID, para que esta vital pero compleja tecnología pueda ser entendida. Este experimento dará a los estudiantes una valiosa experiencia en controles PID, afinprácticas, y cómo analizar el rendimiento del sistema.

2. Teoría general: control PID de temperatura

Es importante entender los principios fundamentales de PID como se relacionan con la regulación de temperatura antes de proceder. Comprender cómo el sistema de control PID 's componentes de trabajo dentro de un bucle es crucial para su eficacia.

Un bucle de control de retroalimentación, en su núcleo es un concepto de automatización. El bucle de control de retroalimentación se compone de varios elementos que trabajan juntos para mantener una variable en un rango particular. El bucle para el control de temperatura típicamente consiste en un sensor que mide las temperaturas actuales (la Variable PV o de proceso); Un controlador que contenga el algoritmo PID; Un accionador que controla la temperatura mediante calentamiento o enfriamiento; Y un proceso que representa el sistema real (por ejemplo, un baño de agua o un horno). El controlador compara continuamente la temperatura medida PV con el punto de ajuste deseado SP. El error es la diferencia entre los dos valores (E = PV - SP). Este error se utiliza para calcular una señal de salida que se enviará al actuador con el fin de cambiar la temperatura.

Tres acciones de control principales se integran en el controlador PID:

Control (P) proporcional: el componente produce un resultado de Control que es proporcional al error actual. Si la temperatura cae 5 grados por debajo del punto de ajuste entonces la acción p proporcionará una fracción de la potencia máxima, en proporción a la diferencia de 5 grados. La ganancia proporcional Kp se utiliza para determinar la sensibilidad de la respuesta. Los valores Kp más altos resultan en respuestas más fuertes a los errores, lo que podría conducir a ajustes más rápidos. Un valor Kp que es demasiado alto puede hacer que el sistema sea inestable, y causar que oscilar. Un Kp bajo puede causar que un sistema responda lentamente y tenga un error persistente en el estado estacionario, lo que significa que la temperatura nunca alcanza su objetivo.

Control (I) Integral: este componente Integral corriel error en el estado estacionque a menudo es dejado atrás por los controles proporcionales puros. El componente integral calcula el error acumulado y luego ajusta la salida de acuerdo. La acción integral aumenta (o disminuye) el control de salida hasta que el error ha sido eliminado. La constante de tiempo Integral Ti gobierna la velocidad de la respuesta Integral. La constante de tiempo integral (Ti) es más pequeña, lo que significa que el término desarrolla sus efectos más rápidamente. Esto ayuda a reducir los pequeños errores más rápido. Acciones integrales demasiado agresivas pueden conducir a la inestabilidad. Esto es especialmente cierto al comienzo de una acción o cuando las condiciones cambian.

Control (D) derivado: el componente predice errores futuros analizando la velocidad a la que cambia el error. El componente mide la tasa a la que un error aumenta o disminuye y toma medidas correcproporciona a esa tasa. Al contrarrestar los cambios que ocurren rápidamente en un error, la acción derivada puede ayudar a amortigulas oscil. La acción derivada también ayuda a mejorar la respuesta inicial. Las constantes de tiempo derivadas (Td), influyen en la fuerza de las acciones derivadas. La capacidad predictiva se ve reforzada por un mayor Td, pero el controlador puede ser más sensible al ruido en la medición. Esto podría causar cambios erráticos si la sintonía del controlador no se hace con cuidado.

Esta ecuación se usa a menudo para representar la salida de un control PID.

Output = Kp * E + (Ki/Td) * E dt + Kd * dE/dt

Donde:

La salida envía la señal al actuador.

E (SP-PV) es un error.

Kp representa la ganancia proporcional.

Ki representa la ganancia Integral.

Kd representa la ganancia derivada (a menudo expresada como Td).

E Dt es el error integral en el tiempo.

DE /dt es la tasa dE cambio en el error.

En innumerables aplicaciones, los controles PID se utilizan para mantener la temperatura con precisión, incluyendo sistemas de calefacción, refriger, hornos e incubadoras. El ajuste es el proceso de determinar los valores óptipara los parámetros Kp, Kd y Ki. Los controladores PID que no están sintonizados correctamente pueden tener tiempos de respuesta lentos, excesos, errores de estado estable o oscilpeligrosas. La afinde Ziegler Nichols implica determinar el período crítico y la ganancia del sistema. El ajuste Manual se basa en la observación y ajuste de los parámetros en función del comportamiento. Es importante entender estas bases teóricas para diseñar e implementar un experimento de Control de temperatura PID.

Configuración del experimento

Para un experimento bien planificado, es importante considerar el protocolo de seguridad, los materiales y equipos involucrados. En esta sección se explica la configuración y los componentes necesarios para realizar el experimento de control de temperatura con controlador PID.

Los materiales y equipos necesarios para un experimento dependen de su nivel de complejidad y recursos. Una configuración típica podría consistir en lo siguiente.

Controlador de temperatura el controlador de temperatura podría ser un módulo PID o un PLC con PID incorporado. Este controlador es el cerebro del sistema y ejecutará los algoritmos PID.

Sensor de temperatura: el Sensor mide la temperatura. Las opciones más comunes son termopares, tales como tipo K o tipo J, detectores de resistencia de temperatura, como PT100 y PT1000 o termistores. La selección se basa en rangde temperatura, precisión y tiempos de respuesta. Los sensores deben trabajar con canales de entrada en el controlador.

Un actuador es un dispositivo que influye físicamente en la temperatura de una carga. Las opciones de calentamiento incluyen módulos Peltier que se pueden utilizar para calentar o enfri, o válvulas solenoides que controlan el flujo de agua caliente. Un Peltier o ventilador podría ser utilizado para la refrigeración. Debe tener la potencia necesaria para controlar la temperatura del proceso y ser controlado por la señal de salida del controlador.

Temperatura de carga: el medio o contenedor que es controlado por la temperatura. Un vaso de precipitados de agua o un tanque, un bloque de metal o un recipiente vacío son algunos ejemplos. La carga representa el proceso a controlar.

Fuente de alimentación: se deben utilizar fuentes de alimentación adecuadas para alimentar el actuador, sensor (si se requiere alimentación externa), y controlador. Deben entregar el voltaadecuado y suficiente corriente a cada componente.

Adquisición/medición de datos: se necesitan herramientas para monitorizar el sistema#39;s performance. Los multímetros se pueden utilizar para medir voltajes o corrientes o software que está conectado a controladores y sensores (por ejemplo, a través de USB o Ethernet), para registrar datos y mostrar tendencias. Puede utilizar software como LabVIEW o Python, con las bibliotecas pertinentes (por ejemplo, pySerial y numpy), así como Step 7's instrumentos de seguimiento.

Cuando utilice un PLC o un microcontrolador, necesitará el entorno de desarrollo de Software necesario para compilar y cargar su código de control. Por ejemplo, el paso 7 proporciona bloques de funciones para los controles PID (FB41 y FB42), que se pueden configurar en el entorno de software.

Las conexiones se muestran en un simple diagrama de bloques. Muestra el sensor de temperatura conectado a un canal de entrada del controlador, el actuador conectado a la carga (a través del canal de salida), y finalmente el controlador conectado al actuador. La temperatura de la carga se llama la Variable de proceso, el punto de ajuste se conoce como el punto de ajuste y la salida del controlador se manipula Variable que es lo que afecta al actuador.

Cualquier experimento que involucrcomponentes eléctricos o manipulación de temperatura debe hacerse con la seguridad en mente. Las precauciones de seguridad son:

Los procedimientos de bloqueo /Tagout (LOTOs) deben seguirse antes de modificar o acceder al hardware.

Usar guantes resistentes al calor, gafas de seguridad y otros equipos de protección Personal.

Para evitar descargas eléctricas o cortocircuitos, asegúrese de que todas las conexiones eléctricas y cables estén bien asegurados.

Conocer la temperatura máxima que los componentes y la carga pueden alcanzar de forma segura y tomar las precauciones necesarias (por ejemplo, un cierre a alta temperatura) si es necesario.

Entender cómo apagar el sistema de forma segura en caso de emergencia.

El procedimiento

Este procedimiento describe la implementación y prueba paso a paso del sistema de Control de temperatura PID. El lector es guiado a través del montaje del hardware y software, la sintonía del controlador, así como las pruebas.

Montaje del sistema: comience conectando los componentes al controlador de acuerdo a la configuración elegida. El sensor de temperatura debe estar conectado físicamente a la entrada del controlador, el actuador debe estar conectado físicamente a la salida y las fuentes de alimentación tienen que ir a todos los componentes. Todas las conexiones deben estar seguras y cablecorrectamente. Si está usando una placa Arduino, por ejemplo, asegúrese de que el sensor (termistor u otro) está conectado al pin de entrada analógica, y luego al elemento calefactor con el transistor/mosfet apropiado y resistencia limitante de corriente al pin de salida digital.

Configuración del software

Se abrirá el entorno de software elegido (por ejemplo, paso 7, Arduino IDE o Python). Se pueden crear nuevos proyectos o espacios de trabajo.

Crear la estructura del proyecto usando el paso 7, y luego añadir los símbolos para los puntos de ajuste de temperatura, entrada del sensor, salida del actuador, parámetros PID, (Kp Ki Kd) y configuración del hardware.

Luego, añade los bloques de funciones PID (por ejemplo FB41 y FB42) en el programa. Establece sus parámetros tales como tipos de señales de entrada y salida, rangy diferenciadores (por ejemplo, 0-10V para analógico, 4-20mA o 0-32000 entero).

Ajuste el canal del sensor de entrada de modo que la tensión o corriente se escala correctamente a un valor de temperatura preciso.

Ajuste el canal de salida del actuador al valor PID calculado para que coincida con el rango de voltao rango de corriente que el actuador requiere.

El software le pedirá que introduzca un valor como punto de ajuste de temperatura inicial. La temperatura objetivo es lo que se pretende mantener.

Pruebas iniciales: realizar pruebas iniciales después de la configuración del software y hardware para verificar que la comunicación entre los dos está funcionando.

Encienda el sistema, asegurando que se han observado las precauciones de seguridad.

Lea manualmente la temperatura mostrada. Si se mide con un multímetro, ¿La lectura de la temperatura coincide con la del sensor?

Ajuste la salida manualmente (si puede, por ejemplo, mediante el envío de un voltao la configuración de un pin a alto/bajo). El actuador debe responder a sus expectativas.

Fase PID de ajuste: en esta fase, se establecen los parámetros PID (Kp). Hay dos maneras comunes de hacer esto:

Calcular el período de oscilación y la ganancia final utilizando el método de Ziegler Nichols. Establece la ganancia derivada (Kd) y la ganancia Integral (Ki) a cero. Aumentar gradualmente la ganancia proporcional (Kp), hasta que vea la oscilación del sistema con el período Pu. Este es el valor Ku. Ziegler Nichols se puede utilizar para estimar los valores iniciales de Kp, Kd, y Ki (por ejemplo, Kp = 0,6 *Ku, Kp/Ti=2*Ku, Kd = 0,5 *Ku /Pu, y Kp = 0,125 *Ku, por ejemplo). Ziegler Nichols funciona mejor en sistemas de primer orden.

Ajuste Manual: comience con los valores iniciales de Kp, Kd y Ki. Estos pueden basarse en reglas generales o experiencia pasada. Cambie el punto de ajuste en un pequeño paso (por ejemplo, cambiar la temperatura SP a su nuevo objetivo) y observe la respuesta del sistema. Lograr un buen tiempo de respuesta sin rebasar mediante el ajuste de Kp. Introduzca Ki, comenzando con un valor bajo para reducir los errores de estado estacionario. Finaly, añadir Kd a la ecuación (a partir de un valor bajo), con el fin de reducir las oscilaciones. Muchas veces, este proceso requiere varias iteraciones.

Pruebas del sistema: después de la puesta a punto inicial, realizar pruebas más exhauscon el fin de evaluar el rendimiento de su sistema en diversas condiciones.

Prueba de respuesta escalon: cambiar el punto de ajuste en los pasos (por ejemplo, pasar de 25degC a 50degC). El software se puede utilizar para registrar las temperaturas en el tiempo. Mida y observe indicadores clave de rendimiento, incluyendo: el tiempo de ascenso, el rebasdel pico, el tiempo de asentamiento y el error de estado estacionario.

Prueba de perturbación: crear una perturbación en el sistema. Si usted está usando un baño de agua caliente, por ejemplo, reemplazar una gran cantidad con frío o viceversa. Observa cómo responde. Observe cuán rápido alcanza el valor de ajuste y si es estable. Anote los datos de respuesta. Esta simulación simula un escenario de la vida real donde las condiciones del proceso pueden cambiar repentinamente.

Registro de datos: mantenga un registro meticulde todos los datos durante las fases de ajuste y prueba. Se incluyen los valores del parámetro PID (Kp Ki Kd) elegidos, puntos de ajuste, mediciones de temperatura (pasos y perturbaciones), así como cualquier observación. Se recomienda utilizar las características gráficas del software para mostrar el controlador y salidas de temperatura en el tiempo. Esto proporciona una excelente representación visual.

Análisis de datos y resultados

Esquema: registro de datos, trazado de gráficos, análisis de la respuesta escalon(KPI, impacto de las ganancias), análisis de la respuesta a la perturb, discusión de la experiencia de ajuste.

Contenido:

Para evaluar el controlador PID#39 y eficacia, los datos recogidos deben clasificarse y analizarse. Esta sección está dedicada a la interpretación de resultados.

A. A.

Los datos deben presentarse de manera sistemática. Se pueden crear tablas para seguir los parámetros del PID (Kp Ki Kd), puntos de ajuste, respuesta de temperatura (PV), así como la salida del controlador (MV). Utilice la función de tendencias de software como Step 7 Comfort y WinCC Comfort para crear gráficos que muestran la curva de temperatura y la señal de control.

B. B. Plotting the Results (en inglés)

Crear gráficos claros que ilustran claramente el rendimiento de su sistema. En un gráfico de respuesta de paso típico, la temperatura se traza (eje y), contra el tiempo (eje x). Para una comparación fácil, puede trazar tanto la respuesta de temperatura como el punto de ajuste deseado en el mismo gráfico. Un gráfico de la respuesta A la perturbmostrará las variaciones de temperatura con el tiempo. Asegúrese de que los ejes y el título reflejan con precisión el experimento. Como ejemplo: "análisis de respuesta de paso: control de temperatura con controlador PID sintoni."

C. analizar la respuesta paso a paso

El análisis de respuesta de paso se utiliza para evaluar la capacidad del sistema para alcanzar rápida y exactamente el punto de ajuste. El rendimiento se cuantifica utilizando indicadores clave de rendimiento.

Tiempo de subida: tiempo necesario para que la temperatura alcance por primera vez el punto de ajuste. En general, un tiempo de elevación más corto indica una reacción más rápida.

Desbormáximo máximo: la máxima desviación de la temperatura desde el punto de ajuste. Los excesos que son excesivos pueden causar daños al equipo o proceso.

Tiempo de ajuste: un período de tiempo necesario para mantener la temperatura dentro del rango especificado de tolerancia alrededor del valor de ajuste. El sistema se estabilimás rápidamente si el tiempo de sedimentes más corto.

Error de estado estable: diferencia entre la temperatura final y el punto de ajuste, después de que el sistema se establece. Errores más pequeños indican un mejor controlador.

Calcula los KPI usando la gráfica de respuesta de paso. Discusión de los valores observados y su relación con la afinación. ¿Se caracteriel sistema por un tiempo de subida rápido, un rebasmínimo y un error de estado estacionbajo? ¿Cuál fue el impacto de estos parámetros PID en los KPI? Por ejemplo, el aumento de Kp podría reducir los errores de estado estacion, pero aumentar el exceso de potencial. La acción derivada (Kd), si ocurrió, probablemente amortiguó las oscil.

D. Analizar la respuesta a las perturbaciones:

La robustez del sistema se examina en este análisis. Después de la perturbación, ¿Qué tan rápido regresó la temperatura a su punto de ajuste? Se cree que un sistema bien diseñado tiene una desviación baja con una recuperación rápida. Discusión de los resultados y su relación con el procedimiento de ajuste. ¿Qué era el controlador PID#39;s capacidad para mitigar la perturbación?

E. discusión sobre la experiencia de afinación

Considere el aspecto práctico de afinar un controlador PID. Describa el proceso de afiny las dificultades encontradas. ¿Fue necesario un ajuste manual o el método de Ziegler Nichols funcionó bien como punto de partida? El ajuste iterativo es un buen tema a discutir