PID Temperature Controller UK: Understanding and implementation Proportional-Integral-Derivative Control (en inglés)

Descubre el Reino unido y#39;sControl de la temperatura PIDSistemas. Aprenda sobre los principios de control de temperatura PID, sus componentes y cómo se utiliza en varias industrias. Descubrir cómo implementar y ajustar para un máximo rendimiento.)

I. I. introducción

También es importante para garantizar la eficiencia y la seguridad de los electrodomésticos. Entre las metodologías más sofisticadas y ampliamente adoptadas para lograr esta precisión se encuentra el algoritmo de control proporcional, integral y derivado (PID). El artículo explora los sistemas de control de temperatura PID en el Reino unido. El artículo comienza explicando los principios básicos que sustentan los controles PID. Luego pasa a los cries el proceso crucial de ajustar el PID y los métodos para probar y evaluar el rendimiento del sistema. El artículo concluye examinando el Reino unido#39;s aplicaciones PID específicas, beneficios y tendencias. esteDefinición y especificación del proyecto. En detalle, 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 examinaIew está destinado a proporcionar a los lectores una comprensión profunda de PID controllers' Aspectos de diseño, operación e implementación. También demuestra su aplicación práctica utilizando un enfoque paso a paso que se aplica a los entornos del Reino unido.

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

PID's efectividad y amplia adopción se deben a la integración de tres acciones de control diferentes que cada uno aborda un aspecto específico de error de control. Las tres acciones, Integral proporcional y derivada, se integran secuencialmente.

El componente proporcional (P) genera una salida de señal que está directamente relacionada con la magnitud de la señal de error actual. La señal de error se puede definir como la diferencia entre la temperatura de ajuste prevista y la temperatura realmente medida por el sensor. Un error más grande resultará en una señal de salida más alta. Su propósito principal es corregir la variable y moverla más cerca de setpoint. Comprometerse con el control proporcional solo puede llevar a un error de estado estacionario. La temperatura final podría no coincidir con el punto de ajuste con precisión debido a los retrasos del sistema y las condiciones incambiantes.

La ganancia Integral (Ki) determina qué tan rápido el controlador corrige este error. La ganancia Integral (Ki), una medida de la velocidad a la que el controlador puede corregir este error, se determina por la rapidez con la que gana. 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 aumenta la influencia del actuador en empujar la variable de proceso más cerca del valor de consigna. El sistema alcanzará la temperatura de punto de ajuste si el actuador es capaz de manejar cualquier oposición. La ganancia Integral (Ki), que es la cantidad de tiempo que el controlador reacciona al error, determina la fuerza con la que responde. Un Ki más alto resultará en una eliminación más temprana de los errores de estado estacionario, mientras que un Ki más pequeño resulta en respuestas más graduales.

Proporciona acciones correcbasadas en la rapidez con la que cambia el error. El componente derivado anticipdesviaciones en el futuro al observar con qué rapidez aumenta o disminuye un error. El término de salida derivado generará una gran señal correcsi el error aumenta o disminuye rápidamente. Esto ayuda a reducir las oscily mejorar la estabilidad. Es especialmente beneficioso para los sistemas que son propensos a la inestabilidad o rebasdebido a cambios rápidos.

Este proceso de tres pasos permite al PID aprender de errores anteriores y predecir errores futuros. El resultado es un control de temperatura muy preciso y estable. Esta base algorítes esencial para entender las capacidades de los controladores PID y su correcta implementación en aplicaciones del Reino unido.

III. Partes del sistema controlador de temperatura PID

Cada componente de un sistema de controlador PID funcional juega un papel distinto en el bucle. Es fundamental seleccionar e integrar estos componentes con el fin de lograr el rendimiento y la fiabilidad deseada.

Los tipos más comunes son termopares (también conocidos como RTDs), termistores y termistores. Cada uno tiene sus propias características. Los termopares tipo k son robustos y tienen un amplio rango de temperaturas. Se pueden utilizar en muchas aplicaciones industriales del Reino unido. Los RTDs (típicamente PT100 y PT1000) proporcionan mayor precisión y estabilidad a temperaturas más bajas. Por lo tanto, se prefieren en aplicaciones de precisión tales como equipos de laboratorio, o la industria farmacéutica en el Reino unido. Estos termómetros se utilizan para ciertos rangde temperatura debido a su alta sensibilidad. También son relativamente baratos. La selección del Sensor está influenciada por factores como el rango de medición requerido, la especificación de precisión, la rentabilidad, el tiempo de respuesta y el entorno operativo. Para asegurar la exactitud y confiabilidad, puede ser importante adherirse a los estándares publicados por la British standards Institution. Los sensores a menudo requieren acondicionamiento de señal como amplificadores, circuitos forLeng Jie DianBu Chang (compensación de Unión fría) para termopares o interfaces, como convertianala-digital, y protocolos de comunicación digital, por ejemplo, I2C o SPI, para RTDs, y termistors.

Es el controlador el que realiza los cálculos PID. Microcontroladores como el Arduino (Uno, Nano, Mega, etc.) se utilizan a menudo en proyectos del Reino unido debido a su rentabilidad, facilidad de uso y amplio apoyo de la comunidad. Arduino IDE es una herramienta sencilla y fácil de usar para cargar código. Si necesita más potencia de procesamiento o mejor conectividad, entonces el ESP32 con Bluetooth y Wi-Fi, o Raspberry pi, con su mayor capacidad de procesamiento, puede ser la mejor opción. Alternativamente, se pueden utilizar PLCs, que se utilizan a menudo en entornos industriales del Reino unido. Ofrecen una mayor fiabilidad y escalabilidad. Depende de la complejidad del proyecto, la funcionalidad que desee y su presupuesto. Es importante que la unidad de control tiene suficiente entrada/salida (e/s), para interactuar eficazmente con el sensor y el actuador.

El actuador es la parte que traduce la salida del comando del controlador en acciones físicas que modifican la temperatura del proceso. El actuador regulador de temperatura más común es el elemento calentador. Esto puede ser un cable de calefacción resistivo, una película de calefacción o un calentador de cartu. Genera calor al pasar una corriente eléctrica a través de él. Un elemento calentador se selecciona en función de una serie de factores, incluyendo la potencia necesaria, el rango de temperaturas, y si el calor se transferirá A un sólido, líquido o aire. Los módulos Peltier que se pueden utilizar para calentar o enfride acuerdo con la dirección del flujo de corriente y los ventilque aumentan la disición de calor son opciones para la refrigeración. La fuente de alimentación y la salida del controlador deben coincidir con el actuador#39;s capacidad para manejar el poder. La fuente de alimentación suministra la energía eléctrica necesaria para alimentar con seguridad el sensor, el controlador y el actuador. La fuente de alimentación debe proporcionar un voltacorrecto (5V, 12V o 24V), y suficiente corriente, para satisfacer los requisitos de alimentación de todos los componentes. Para un funcionamiento fiable y seguro es importante utilizar conectores y cables que estén correctamente instalados. Para sensores y circuitos digitales, la puesta a tierra es crucial para un funcionamiento fiable.

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, la temperatura actual, el punto de ajuste y los valores de error. 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 contribuir a la fiabilidad y durabilidad del sistema. Es importante elegir un recinto en el Reino unido que se adapte a las necesidades de tu aplicación.

IV. El diseño e implementación de Software

El siguiente paso es implementar el algoritmo PID en el software elegido. 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 la ESP32, que ha integrado Wi-Fi/Bluetooth y más potencia de computación para proyectos complejos (y computación de propósito general), también son opciones. Python en un microcontrolador o computadora con las bibliotecas apropiadas, tales como numpy, autotune, puede ser preferible para proyectos que requieren robustez y escalabilidad. Algunos proyectos pueden usar paquetes de controladores PLC o PID comerciales. Depende de la complejidad del proyecto, si el programador tiene experiencia con la plataforma y qué funcionalidad necesitas. Es importante que la unidad de control tiene suficiente entrada/salida (e/s), para interactuar eficazmente con el sensor y el actuador.

El diseño de Software usualmente involucra varios módulos. En primer lugar, el módulo leerá los datos del sensor. Si está usando un Arduino, esto podría implicar la lectura de valores analógicos usando ADC desde un RTD o un termopar. 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 del PID es el núcleo del diseño de 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. La expresión proporcional se calcula por error Kp +. 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 una suma de ejecución, en la que el error se añade con el tiempo y luego se establece un máximo. Se usa una variable para almacenar el error anterior. El término derivado se utiliza para estimar la tasa de cambio de error e it's calculado usando Kd* (error - previous_error). Este error anterior se puede almacenar como una variable.

Esta suma representa la salida del controlador. La señal de salida debe asignarse a la señal de control del actuador.

El código para el control del actuador traduce la salida calculada del controlador en una señal que el actuador entiende. 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 la entrada (por ejemplo, la configuración del punto de ajuste a través de un botón o potenciómetro), y mostrar la información relevante en el módulo de visualización (por ejemplo, la temperatura actual, el error del punto de ajuste).

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 otra información, como el valor de valor de consigna, error o error anterior, el cálculo del término integral, componentes derivados, salida final, etc. La modularidad se puede lograr mediante el uso de funciones (por ejemplo, una para leer los sensores, otra para los cálculos PID, y otra para un código de actuador).

Las etapas iniciales del desarrollo son críticas para pruebas y depuración. Se pueden incluir instrucciones de impresión 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.

V. V. 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 de un 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 condiciones 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 controlador, el sensor y el actuador. Luego son probados para verificar la funcionalidad básica, como si el controlador puede leer el sensor o controlar el actuador.

VI. Proceso de afinación de PID

La afinación correcta de un controlador PID es esencial para lograr el rendimiento deseado. El sistema puede ser inestable (sinfonías excesivas), lento para responder, o no alcanzar el punto de ajuste deseado. El ajuste es el proceso de encontrar valores para parámetros Kp proporcion, Ki Integral y derivados Kd con el fin de optimizar el comportamiento del sistema. Este proceso se repite de forma iterativa, ajustlos parámetros en respuesta a las respuestas del sistema.