Что такое ПИД-контроллер температуры?

ПИД - контроллер температуры расшифровывается как пропорционально-интегрально-дифференцирующий регулятор. Прибор предназначен для работы в управляющих контурах с наличием обратной связи. Такое устройство используется для функционирования систем автоматического управления и требуется для формирования сигналов, которые позволят получить требуемый уровень точности и качества у происходящих процессов.

Принцип работы и физическая составляющая

По сути, такая аппаратура является контроллером управления температуры и влажности. Она отвечает за формирование управляющего сигнала, который с точки зрения физики состоит из трех слагаемых:

• первое слагаемое пропорционально разности между двумя сигналами: входным и обратной связи;
• второе соответствует интегралу данных рассогласования;
• а третье - производной последнего.

Следует отметить, что встречаются упрощенные устройства, в которых одна из вышеперечисленных составляющих может отсутствовать. В таком случае наименование ПИД сокращается, так как прибор становится, например, пропорционально-интегрирующим. В простом приближении любой контроллер для управления температурой и влажностью действует по стандартной формуле, где присутствуют три основных составляющих, одна из которых может быть исключена: пропорциональная, интегрирующая и дифференциальная. Поэтому ПИД-регулятор предназначен для поддержания определенных значений у какой-либо величины за счет изменения другой. По этой причине появляется такое понятие как "рассогласование", которое отражает отклонение величины от требуемой. Разные контроллеры в виде ПИД могут быть ориентированы на несколько разные формулы, но все базируются на данных, получаемых по информации от входного сигнала. Также важно учитывать и всегда смотреть в инструкциях к устройствам не только формулы, но и термины, так как у разных производителей они могут серьезно отличаться.

Пример работы ПИД

Приведем пример с контроллером управления температурой воды. То есть объектом здесь выступает некая емкость с водой, в которой требуется поддержание температуры в определенном диапазоне за счет регулировки открытия клапана. Поэтому рассмотрим, как формируются коэффициенты и составляющие в случае управления трехходовым клапаном:

• пропорциональная возникает в случае рассогласования с введенными в систему данными. То есть учитывается разница между желаемой и фактической температурой, после чего умножается на коэффициент, который необходим для дальнейшей подачи на клапан. При падении градусов происходит запуск процесса отопления (нагрева), а при поднятии выше требуемой величины идет отключение или охлаждение;
• интегральная необходима для компенсации воздействия окружающей среды и других сторонних помех, которые препятствуют поддержанию температурного показателя на нужном уровне. Данная часть формулы помогает исключить вероятные ошибки, возникающие по разным причинам;
• дифференциальная помогает компенсировать задержки, которые возникают при подаче воздействия и обратной реакции с ее стороны. Именно эта составляющая препятствует потенциальному возникновению перегрева, так как формируется прогнозирования отклонений, влияющих на подаваемую мощность к устройству.

Контроллер управления температуры и влажности подразумевает присутствие датчика внутри емкости с жидкостью. Такими объектами могут выступать муфельные печи, климатические камеры и т. д. В качестве датчика выступают термометр сопротивления или термопара, которые имеют прямую связь для передачи данных по температуре ПИД-регулятору. Для увеличения температурного показателя производится подогрев жидкости за счет подачи пара при помощи клапана автоматического регулирования. Для этого со стороны оператора понадобится введение значения, которое требуется для поддержания внутри емкости. Но следует учитывать, что система будет некорректно работать в случае неправильной настройки коэффициентов. Это вызовет возникновение скачков температуры и полное открытие или закрытие клапана. Тогда потребуется перерасчет этих данных и повторное введение в систему. Степень открытия конструктивного элемента будет при этом находиться в среднем положении.

ПИД контроллер температуры Arduino

Программируемый ПИД контроллер температуры от производителя Arduino широко используется для организации качественной и высокоточной работы широкого спектра устройств. Здесь может идти речь, например, об управлении вентилятором или системы отопления, а также различными температурными приборами. Но главный вопрос пользователей заключается в способах настройки оборудования. Рассмотрим поэтому его подробнее. Существует два способа настройки температурного контроллера с ПИД-регулированием Arduino:

1. оператор должен самостоятельно на основании информации от производителя, указанной в руководстве, прилагаемом к конкретному устройству, произвести расчет показателей для ввода. К минусам метода относят необходимость глубокого понимания процессов, которые подразумевают наличие определенного образования;
2. но также возможно и использование стандартного ручного способа, который будет уже не таким идеальным и подразумевает возможность потенциальных ошибок. Корректировки здесь базируются на коэффициенте регулятора.

Очевидно, что в обычных жизненных условиях второй метод применяется намного чаще. При этом такие температурные контроллеры ПИД помогают не только просто измерять и поддерживать требуемые температурные показатели, но и контролировать и поддерживать давление, потенциальный расход жидкостей и газов (например, углекислого внутри трубопроводов) и т. д.

Выводы

ПИД контроллер температуры является прибором, который повсеместно используется для организации работы многих устройств из разных областей деятельности. Такая аппаратура применяется как для частных целей, так и в промышленных условиях для реализации сложноорганизованных процессов.