Understanding a PID Temperature Controller Example: a Practical Guide (en inglés)

I. introducción

II. The PID Algorithm: The Foundation of Precise Control (en inglés)

El algoritmo PID sirve como el componente intelectual central de cualquier controlador de temperatura sofisticado. Su función fundamental consiste en calcular una acción correcbasada en la comparación continua entre el estado del sistema deseado y el estado medido real. Esta acción correcestá diseñada para minimizar la discrepan, conocida como la señal de error. En primer lugar, la señal de error se deriva de una comparación simple pero crucial. El sistema posee una temperatura deseada, conocida como el Setpoint. Esta es la temperatura objetivo que el usuario desea mantener. Igualmente importante es la Variable de proceso, que es la temperatura real medida actualmente por un sensor dentro del sistema. La señal de error es esencialmente la diferencia entre el Setpoint y la Variable de proceso: error = Setpoint - Variable de proceso.

El algoritmo PID calcula la acción correcbasada en tres componentes distintos, cada uno aportando un aspecto específico de control:

Proporcional (P) término: el término proporcional genera una salida de control que es directamente proporcional a la magnitud de la señal de error actual. Matemáticamente, esto se puede expresar como P_output = Error Kp *, donde Kp representa la ganancia proporcional. La ganancia proporcional determina cuán fuertemente el sistema responde al error. Un error mayor resulta en una salida de control proporcionalmente mayor, y viceversa. El papel principal del término P es proporcionar una respuesta inmediata que reduce el error. Sin embargo, a menudo deja un término errorIntegral (I) residual: el término Integral se refiere a la acumulación de error en el tiempo. Integra la señal de error sobre una duración, típicamente representada como I_output = Ki * → error dt, donde Ki es la ganancia Integral. El término I suma la señal de error continuamente. Su propósito principal es eliminar el error de estado estacionario - el pequeño error que el término P podría dejar. Si el error persiste, incluso si es pequeño, el término I aumentará gradualmente su salida, conduciendo el actuador más lejos para intentar eliminar el error completamente. Una desventaja significativa del término I es que si el error cambia de dirección con frecuencia (por ejemplo, oscilar alrededor del punto de ajuste), el término integral puede acumular una gran salida, lo que potencialmente conduce A la inestabilidad o el exceso.

Término derivado (D) : el término derivado se enfoca en la tasa de cambio de la señal de error. Calcula la derivada del error (d(error)/dt) y genera una salida que se opone a los cambios rápidos. Matemáticamente, D_output = Kd * d(Error)/dt, donde Kd es la ganancia derivada. El término D actúa como una fuerza de amortigu. Predice errores futuros basados en la tendencia actual y ayuda a suavila señal de control. Esta anticipación ayuda a reducir las oscilque podrían ocurrir si los términos P e I son demasiado agresivos, haciendo que la temperatura oscile excesivamente por encima y por debajo del punto de ajuste. El término D también contribuye a una respuesta inicial más rápida al anticipar la necesidad de corrección antes de que el error sea grande. Sin embargo, el término D puede ser sensible al ruido en la señal de error, causando potencialmente que el controlador reaccierráticamente.

Estos tres términos se combinan, típicamente sumándolos, para formar la señal de control final.

III. Selección del ejemplo: el "controlador de caja para electrónica de calefacción"

IV. Componentes principales del ejemplo: el controlador de caja de electrónica calent.

En segundo lugar, la lógica del comparador/Detector de errores/controlador.

En tercer lugar, el ActuatorAn SSR actúa como un interruptor electrónico, controlado por el microcontroller's salida PWM. La elección de un SSR se basa en su capacidad para manejar la señal de control (PWM desde el microcontrolador) y cambiar el elemento de calentamiento de 12V de manera efectiva. El SSR está conectado al microcontroller&#El pin de salida 39;s y el circuito del elemento calefactor.

1. Consideraciones sobre la fuente de alimentación: la fuente de alimentación en este ejemplo es una fuente de alimentación de 12V DC. Proporciona energía al microcontrolador y al SSR. El propio microcontrolador requiere una regulación interna de voltapara operar correctamente (a menudo 5V o menos), mientras que la fuente de alimentación de 12V alimenta la carga (elemento calentador) a través del SSR.

V. cómo funciona el ejemplo: funcionamiento del controlador de la carcasa de electrónica calentada

En primer lugar, el sensor DS18B20 mide continuamente la temperatura interna y envía el valor digital al microcontrolador. Este sensor proporciona la Variable de proceso. El microcontrolador compara esta lectura de la temperatura recibida con el punto de ajuste definido por el usuario (la temperatura deseada). Esta comparación produce la señal de Error (Setpoint - Variable de proceso). La magnitud de este error determina cuánto calentamiento se necesita.

A continuación, el microcontrolador ejecuta los cálculos P, I y D basados en este error. El término proporcional (P) genera una respuesta inmediata proporcional al error actual. El término Integral (I) acumula el error con el tiempo, trabajando para eliminar cualquier pequeño error residual. El término derivado (D) predice cambios de temperatura, ayudando a prevenir que el sistema sobrepase el punto de ajuste.

VI. Aplicación: mantenimiento de la temperatura óptima en una carcasa electrónica calentada

El microcontrolador y SSR modulan su potencia basándose en la retroalimentación proporcionada por el sensor DS18B20, creando un sistema de circuito cerrado que ajusta continuamente la potencia de calentamiento para mantener la temperatura objetivo con precisión y estabilidad.

VII. Afinando el ejemplo: estableciendo Kp, Ki y Kd

1. Ajuste proporcional (P) : ajustar el término P influye principalmente en el sistema 's velocidad de respuesta y la agresividad con la que reacciona al error. Una mayor ganancia de P resulta en una respuesta más rápida pero puede llevar A inestabilidad. Una ganancia de P más baja es más suave pero podría dejar un error de estado estacionario.

1. Afinación Integral (I) : ajustar el término I es crucial para eliminar el error de estado estacionario. Integra el error en un cierto plazo, conduciendo lentamente el actuador más lejos al error cero. Sin embargo, si el sistema oscila, el término I puede acumularse y causar un rebassignificativo.

1. Afinderivada (D) : ajustar el término D ayuda a amortigulas oscilcausadas por términos agrep e I. Predice cambios y proporciona una fuerza contrarrest. Sin embargo, puede ser sensible al ruido del sensor.

Las características de auto-ajuste también pueden estar presentes en algunos controladores. El proceso de ajuste es fundamental para un óptimo rendimiento y estabilidad.

VIII. Ventajas y desventajas del controlador de ejemplo

A. ventajas: