PID hőmérséklet -szabályozó: 7 lépés

2024 Szerző: John Day | [email protected]. Utoljára módosítva: 2024-01-30 09:43

A barátom műanyag extrudert épít műanyag újrahasznosítás céljából (https://preciousplastic.com). Neki kell szabályoznia az extrudálás hőmérsékletét. Ebből a célból fúvóka melegítő szalagot használ. Ebben a fúvókában van egy hőelem és egy fűtőegység, amelyek lehetővé teszik a hőmérséklet mérését, és végül a kívánt hőmérséklet elérését (retroaktív hurok készítése).

Amikor hallottam, hogy több PID -szabályozónak szüksége van ezekre a fúvókafűtés -sávokra, azonnal felkeltette bennem a vágyat, hogy megpróbáljunk sajátot készíteni.

1. lépés: Eszközök és anyagok

Eszközök

• forrasztópáka, forrasztóhuzal és fluxus
• csipesz
• marógép (kémiai maratás is lehetséges a PCB prototípusok készítéséhez) (a PCB -t a sas fájlommal is megrendelheti)
• hőmérő (kalibráláshoz)
• arduino (bármilyen típus) vagy AVR programozó
• FTDI soros TTL-232 USB kábel
• lézervágó (opcionális)
• multiméter (ohmmérő és voltmérő)

Anyag

• Bakelit egyoldalú rézlemez (legalább 60*35 mm) (tönkretettem a fűrészemet az üvegszálas vásárlásakor, ezért légy óvatos: bakelit)
• Attiny45 mikrovezérlő
• LM2940IMP-5 feszültségszabályozó
• AD8605 operációs erősítő
• NDS356AP tranzisztor
• egy csomó ellenállás és kondenzátor (nálam van az SMT 0603 adafruit könyv)
• 230V-9V AC-DC transzformátor
• 1N4004 diódák
• szilárdtest relé
• körömlakk (opcionális)

2. lépés: A PCB maratása

A NYÁK marásához a Proxxon MF70 CNC transzformált és egy kúpos végét használtam. Úgy gondolom, hogy bármelyik gravírozó végcél működni fog. A Gcode fájlt közvetlenül az eagle és a pcb-gcode plugin állította elő. Mindössze három menetet hajtottak végre, hogy biztosítsák a jó útvonalat, de anélkül, hogy órákat kellene tölteni az összes réz őrlésével. Amikor a NYÁK kiment a CNC gépből, vágóval tisztítottam az útvonalakat és multiméterrel teszteltem.

Paraméterek: előtolás 150 mm/perc, mélység 0,2 mm, forgási sebesség 20 000 t/perc

3. lépés: Forrasztja az alkatrészeket

A csipesszel és a forrasztópáka segítségével helyezze az alkatrészeket a megfelelő helyre, és forrasztja be fluxussal (segít), és kezdje a legkisebb alkatrészekkel. Ismét ellenőrizze multiméterrel, hogy nincsenek -e rövidzárlatok vagy nem csatlakoztatott elemek.

Az erősítő erősítését a kívánt ellenállás kiválasztásával választhatja ki (erősítés = (R3+R4)/R4). Vettem 1M és 2,7k, így az én esetemben a nyereség körülbelül 371. Nem tudom a pontos értéket, mert 5% -os toleranciát használok.

A hőelemem J típusú. Ez azt jelenti, hogy minden fokozathoz 0,05 mV -ot ad. A 371 -es erősítéssel fokonként 18,5 mV -ot kapok az erősítő kimenetéből (0,05*371). 200 ° C körül szeretnék mérni, így az erősítő kimenetének 3,7 V (0,0185*200) körül kell lennie. Az eredmény nem haladhatja meg az 5 V -ot, mert az 5 V -os referenciafeszültséget használom (külső).

A kép megfelel az első (nem működő) verziónak, amit készítettem, de az elv ugyanaz. Ebben az első verzióban egy relét használtam, és a tábla közepére tettem. Amint nagyfeszültségűre váltottam, tüském volt, ami miatt a vezérlő újraindult.

4. lépés: Programozza be a mikrokontrollert

Egy olyan arduino használatával, mint ebben az utasításban: https://www.instructables.com/id/How-to-Program-a… betöltheti a kódot.

FTDI-USB kábellel ellátott pro csecsebecsét használtam az Attiny 45 programozásához, de ez a módszer egyenértékű. Ezután a PB1 és a GDN tűt közvetlenül az FTDI-USB kábel RX és GND csatlakozójához csatlakoztattam, hogy megkapjam a soros adatokat, és képes legyek a hibakeresésre.

Az arduino vázlatban az összes paramétert nullára kell állítani (P = 0, I = 0, D = 0, K = 0). A hangolási lépés során kerülnek beállításra.

Ha nem lát füstöt vagy égett szagot, ugorhat a következő lépésre!

5. lépés: Összeszerelés és kalibrálás

Vigyázat: Soha ne csatlakoztassa egyszerre a tápegységet és az 5 V -ot a programozóból! Ellenkező esetben látni fogja a füstöt, amelyet az előző lépésben vettem. Ha nem biztos benne, hogy ezt tiszteletben tudja tartani, egyszerűen távolítsa el a programozó 5V -os tüskéjét. Engedtem, mert kényelmesebb volt számomra tápellátás nélkül programozni a szabályozót, és tesztelni a vezérlőt anélkül, hogy a fűtés őrülten melegítene az arcom előtt.

Most elágazhatja a hőelemet az erősítőn, és ellenőrizheti, hogy mér -e valamit (tartsa be a polaritást). Ha a fűtési rendszer szobahőmérsékletű, akkor nullát kell mérnie. A kézzel történő hevítésnek már kis értékekhez kell vezetnie.

Hogyan kell leolvasni ezeket az értékeket? Egyszerűen csatlakoztassa a PB1 és GDN csapokat közvetlenül az FTDI-USB kábel RX és GND csatlakozójához, és nyissa ki az arduino soros monitort.

Amikor a vezérlő elindul, piros értéket küld a chip belső hőmérője által. Így kompenzálom a hőmérsékletet (dedikált chip használata nélkül). Ez azt jelenti, hogy ha a hőmérséklet változik a művelet során, azt nem veszik figyelembe. Ez az érték chipenként nagyon eltér, ezért manuálisan kell megadni a REFTEMPERATURE definícióban a vázlat elején.

A szilárdtestalapú relé csatlakoztatása előtt ellenőrizze, hogy a kimeneti feszültség a relé által támogatott tartományban van -e (esetemben 3–25 V, az áramkör körülbelül 11 V -ot generál). (tiszteletben tartva a polaritást)

Ezek az értékek nem hőmérsékletek vagy Fahrenheit fokok, hanem az analóg -digitális átalakítás eredménye, így 0 és 1024 között változnak. Az 5 V -os referenciafeszültséget használom, tehát amikor az erősítő kimenete 5 V közelében van, az átalakítási eredmény 1024 közelében van.

6. lépés: PID hangolás

Meg kell említenem, hogy nem vagyok ellenőrzési szakértő, ezért találtam néhány paramétert, amelyek működnek számomra, de nem garantálom, hogy mindenkinél működik.

Először is el kell magyaráznom, mit csinál a program. Egyfajta szoftveres PWM -et valósítottam meg: a számlálót növeljük minden iterációnál, amíg el nem éri a 20'000 értéket (ebben az esetben 0 -ra áll vissza). A késleltetés ezredmásodpercre lassítja a hurkot. A legigényesebbek észreveszik, hogy az ellenőrzési időszak körülbelül 20 másodperc. Minden ciklus a számláló és a küszöb összehasonlításával kezdődik. Ha a számláló alacsonyabb a küszöbnél, akkor kikapcsolom a relét. Ha nagyobb, bekapcsolom. Tehát a teljesítményt a küszöb beállításával szabályozom. A küszöbszámítás minden másodpercben megtörténik.

Mi az a PID vezérlő?

Ha irányítani szeretne egy folyamatot, akkor rendelkezik a mért értékkel (analogData), az elérni kívánt értékkel (tempCommand), és módot ad a folyamat állapotának módosítására (seuil). Esetemben a küszöbértékkel történik ("seuil" franciául, de sokkal könnyebb írni és kiejteni (ejtsd "sey")), amely meghatározza, hogy mennyi ideig lesz a kapcsoló be- és kikapcsolva (a munkaciklus), tehát az energiamennyiséget betenni a rendszerbe.

Mindenki egyetért abban, hogy ha messze van az elérni kívánt ponttól, akkor nagy korrekciót hajthat végre, és ha közel van, akkor egy kis korrekcióra van szükség. Ez azt jelenti, hogy a korrekció a hiba függvénye (error = analogData-tempComand). Igen, de mennyit? Tegyük fel, hogy megszorozzuk a hibát egy tényezővel (P). Ez egy arányos vezérlő. Mechanikusan a rugó arányos korrekciót végez, mivel a rugóerő arányos a rugó nyomásával.

Valószínűleg tudja, hogy az autó felfüggesztése rugóból és lengéscsillapítóból (lengéscsillapító) áll. Ennek a csappantyúnak az a szerepe, hogy elkerülje az autó trambulinként történő visszapattanását. A származékos kifejezés pontosan ezt teszi. Csillapítóként olyan reakciót generál, amely arányos a hiba ingadozásával. Ha a hiba gyorsan változik, a korrekció csökken. Csökkenti a rezgéseket és a túllépéseket.

Az integrátor kifejezés itt van a tartós hiba elkerülése érdekében (integrálja a hibát). Konkrétan ez egy számláló, amelyet növelnek vagy csökkentenek, ha a hiba pozitív vagy negatív. Ezután a korrekciót ennek a számlálónak megfelelően növelik vagy csökkentik. Nincs mechanikai egyenértékűsége (vagy van ötlete?). Lehet, hogy hasonló hatás érhető el, amikor beviszi autóját a szervizbe, és a szerelő észreveszi, hogy az ütések szisztematikusan túl alacsonyak, és úgy dönt, hogy további előfeszítést ad hozzá.

Mindezt a következő képlet foglalja össze: korrekció = P*e (t)+I*(de (t)/dt)+D*integrál (e (t) dt), P, I és D három paraméter, amelyek hangolni kell.

A verziómban hozzáadtam egy negyedik kifejezést, amely az "a priori" (előre továbbítás) parancs, amely szükséges egy bizonyos hőmérséklet fenntartásához. A hőmérséklet arányos parancsát választottam (ez jó közelítés a fűtési veszteségekhez. Igaz, ha figyelmen kívül hagyjuk a sugárzási veszteségeket (T^4)). Ezzel a kifejezéssel az integrátor könnyebbé válik.

Hogyan lehet megtalálni ezeket a paramétereket?

Kipróbáltam egy hagyományos módszert, amelyet a "pid tuning hőmérséklet szabályozó" google -ban talál, de nehezen alkalmazhatónak találtam, és végül a saját módszeremmel végeztem.

Az én módszerem

Először állítsa a P, I, D értéket nullára, a "K" és a "tempCommand" értékeket pedig kis értékekre (például K = 1 és tempCommand = 100). Kapcsolja be a rendszert, és várjon, várjon, várjon… amíg a hőmérséklet stabilizálódik. Ezen a ponton tudja, hogy 1*100 = 100 "seuil" esetén a hőmérséklet X -re hajlik. Tehát tudja, hogy 100/20000 = 5% paranccsal elérheti X -et. De a cél az, hogy elérjük a 100 -at mert ez "tempCommand". Egy arány használatával kiszámíthatja a K -t, hogy elérje a 100 -at (tempCommand). Elővigyázatosságból kisebb értéket használtam, mint a számított. Valójában könnyebb többet melegíteni, mint lehűteni. Szóval végre

Kfinal = K*tempCommand*0.9/X

Most, amikor elindítja a vezérlőt, természetesen a kívánt hőmérsékletre kell törekednie, de ez nagyon lassú folyamat, mert csak a fűtési veszteségeket kompenzálja. Ha az egyik hőmérsékletről a másikra szeretne lépni, bizonyos mennyiségű hőenergiát kell hozzáadni a rendszerhez. P határozza meg, hogy milyen sebességgel fekteti az energiát a rendszerbe. Állítsa a P értéket kis értékre (például P = 10). Próbáljon ki (majdnem) hidegindítást. Ha nincs nagy túllépése, próbálja meg a duplával (P = 20), ha most van egy próbálkozása a kettő között. Ha 5% -os túllépés van, akkor jó.

Most növelje a D -t, amíg nincs túllépés. (mindig próbák, tudom, hogy ez nem tudomány) (D = 100 -at vettem)

Ezután adjuk hozzá I = P^2/(4*D) (Ziegler-Nicholts módszerén alapul, garantálnia kell a stabilitást) (számomra I = 1)

Miért ezek a próbák, miért nem a tudomány?

Tudom, tudom! Van egy hatalmas elmélet, és kiszámíthatja az átviteli függvényt, a Z transzformációt és a blablabla -t. Egységes ugrást akartam generálni, majd 10 percig rögzíteni a reakciót, és megírni az átviteli függvényt, és akkor mi van? Nem akarok számtant készíteni 200 taggal. Szóval ha valakinek van ötlete, szívesen megtanulnám, hogyan kell helyesen csinálni.

A legjobb barátaimra, Zieglerre és Nicholsra is gondoltam. Azt mondták, keressek egy rezgéseket generáló P -t, majd alkalmazzák a módszerüket. Soha nem találtam ezeket a rezgéseket. Az egyetlen dolog, amit találtam, egy óóóóóóóás volt az ég felé.

És hogyan kell modellezni azt a tényt, hogy a fűtés nem ugyanaz a folyamat, mint a hűtés?

Folytatom a kutatást, de most csomagoljuk be a vezérlőt, ha elégedett a kapott teljesítménygel.

7. lépés: Csomagolja be

Hozzáférésem volt a moszkvai fablabhoz (fablab77.ru) és a lézervágójukhoz, és hálás vagyok. Ez a lehetőség lehetővé tette számomra, hogy egy szép csomagot készítsek egy kattintással, amelyet egy plugin generált, aki a kívánt méretű dobozokat készít (h = 69 l = 66 d = 42 mm). A tetején két lyuk (átmérő = 5 mm) van a led és a kapcsoló számára, és egy rés az oldalon a programozó csapok számára. A transzformátort két fadarabbal, a NYÁK -t két csavarral rögzítettem. A kapocslécet forrasztottam a vezetékekhez és a NYÁK -hoz, hozzáadtam a kapcsolót a transzformátor és a NYÁK -bemenet között, sorba kötöttem a vezetéket a PBO -val egy ellenállással (300 Ohm). Az elektromos szigeteléshez körömlakkot is használtam. Az utolsó teszt után ragasztottam a dobozt. Ez az.