Sensor de temperatura del controlador PID

Yo. I. introducción

Antes de la llegada de los sofisticados algoritmos de control como PID (proportional-integral-deriv), métodos más simples eran comúnmente empleados para la regulación de la temperatura. El más simple es un sistema on-off que enciende el calentador cuando la temperatura cae por debajo de un umbral, y lo apaga cuando se cumple el umbral. Este método es simple, pero puede resultar en grandes variaciones de temperatura, que oscilan repetidamente alrededor del preajuste. El sistema es incapaz de diferenciar entre los cambios de temperatura y los errores de magnitudes variables. Sólo responde si la temperatura cruza un límite establecido. Un método un poco más sofisticado es un control proporcional por el cual la tasa de calentamiento se cambia en relación con la desviación de temperatura del objetivo. Este método es propenso a errores de estado estacionario, lo que significa que la temperatura alcanzada al final del proceso puede estar ligeramente por debajo del punto de ajuste. El calentador debe funcionar constantemente para compensar este error. Los enfoques más simples carecen de finura y estabilidad para aplicaciones que requieren un control estricto de la temperatura.

C. C. Introduction to closed Loop control: A robust strategy for PID control (en inglés)

El control PID surgió como una solución eficaz y sofisticada para la regulación de temperatura. El controlador PID es una pieza clave en el control de procesos moderno e it's utilizado en muchas industrias debido a su flexibilidad y robustez. El sistema de circuito cerrado es la base de su funcionamiento. Esto implica medir continuamente la variable de proceso real -- en este contexto, la temperatura -- comparándola con la temperatura deseada del punto de ajuste, calcular el error entre los dos, y luego generar una señal de salida que actúa en un actuador para minimizar este error. PID's "proporcional", "Integral" Y "derivados" Trabajar juntos para lograr esto, y proporcionar un nivel de control que es muy superior a los métodos más simples como on-off. PID es la mejor opción cuando las aplicaciones requieren altos niveles de precisión, estabilidad y respuesta.

D. El sensor de temperatura: la entrada fundamental para un Control exacto del PID

El sensor de temperatura es un componente crucial del controlador PID. El sensor es el elemento sensorial básico que proporciona los datos en tiempo real requeridos por el controlador. El sensor' función principal es convertir la propiedad física de la energía térmica - temperatura - en una señal eléctrica que puede ser medida y procesada por el sistema de control. La corriente PV está representada por esta señal eléctrica. Puede ser en forma de variación de volta, cambio de resistencia, frecuencia o valor digital. El controlador PID no podrá hacer cálculos sin un sensor de temperatura preciso. La calidad, la precisión y la estabilidad están directamente relacionadas con la eficacia y el rendimiento del sistema PID. Seleccionar el sensor de temperatura adecuado y asegurarse de que está correctamente integrado son pasos cruciales para un sistema de control de temperatura PID exitoso.

E. El propósito de este artículo es explicar la relación entre sensores de temperatura y controladores PID para una efectiva gestión térmica.

Este artículo y#El objetivo principal del 39 es explorar la relación entre los sensores de temperatura y los controladores PID. Nuestro objetivo es explicar por qué los sensores de temperatura son esenciales para los controles PID y cómo funcionan juntos. Este artículo explicará los principios fundamentales de PID, incluyendo los términos P, I y D. El artículo examinará los varios sensores de temperatura que se usan comúnmente con los sistemas de control PID y discusus ventajas y limitaciones. El artículo también explora los aspectos prácticos de la integración de sensores de temperatura con controladores PID, incluyendo el acondicionamiento de señales, protocolos de comunicaciones y cálculo de Variables de proceso (PV). Entender esta sinergia ayudará a los lectores a obtener una mejor comprensión de las complejas estrategias de control utilizadas en los sistemas de gestión térmica. y#39; también estará más preparado para diseñar, instalar y solucionar problemas de estos sistemas.

II. Understanding PID Control for Temperature Regulation (en inglés)

PID se basa en la idea de un bucle de retroalimentación de control. El bucle se compone de componentes interconectados que trabajan juntos para mantener la variable de proceso, en este caso la temperatura, en un punto de ajuste. La estructura básica incluye lo siguiente: 1) Sensor: Mide la temperatura actual, o PV (Variable de proceso), y la convierte en una señal eléctrica. Setpoint: Es la temperatura objetivo o deseada definida por los usuarios o procesos. Controlador: Es el algoritmo PID real, que puede ser implementado en un controlador industrial dedicado o microcontrolador. El controlador recibe las mediciones del sensor (PV), las compara con los Setpoints (SP), calcula el error (E = SPD - PV), y luego determina una señal de control que es apropiada basada en términos PID. Actuador: Al recibir la señal del controlador, este componente traduce el comando en acciones físicas que afectarán la variable de proceso. El actuador en un sistema de control de temperatura es generalmente un componente de calefacción (como resistores o bloques de calefacción) que se controla mediante el ajuste de la potencia, o elemento de refrigeración. Esta salida luego afecta a la temperatura que está siendo medida por los sensores. El circuito cerrado - medidas del Sensor - > Error de cálculo - > Controlador calcula - > Reacciona el actuador - > Cambios de temperatura - > Medido de nuevo por el sensor - forma un ciclo continuo, auto-corrección.

1. Proporcional: Respuesta al error actual (diferencia entre valor de ajuste y Variable de proceso).

Este término produce un resultado de control que es directamente proporcional con el error actual entre Setpoint (SP), y Process Variables (PV). Se puede expresar matemcomo P_output=Kp*E, donde Kp representa la constante de ganancia proporcional. El término proporcional es system&#Reacción de 39;s cuando detecta a qué distancia del valor de ajuste se encuentra la temperatura actual. La señal de control es más fuerte cuando el error es mayor. Esto indica un intento más agresivo de acercar la temperatura al punto de ajuste deseado. Si la temperatura de la habitación es más baja de lo deseado, la salida será grande, y más calefacción puede ser necesario. Por el contrario, cuando la temperatura se acerca al punto de ajuste deseado, la salida proporcional es pequeña. Aunque el control proporcional es una respuesta necesaria y inicial, puede conducir a errores de estado estacionario. El sistema puede alejarse de su punto de ajuste exacto con el tiempo debido al esfuerzo de control insuficiente.

Fu Zhi Dai Ma 2. **Integral):** eliminar errores de estado constante con el tiempo. El concepto Integral aborda los errores de estado estacionque pueden ser dejados sin corregir por la proporcional. Esto se hace sumando los errores con el tiempo, y luego tomar una corrección basada en ese valor. It's matemáticamente representado por I_output = E dt * Ki, donde E dt es el error integral del tiempo. El término integral se añade a la salida del controlador siempre y cuando haya un error, no importa cuán pequeño. La adición constante hace que el actuador realice ajustes continuos (por ejemplo, aumentar ligeramente el calentamiento), hasta que se haya eliminado el error. Es útil para compensar las derivas y las perturbaciones durante un largo período de tiempo que los términos proporcionales pueden no ser capaces de superar. Si el término integral se vuelve demasiado grande, esto puede causar oscile inestabilidad, particularmente si hay un cambio rápido en el error. 3. ** derivada (D):** anticipar errores en el futuro basados en la tasa de cambio. El término derivado es un componente que predice la acción. El término derivado calcula la tasa dE cambio dE error (dE/dt), y luego usa esa información para predecir errores futuros. It's matemáticamente representado por D_output = dE/dt * Kd, donde Kd representa la constante dE ganancia derivada. Amortigua la respuesta del sistema, particularmente cuando el error cambia rápidamente. La salida derivada será negativa si la temperatura aumenta rápidamente y el sistema está a punto de sobrepasar el valor límite. Esto ayuda a detener el exceso. En el caso contrario, si la temperatura disminuye rápidamente, la derivada producirá un resultado positivo, lo que fomenta que el calentamiento vuelva más rápidamente. Esta acción predecirory mejora el tiempo de respuesta, estabiliza el sistema y reduce overshoots y undershoots. La ganancia derivada debe ser ajustada cuidadosamente, ya que demasiada derivada puede causar ruido para entrar en la señal de control.

C. El PID mejora el control de temperatura: precisión, estabilidad y un tiempo de respuesta más rápido en comparación con los métodos básicos.

El controlador PID ofrece muchas ventajas a otros métodos de control de temperatura, como los controles proporcionproporcionbásicos, especialmente cuando la precisión, respuesta y estabilidad son importantes. La combinación de los términos P, I y D permite que el controlador responda apropiadamente La corriente Temperaturas, para corregir anterior La integración y a predict Las tendencias futuras utilizando la diferenciación. La sinergia tiene varios beneficios.

Primero, Mayor precisión Se puede lograr por el término integral. Elimina errores en el estado estacionque a menudo se dejan sin resolver con métodos más simples. El término derivado amortigua las oscil, previrebasy mejora Estabilidad, especialmente en situaciones de cambios de carga o perturbación. Tiempos de respuesta más rápidos A menudo son posibles, porque el controlador es capaz de hacer correcciones agresivas (mayor ganancia de P), mientras se mantiene la estabilidad (plazo d). El sistema PID también es robusto y puede usarse en un amplio rango de condiciones. Esto lo hace ideal para procesos que son dinámicos, donde las necesidades de calefacción pueden cambiar. PID es el control preferido para aplicaciones que requieren precisión y confiabilidad.

D. Parámetros importantes: Error (salida), punto de ajuste, proceso Variable (PV),

Es importante entender los términos usados en el sistema de control de bucle PID si quieres entender completamente cómo funciona. Los parámetros primarios incluyen:

·Setpoint: El punto de ajuste es la temperatura que el sistema pretende mantener. Esta es la temperatura fija establecida por un operador o una lógica de proceso.

· variable de proceso (PV),: es la temperatura medida obtenida por el sensor de temperatura. El controlador PID monitorea continuamente el valor de la entrada.

·Error: La cantidad fundamental es calculada por el controlador. El error (E) es la diferencia entre Setpoint y Variable de proceso. Error positivo muestra que la temperatura en realidad es más baja que el valor de consigna. El error negativo es lo opuesto. Error cero es lo mismo.

· controlador de salida: La señal se genera usando el algoritmo PID basado en error calculado, P, I y D términos. La señal de salida será enviada al actuador. Este resultado#39;s naturaleza (voltao corriente) depende de cómo se configuran el controlador y el actuador. Esta salida es a menudo un ciclo de trabajo en sistemas Arduino que utilizan PWM.

III. ¿Cuál es el papel crítico de los sensores de temperatura?

A. La función del sensor térmico es convertir la energía térmica (temperatura) en una señal eléctrica que se puede utilizar. )

Cualquier sensor de temperatura &#Su función principal es convertir la propiedad térmica física de su entorno en una señal eléctrica. La conversión se puede hacer en una variedad de maneras. RTDs y termistors, por ejemplo, producen cambios de resistencia que se pueden medir con un puente de Wheatstone. Algunos sensores producen un voltavariable que cambia con la temperatura. Dependiendo de la temperatura, ciertos sensores como termopares producen un voltaen la Unión entre dos metales. Algunos sensores digitales emiten una señal de frecuencia (por ejemplo, algunos RTDs o DS18B20), mientras que otros proporcionan una palabra en formato digital que representa la temperatura. Estos datos térmicos no pueden ser usados directamente por el controlador PID. Requiere una salida eléctrica, que luego procesa (por ejemplo, a través de ADCs para sensores analógicos), para obtener un valor numérico (el PV) que representa la temperatura.

B. La importancia de la medición precisa: impacto directo en el rendimiento PID (los cálculos PID dependen de la entrada exacta).

Los sensores de temperatura tienen un impacto en el rendimiento general del sistema. El algoritmo PID se basa en PV para determinar el error y luego calcular E = SP - PV. Cualquier ruido o imprecisión introducida por el sensor de temperatura se amplificará. El controlador PID hará los ajustes equivocados si el sensor constantemente reporta una lectura ligeramente mayor o menor. Esto resulta en un sistema que se controla bien lejos de su punto de ajuste deseado. El tiempo de respuesta, o la rapidez con la que el sensor reacciona a los cambios de temperatura, también juega un papel importante. Es posible que un sensor lento no dé a los controladores PID la retroalimentación necesaria para manejar procesos con cambios rápidos. Por lo tanto, es crucial seleccionar un sensor que tenga las características correctas de precisión, respuesta y resolución. Esto le permitirá lograr un control de temperatura preciso y fiable con PID.

C. Control de temperatura: Sensor de precisión y requisitos de resolución

Los sensores de temperatura se pueden clasificar por su precisión Lo que muestra hasta qué punto la lectura del sensor se ajusta a la temperatura. Resolución resolución Describe los pequeños cambios de temperatura que el sensor es capaz de distinguir. Tanto la precisión como la resolución juegan un papel importante en el control fiable de la temperatura PID. Esto es especialmente cierto para aplicaciones que requieren una estrecha tolerancia. Los requisitos de precisión dependen en gran medida de las aplicaciones específicas. Como ejemplo, la precisión necesaria para controlar la temperatura en un Hotend de una impresora 3D podría ser tan baja como +-1degC mientras que la precisión necesaria para mantener la temperatura en una incubsolo podría necesitar + -0,5degc. La resolución de un sensor se expresa a menudo en bits. Por ejemplo, si el sensor emite 1024 valores discretos, la resolución será de 10 bits. Una resolución más alta proporcionará un nivel más fino de control, pero debe ser acoplcon un controlador que puede manejar la precisión añadi. Para asegurar que el sistema PID funcione efectivamente, las especificaciones del sensor deben coincidir con los requisitos de la tarea.

D. Selección de un sensor: rango de temperatura, precisión y tiempo de respuesta. Coste, condiciones ambientales. Requisitos de interfaz.

Al seleccionar el sensor de temperatura adecuado, es importante tener en cuenta varios factores.

1. Rango de temperatura: El Sensor debe ser capaz de medir dentro del límite de temperatura operacional de la aplicación. Un sensor que está demasiado lejos puede resultar en un daño permanente.

2. Resolución y precisión: Como se ha comentado anteriormente, la precisión del sensor debe satisfacer las necesidades de la aplicación. También, las consideraciones de calibrdeben ser tomadas en cuenta.

3. Tiempo de respuesta: Los sensores deben responder rápidamente a la retroalimentación, permitiéndoles mantener el ritmo con la tasa de calentamiento/enfriamiento. Una respuesta lenta puede dificultar el rendimiento de la EIP.

4. Precio: Las restricciones presupuestarias a menudo afectan la decisión, ya que equilibrel el rendimiento y el precio.

5. Condiciones ambientales: Los sensores deben cumplir los requisitos de su entorno operativo (por ejemplo, humedad, vibración, luz solar en sol directo). Ciertos sensores son más fuertes que otros.

6. Requisitos de interfaz: Las señales de salida del Sensor (tensión/corriente analógica o comunicación digital en serie), deben ser compatibles (por ejemplo Arduino ADC's para sensores analógicos y bibliotecas de software para sensores digitales) con controladores. Esta sección describe los tipos más comunes de sensores, junto con sus características.

E. Interfaz del Sensor: si es requerido por los tipos de sensores o controladores, se realiza el acondicionamiento de la señal (amplificación y filtrado de señales, compensación de Unión fría, CJC).

Puede ser necesario procesar las señales del sensor antes de que sean leídas por el controlador. Esto asegurará que las mediciones realizadas sean exactas. Este proceso se llama Acondicionamiento de señal. Esto podría implicar el uso de un circuito amplificador operacional para aumentar el voltade los sensores analógicos como muchos RTDs y algunos sensores semiconductores o el uso de condensadores para filtrar ruido. Los sensores digitales requieren menos procesamiento, pero pueden implicar protocolos específicos para la comunicación (por ejemplo, un solo cable o I2C/SPI) que necesitan ser soporttanto por el controlador, así como las bibliotecas apropiadas. Compensación por Unión fría Es un ejemplo crítico. It's esencial para una medición precisa del termopar. CJC es necesario porque los termopares están diseñados para medir Diferencia diferencia Entre una Unión de medición y una Unión de referencia. La Unión de referencia a menudo no es constante. Se mide la temperatura de la Unión de medición (a menudo con un sensor separado) y se aplica un factor de corrección a la medición del termopar. En este tema se destaca la importancia de conocer las especificaciones de los sensores y hacer las modificaciones necesarias.

F. Tecnologías comunes de detección de temperatura para el Control PID: ampliamplificadores termopares, termómetros digitales, sensores de humedad (por ejemplo DHT11/22), y termómetros digitales.

En conjunto con los sistemas de control PID, se utilizan varias tecnologías de sensores. Cada uno de ellos tienen sus propias fortalezas, y son adecuados para diferentes aplicaciones.

1. termopares Utilizado ampliamente por su excelente rango de temperatura, desde temperaturas criogénicas a temperaturas extremadamente altas. Mide la diferencia de temperatura entre dos puntos. Para lecturas precisas, se requiere un sensor como el MAX6675 (que proporciona compensación de Unión fría y salida digital).

2. RTDs: Los RTDs son altamente precisos y estables en un amplio rango de temperaturas. La resistencia cambia proporcionalmente a la temperatura. Requieren un puente y un ADC (o amplificador IC dedicado) por ejemplo, MAX31865. También hay RTDs digitales, que simplila la interfaz.

3. Sensores térmicos: Los sensores térmicos son muy populares debido a su bajo precio y alta sensibilidad.