Implementación y pruebas del proyecto controlador de temperatura PID

Meta descripción (Meta descripción: aprender a construir y probarControl de la temperatura PIDProyectos. Esta guía incluye la selección de hardware, implementación de software, técnicas de ajuste de PID y evaluación de rendimiento para el control térmico.

I. I. introducción

 The proportional-integral-derivatives (PID) control algorithm (en inglés). El artículo explora un controlador PID en detalle. El artículo comienza con una discusión de los principios básicos que sustentan los controles PID. A continuación pasa a la fase crítica de definición y especificación del proyecto. Luego, se discute el proceso de selección e integración de componentes clave de hardware. Luego se explica cómo el algoritmo PID puede ser implementado dentro de la plataforma de software seleccionada. El artículo también examina el proceso crucial de ajuste del PID y los métodos para probar y evaluar el rendimiento del sistema. El artículo concluye examinando los desafíos futuros y las posibles vías de desarrollo. El propósito de esta visión general es proporcionar a los lectores una comprensión del diseño, implementación y aspectos de operación de un proyecto controlador de temperatura PID. Demostrará su aplicación práctica con un enfoque paso a paso.

II. The PID Control Algorithm: Understanding it (en inglés)

El algoritmo PID es un potente y flexible sistema de control de retroalimentación. El algoritmo de control PID está diseñado para ajustar una entrada del sistema, por ejemplo, la potencia de un calentador, para regular la variable de proceso. PID es ampliamente usado porque usa tres acciones de control diferentes que cada una dirige un aspecto específico del error. Las tres acciones de control, Integral proporcional y derivada, se integran secuencialmente.

Acción proporcional P: este componente produce una señal de salida directamente proporcional a la magnitud del error. La diferencia entre la temperatura de ajuste deseada y la temperatura realmente medida por el sensor es la señal de error. Un error mayor resultará en una salida proporcional más alta. Su objetivo principal es corregir la variable en primer lugar, acercándola a su punto de ajuste. Sin embargo, usando sólo acciones proporcionpuede conducir a un error de estado estacionario. La temperatura final puede no coincidir con el punto de ajuste con precisión debido a los retrasos del sistema y las condiciones incambiantes.

Acción Integral (I): el componente Integral se utiliza para eliminar el error persistente en el estado estacionario. El componente integral calcula la suma en el tiempo de las señales de error. El término integral aumentará (o disminuirá) la señal de salida si el error continúa, sin importar cuán pequeño sea. Esto empuja la variable de proceso más cerca del valor de ajuste. El sistema alcanzará eventual la temperatura fijada si el actuador puede superar la fuerza de oposición. Si no se ajusta cuidadosamente, un término integral puede introducir oscilación o retraso.

Acción derivada (D), este componente derivado se basa en la tasa de cambio en la señal de error. La salida se basa en la tasa de cambio en el error. La derivada produce una señal de salida que es significativa si el error aumenta o disminuye rápidamente. Esto ayuda a anticipar desviaciones futuras, y amortigua oscilpotenciales. Mejora la capacidad de respuesta y la estabilidad, especialmente en sistemas que son propensos a la inestabilidad o sobredisparo debido a cambios rápidos.

Esta combinación de tres acciones permite a un controlador de temperatura PID responder adecuadamente a los errores actuales, aprender de los errores anteriores y anticipar los futuros, logrando así una alta precisión y estabilidad en la regulación de la temperatura. Esta base algorítes esencial para entender las capacidades de los controladores PID y su correcta implementación en entornos de proyecto.

III. Las especificaciones y requisitos del proyecto

Es importante definir claramente los objetivos y las restricciones antes de comenzar el montaje del hardware y el desarrollo del software. En esta etapa, se determinan los objetivos de control, las métricas de rendimiento y los requisitos de software/hardware.

Los objetivos de Control definen claramente lo que el sistema debe regular. El proyecto puede tener como objetivo regular la temperatura del aire en pequeños recintos, mantener la temperatura del agua dentro de un cierto rango o controlar la temperatura de los componentes electrónicos para evitar el sobrecalentamiento. Esta elección del objetivo influirá directamente en los componentes seleccionados y en el diseño general.

El rendimiento deseado es un objetivo cuantitativo que el sistema debe alcanzar. La temperatura objetivo (punto de ajuste), la precisión o tolerancia aceptable (por ejemplo, + -0,5degc), el tiempo de respuesta requerido, y la capacidad del sistema para resistir las perturbaciones de carga son todos incluidos. Estas especificaciones proporcionan un estándar contra el cual evaluar el rendimiento del sistema.

Los requisitos de hardware son una lista de los componentes físicos que deben usarse. Esto incluye los sensores de temperatura, microcontroladores o unidades de control, actuadores (elementos de calefacción o mecanismos de refrigeración), fuentes de alimentación adecuadas, y posiblemente una interfaz de usuario (pantalla o botones). Determinar los requisitos de hardware de antemano ayuda a guiar la selección de componentes, y también asegurar la compatibilidad.

Los requisitos de software definen las herramientas y entornos requeridos. Podría estar basado en la potencia de procesamiento, la capacidad de entrada/salida, el costo y la facilidad de uso de un microcontrolador particular (por ejemplo, Arduino Uno/Nano/Mega ESP32 Raspberry Pi STM32). Alternativamente, se podría usar un módulo PID o un controlador lógico programable. La plataforma de software determina tanto el lenguaje de programación como el entorno de desarrollo.

Las fases de diseño, ejecución y ensayo pueden orientarse más eficazmente definiendo las especificaciones y requisitos del proyecto en la fase inicial. Esto aumentará las posibilidades de crear un control de temperatura PID funcional y exitoso.

IV. Componentes de Hardware

Termopares son ampliamente utilizados porque pueden medir temperaturas en un amplio rango y tienen un precio relativamente bajo. Los termopares funcionan midiendo la tensión creada en la intersección de dos metales. Cuando se utiliza con controladores digitales, los termopares requieren acondicionamiento de señal como Leng Jie DianBu Chang (compensación de Unión fría) o circuitos de linearización.

Detectores de temperatura de resistencia: proporcionan mayor precisión y mayor estabilidad que los termopares a bajas temperaturas. El PT100 y PT1000 se basan en el cambio de resistencia eléctrica de un material metálico (por lo general, platino). Los RTDs son más lineales en respuesta, pero también pueden ser más costosos que los termopares.

Los termistores son conocidos por sus altas sensibilidades, particularmente dentro de un cierto rango de temperatura. Los termistores tienen un coeficiente de temperatura positivo o negativo. Los termistores tienden a ser menos caros que los RTDs, pero tienen un rango de temperatura más pequeño. También son menos lineales.

Este controlador es el cerebro del sistema y realiza los cálculos PID. En el pasado, se utilizaban controladores de hardware dedicados y PLC. Los microcontroladores se utilizan en muchos proyectos modernos debido a su flexibilidad, asequiy apoyo de la comunidad. Debido a su simplicidad y grandes bibliotecas, Arduino Uno (basado en Atmel AVR) es una opción popular para proyectos de bricolaje. El ESP32 tiene integrado Wi-Fi, Bluetooth y permite la integración IoT. Los microcontroladores STM32 son más adecuados para aplicaciones que requieren una mayor potencia de procesamiento. También tienen periféricos avanzados. La decisión se basa en la complejidad del proyecto, el presupuesto y los requisitos de procesamiento. Un controlador PLC o un módulo PID dedicado puede ser utilizado en su lugar, que ofrece una mayor fiabilidad, características industriales, pero es más caro. Es importante que el controlador tenga suficientes capacidades de entrada/salida (e/s), para permitirle comunicarse con el sensor y el actuador.

El actuador es un componente que recibe un comando de salida y lo convierte en un acto físico que cambia la temperatura del proceso.

 Operación segura es importante utilizar conectores y cableque estén correctamente instalados.

Aunque no es esencial para el funcionamiento básico del sistema, una interfaz de usuario puede mejorar las capacidades de diagnóstico y usabilidad. La pantalla normalmente incluirá una pantalla LCD u OLED para mostrar el estado del sistema, los valores de error, la temperatura de ajuste y el valor actual. Los potenciómetros se utilizan para ajustar manualmente los parámetros, como ajustar las ganancias del PID. Los botones se pueden utilizar para establecer los modos setpoint y switch. Los indicadores de estado tales como LEDs pueden indicar la potencia, la condición de error, o el estado del actuador. Un sistema simple puede funcionar sin una interfaz, pero se recomienda una básica para probar y ajustar el sistema.

Una carcasa adecuada protegerá los componentes del hardware contra elementos ambientales como polvo, humedad y daños físicos. Esto puede mejorar la fiabilidad y durabilidad del sistema.

El siguiente paso, después de seleccionar y ensambllos componentes de hardware, es implementar el algoritmo PID en la plataforma de software. Esto implica escribir código para leer los datos del sensor, calcular la salida del PID y controlar el actuador. Las plataformas de Software tienen un impacto significativo en el proceso de desarrollo.

Las plataformas de Software ofrecen una amplia gama de opciones. Debido a la Arduino's facilidad de uso, la gran comunidad de soporte, y la disponibilidad de bibliotecas, microcontroladores como el Arduino son muy populares en proyectos de bricolaje. El IDE de Arduino simplifica el proceso de escritura del código y su carga. Plataformas como el ESP32, que tiene capacidades WiFi y Bluetooth incorporadas y es adecuado para proyectos complejos (y proporciona más poder de procesamiento) también son opciones. Python en un microcontrolador o computadora con las librerías apropiadas, como pyautotune (para auto-tuning) y numpy (para operaciones numéricas), puede ser preferible para proyectos que requieren robustez. Los paquetes de controladores PLC o PID comerciales pueden ser usados en algunos proyectos. Depende de la complejidad del proyecto, si el programador tiene experiencia con la plataforma y qué funcionalidad requiere.

El diseño de Software usualmente involucra un número de módulos clave. En primer lugar, el módulo leerá los datos del sensor. Si usted está usando un Arduino, esto podría implicar la lectura de valores analógicos usando ADCs (analog to Digital Converters). El código para los sensores digitales podría leer datos usando protocolos como I2C o SPI (por ejemplo, un sensor RTD). El código debe contener las fórmulas de calibrapropiadas para convertir los datos del sensor crudo a una lectura significativa de la temperatura (por ejemplo, degC o − F).

La implementación de los algoritmos PID es el núcleo del software. En la estructura del código, se definen los parámetros del PID (Kp Ki Kd). Estos serán ajustados durante la etapa de ajuste. El algoritmo determina la diferencia (el valor de ajuste y la temperatura medida) para calcular el error. El código utiliza este error para calcular la contribución de los términos integral, derivada y proporcional. * es el término proporcional. El término Integral se calcula sumando los errores en el tiempo. Este término se puede evitar que crezca demasiado usando una técnica de cuerda integral. El método más común es utilizar un "total acumulado" Donde el error se añade con el tiempo y luego se establece una limitación. Esta estimación derivada se obtiene dividiendo * (error-previous_error)/time_interval. Este error anterior será almacencomo una variable. La suma de los tres términos calculados es qué representa la salida. La señal de salida debe asignarse a la señal de control del actuador.

El código para el control del actuador traduce el controller's salida calculada en un mensaje que puede ser entendido por el actuador. El código, por ejemplo, utiliza la salida calculada para determinar el ciclo de trabajo de PWM para controlar el elemento calentusando un MOSFET. Este valor suele estar entre 0 y 255 en un Arduino. El código utilizará la salida calculada (a menudo un valor entre 0 y 255 para un Arduino) para determinar el estado del pin digital. Esta función de asignación coincide con la gama de salida del controlador a los requisitos del actuador.

El código para una interfaz de usuario debe manejar entradas, como el ajuste del punto de ajuste (tal vez a través de botones o potenciómetros) y mostrar información relevante en el módulo de pantalla (por ejemplo, la temperatura actual, el punto de ajuste y el error).

Esta secuencia se repite en un intervalo predeterminado por el bucle de control principal (por ejemplo, usando Loop () en Arduino, o estructuras similares) con el fin de lograr un bucle de retroalimentación continuo. Declarar variables para mantener las lecturas del sensor y otros datos como el valor de valor de consigna, error o error anterior, cálculo integral, componentes derivados y salida final. La modularidad se puede lograr mediante el uso de funciones (por ejemplo, una función de lectura, una función de actuador, y una función de cálculo PID).

Las etapas iniciales del desarrollo son críticas para pruebas y depuración. Las instrucciones de impresión pueden ser incluidas en el código (por ejemplo serial.print() para Arduino) que muestran los valores del sensor, los números de error, y los resultados calculados para permitir el ajuste manual. En la versión final, estos serían eliminados o reemplazados por una función de visualización adecuada.

VI. Instalación y montaje del sistema

Después de la selección de los componentes de hardware y la escritura del código de software, la fase siguiente es el montaje físico y la configuración para la operación. La atención a los detalles es necesaria para garantizar la seguridad y el buen funcionamiento.

Conectar los componentes es el primer paso en el montaje de un sistema. La conexión de los componentes comienza con la conexión de los sensores. Los sensores están típicamente conectados a la entrada analógica o pines digitales del controlador. Los pines de salida del controlador (por ejemplo, pines analógicos para PWM o pines digitales para la conmutación de relés) están conectados a los actuadores. Los pines de las fuentes de alimentación deben estar conectados a las entradas de alimentación del controlador, y las necesidades de alimentación del sensor. Información de seguridad importante: verifique sus conexiones antes de aplicar la alimentación. El cableincorrecto puede dañar los componentes. Todas las conexiones deben estar aisladas y seguras. Para sensores y circuitos digitales, la puesta a tierra es esencial para un funcionamiento fiable.

Los componentes deben instalarse en una carcasa adecuada. Podría ser en forma de una caja de proyecto, o incluso una configuración que se diseña a medida. El montaje protege los componentes contra el contacto accidental o las influencias ambientales. Es importante colocar el controlador en una zona con flujo de aire adecuado. Las bridas de cables y las mangas se pueden utilizar para manejar los cables de forma ordenada.

El código de Software puede ser compilen en un ordenador o descargado al microcontrolador. El código debería estar libre de errores. Las pruebas simples implican la conexión de los tres componentes más importantes: el sensor, el controlador y el actuador. Luego son probados para verificar la funcionalidad básica, como si el controlador puede leer el sensor o controlar el actuador.

7. Proceso de ajuste del PID

La afinación correcta de un controlador PID es esencial para lograr el rendimiento deseado. El sistema puede ser inestable (formas de onda excesivas), lento para responder, o no alcanzar el punto de ajuste deseado. La afinación es el proceso de encontrar valores para parámetros Kp proporcion, Integral Ki y derivados Kd con el fin de optimizar el comportamiento del sistema. El cambio iterativo de estos parámetros es parte del proceso de ajuste. Métodos de afinque son comunes:

Control proporcional a (P):

Una expresión proporcional genera un resultado que es directamente proporcional con el error. La ganancia proporcional aumenta la respuesta del sistema a un error. Esto conduce a una corrección más rápida. El objetivo del término proporcional es mover la variable de proceso hacia el setpoint. Su objetivo principal es corregir la variable en primer lugar, acercándola al objetivo. Sin embargo, usando solo control proporcional puede conducir a un error de estado estacionario. La temperatura final puede no coincidir con el punto de ajuste con precisión debido a los retrasos del sistema o condiciones de carga constantes. La salida signal&#La magnitud 39;s es determinada por la ganancia proporcional. Un Kp más alto resultará en una reacción agresiva, mientras que un Kp más bajo producirá una respuesta gradual. La salida signal&#La magnitud 39;s es determinada por la ganancia proporcional. Un Kp más alto resultará en una reacción agresiva, mientras que un Kp más bajo producirá una respuesta gradual. La salida signal&#La magnitud 39;s es determinada por la ganancia proporcional. Un Kp más alto resultará en una reacción agresiva, mientras que un Kp más bajo producirá una respuesta gradual. La salida signal&#La magnitud 39;s es determinada por la ganancia proporcional. Un Kp más alto resultará en una reacción agresiva, mientras que un Kp más bajo producirá una respuesta gradual. La salida signal&#La magnitud 39;s es determinada por la ganancia proporcional. Un Kp más alto resultará en una reacción agresiva, mientras que un Kp más bajo producirá una respuesta gradual.

Control Integral (I): usando el término Integral, el Control puede corregir el error en el estado estacionque puede ser dejado por los términos proporcionales. La ganancia Integral (Ki), que determina la velocidad a la que el controlador puede corregir este error, está determinada por la ganancia Integral. El término integral se utiliza para calcular el error acumulado total. El término integral aumentará (o disminuirá) la señal de salida si el error continúa. Esto empuja la variable de proceso más cerca del valor de ajuste. El sistema eventualmente alcanzará la temperatura de punto de ajuste si el actuador es capaz de superar todas las fuerzas opuestas. La ganancia Integral (Ki), que es la cantidad de tiempo que el controlador reacciona a un error, determina la fuerza con la que lo hace. Un Ki más alto resultará en una eliminación más rápida de los errores de estado estacionario, mientras que un Ki más bajo conducirá a respuestas más lentas. La ganancia Integral (Ki), determina la fuerza del controller's respuesta al error. Un Ki más alto significa una corrección más rápida del error del estado estacionario. Un Ki más bajo indica una respuesta más gradual.

Control (D) derivado: este Control derivado proporciona acciones correcbasadas en qué tan rápido está cambiando el error. Esto ayuda a mejorar la respuesta del sistema cuando hay perturbaciones.