Встроенный контроль температуры ПИД-регулятора, часть 1: цепь
Ключевыми компонентами в этом контроллере PID (пропорциональный интеграл-производная) являются микроконтроллер EFM8, ЦАП и преобразователь термопары MAX31855.
Вспомогательная информация
- В этом проекте используется специально спроектированная печатная плата; обратитесь к разделу «Специальная конструкция печатной платы с микроконтроллером EFM8» для руководства по включению устройств EFM8 в ваше пользовательское оборудование.
- Вы можете найти краткий обзор термопар, а также некоторую общую информацию о MAX31855 в статье «Создание системы на основе EFM8 для мониторинга и анализа измерений термопар».
- Введение в системы управления: проектирование ПИД-регулятора с помощью инструмента SISO MATLAB
- Отрицательная обратная связь, часть 1: Общая структура и основные понятия
- Введение в биполярные переходные транзисторы
Легендарный ПИД
ПИД-регуляторы, возможно, достигли некоторого мифического статуса. Когда нужно контролировать физическую переменную - температуру, угловую скорость, положение, скорость потока и т. Д. - активируется мощность PID, и с PID появляется уверенная надежда на быстрый успех. Популярность и известность PID не обязательно незаслуженно; ПИД-регулирование является элегантным, гибким и надежным, и оно доказало свою эффективность в бесчисленных практических приложениях. Тем не менее, возможно, что наши знания PID намного превосходят наш опыт работы с PID, особенно учитывая, что реализации PID часто скрыты внутри так называемых программируемых логических контроллеров (ПЛК), причем различные низкоуровневые данные абстрагируются от пользователя. Производители ПЛК делают действительно хорошие ПИД-регуляторы, которые намного превосходят все, что я мог бы разработать; этого я не сомневаюсь. Но мне нравится разрабатывать вещи самостоятельно, с нуля - это веселее, и это помогает мне понять важные понятия и методы.
Следовательно, в этой серии статей будет рассмотрено практическое низкоуровневое ПИД-управление с помощью простой схемы, которая может измерять температуру резистивного нагревательного элемента. Мы не будем вдаваться в подробности теории ПИД, которые точно описаны в «Введении в системы управления», и мы не будем включать все возможные функции и уточнения в наш алгоритм. Вместо этого мы попытаемся осветить основополагающие принципы ПИД-регулирования, применив их к прямой схеме управления температурой.
Почему PID "" src = "// www.allaboutcircuits.com/uploads/articles/PID1_diagram1.jpg" />
Чтобы понять устойчивый успех ПИД-регулирования, вам сначала нужно понять почтенную способность отрицательных отзывов легко выполнить сложные задачи управления. Здесь я приведу цитату из «Отрицательной обратной связи», часть 1: «Общая структура и основные понятия»: часто в жизни, у нас есть выходная переменная какого-то типа, которая должна контролироваться, но связь между управляющим входом и фактическим поведением вывода настолько сложна или непредсказуема, что было бы трудно, если не невозможно, точно регулировать выход просто путем применения заданный вход.
Решение: отрицательная обратная связь.
Просто вычитая фактическое значение выхода.,, от опорного сигнала, и используя результат (т.е. «ошибка» термин) в качестве входных данных для усилителя с разомкнутым контуром, мы можем точно контролировать нагрузку, даже когда отношения ввода-вывода к противоречива или сложным.
В случае системы PID (пропорционального интеграла-производной) «усилитель с разомкнутым контуром» на самом деле является алгоритмом, который работает с самой последней ошибкой, а также с предыдущими ошибками и ожидаемыми ошибками. В этом заключается элегантность ПИД-регулирования: пропорциональный термин регулирует выход в ответ на текущее состояние системы, интегральный термин тонко настраивает выход путем накопления прошлых ошибок, а производный термин делает результат более отзывчивым, предсказывая будущие ошибки в зависимости от того, как изменяется выход.
Конструкция контура
Функциональность этого проекта в основном заключается в термостате: «нагреватель» - это просто резистор 2, 4 Ом, 5 Вт. Сигнал обратной связи обеспечивается термопарой типа K в сочетании с преобразователем термопары MAX31855. Однако наш термостат более интересен, чем типичный семейный сорт, поскольку он не ограничивается «включен» и «выключен»; скорее, мы можем выбрать из 256 различных уровней мощности нагревателя. Это достигается с помощью следующей схемы:
Провода резистора нагревательного элемента ввинчиваются в два контакта клеммной колодки J7, поэтому, когда вы смотрите на J7, представьте себе резистор на своем месте:
ЦАП представляет собой 8-разрядное устройство вывода напряжения, управляемое микроконтроллером EFM8 через SPI. Опорное напряжение (обеспечивается EFM8) составляет 2, 4 В, так что выходной диапазон ЦАП составляет от 0 В до 2, 4 В с шагом (2, 4 В) / (2 8) = 9, 4 мВ. Пышный драйвер выходного сигнала ЦАП может непрерывно подавать только около 10 мА, и мы не собираемся получать много тепла из нашего резистора всего с 10 мА. Именно здесь вступают в действие операционные усилители и BJT (p / n DSS20201L от Diodes Inc.).
Мы могли бы просто использовать op-amp для буферизации вывода ЦАП, но емкость выходного тока op-amp также недостаточна. Итак, вы видите здесь стандартную схему для увеличения возможностей дисковода op-amp. BJT может поддерживать непрерывный ток коллектора 2 А, что более чем достаточно для наших целей. Управляющее напряжение (т. Е. Выходное напряжение ЦАП) подается на положительный вход op-amp. Общая конфигурация схемы - это последователь напряжения с односторонним усилением, но обратите внимание, как сигнал обратной связи (подключенный к отрицательному входу ОУ) поступает от напряжения, подаваемого на нагревательный элемент, а не из выходного терминала операционного усилителя. Эта компоновка сообщает операционному усилителю отрегулировать свое выходное напряжение любым способом, необходимым для обеспечения того, чтобы напряжение, прикладываемое к нагревательному элементу, было таким же, как и управляющее напряжение.
Еще одна важная деталь заключается в следующем: хотя операционный усилитель не напрямую управляет нагревательным элементом, его выходной ток не является несущественным. Ток, текущий в базу Q1, будет приблизительно равен току нагревателя, деленному на коэффициент усиления постоянного тока BJT активной зоны, иначе известный как бета или h FE. (Обратите внимание, что Q1 всегда будет в режиме отсечки или активного режима, так как базовое напряжение не будет превышать 2, 4 В + ~ 0, 7 В = 3, 1 В, тогда как коллектор всегда находится на уровне 5 В. npn-транзистор не будет вводить насыщение, пока базовое напряжение не превышает напряжение коллектора более чем на ~ 0, 4 В.) Минимальная бета для нашего транзистора равна 200, поэтому, если мы входим 1 А в нагревательный элемент, ОУ должен иметь возможность подавать 5 мА в база. Я думаю, что почти любой op-усилитель может обрабатывать 5 мА, но если вы измените эту схему на значительно более высокий ток нагревателя, не забудьте подтвердить, что ваш операционный усилитель может безопасно обеспечить необходимый ток базы.
Нагреватель
Для резистора нагревательного элемента в основном два требования: его сопротивление должно быть очень низким, чтобы наши низкие напряжения питания приводили к сильному току, а его номинальная мощность должна быть достаточно высокой (намного выше, чем мы привыкли с типичными сквозными напряжениями, отверстия или поверхностные резисторы). Я не могу нарисовать намного больше, чем 1 А от зарядного устройства USB, которое я использую в качестве источника питания, поэтому я выбрал сопротивление 2, 4 Ом: максимальное напряжение привода составляет 2, 4 В, и поэтому, когда напряжение на входе макс, ток также будет максимальным. Рассеяние мощности при макс. Токе составляет всего 2, 4 В × 1 А = 2, 4 Вт. Мне нравится поддерживать примерно 2-кратный запас прочности, поэтому резистор 5 Вт выполнит трюк. Вот фото аппаратной настройки:
Даже при 1 А эта система не генерирует огромное количество тепла, поэтому во время работы я расширяю полезный температурный диапазон, обернув резистор в пушистую изоляционную ткань:
Вывод
Мы ввели общую концепцию и преимущества ПИД-регулирования, и мы подробно обсудили схему «термостата», которую мы будем использовать для изучения функциональности ПИД. В следующей статье мы сосредоточимся на прошивке, необходимой для сбора данных температуры от MAX31855 и для регулировки тока привода нагревателя через ЦАП.
Следующая статья в серии: встроенный контроль температуры ПИД-регулятора, часть 2: интеграция на уровне платы
Попробуйте этот проект сами! Получить спецификацию.