Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
PLC Fatek
Proszę, dodaj wyjątek www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Regulator PID w wersji analogowej, PWM, z teścikiem

trol.six 03 Cze 2018 09:37 3096 5
  • Regulator PID w wersji analogowej, PWM, z teścikiem

    Cechy:
    - wejście napięciowe nieodwracające (np wartości zadanej)
    - wejście odwracające (np z termistora)
    - wyjście napięciowe liniowe
    - wyjście PWM
    - wyjście zanegowane PWM
    - zasilanie symetryczne

    Kilka tematów na elektrodzie oraz być może przyszłościowe zastosowanie, zachęciło mnie do zmajstrowania tegoż układu. Poprzedzone to było małymi prototypami. Ponieważ nie byłem zadowolony z wersji różniczkującej na wzmacniaczu operacyjnym, być może z powodu konfiguracji, więc zrobiłem to inaczej. Tak wygląda opracowany przeze mnie schemat blokowy:

    Regulator PID w wersji analogowej, PWM, z teścikiem

    Drugi powód takiej konfiguracji to stałe czasowe, ponieważ kondensatory dla stałych czasowych rzędu sekund mają już wartości 10uF, a działają przy przemiennej polaryzacji sygnału. Stałą czasową można zwiększyć zmniejszając sygnał dla części całkującej, oraz wzmacniając dla różniczkującej. Stąd pierwszy wzmacniacz różnicowy o wzmocnieniu ok 20x daje sygnał bezpośrednio na różniczkujący, oraz dzielnik napięciowy podający sygnał na całkujący.

    Ponieważ różniczke robi zwyczajny dwójnik CR, różniczka ma wartość początkową zależną od sygnału, więc wzmacniacz z różniczki wzmacnia sygnał ok x4.

    Płytka jest zaprojektowana na montaż od strony elementów. Jednak zrobiłem odbicie lustrzane, gdyż zdecydowałem się na montaż DIP w tradycyjny przewlekany sposób (a nie jak zwykle w stylu smd). Także pliki pdf są w obu wersjach. :)

    Płytka ma przewidziane trzy potencjometry montażowe, w tym egzemplarzu nie używane, wszystko albo zrobiłem szacunkowo, albo przez chwilowe dolutowanie, i zastąpienie potem rezystorami. Bo w zasadzie taki był plan.

    Pomiar temperatury zrealizowany na czujniku KTY82
    Wzmacniacz operacyjny TL084 odpowiada za sygnały PID.
    Generatorek PWM na LM358 działa na jakiś 130Hz.
    Kondensatory całkowania i różniczkowania ceramiczne 10uF SMD 1206
    Płytka wymaga zasilania symetrycznego.

    Oczywiście wszystkie elementy, stałe czasowe i wzmocnienia, należy sobie dobrać pod konkretną realizacje.





    Regulator PID w wersji analogowej, PWM, z teścikiem Regulator PID w wersji analogowej, PWM, z teścikiem Regulator PID w wersji analogowej, PWM, z teścikiem

    Teścik:
    Element grzejny z inercją. Inercja jest zrealizowna poprzez pomiar temperatury blaszki mosiężnej, przykręconej do tranzystora, służącego za element grzejny. Zrobiłem testy porównawcze dla sterowania progowego, proporcjonalnego x50 oraz PID.

    Regulator PID w wersji analogowej, PWM, z teścikiem

    Test polegał na:
    1. ogrzaniu do wartości zadanej ok 90 stopni C
    2. upuszczeniu na blaszke mosiężną kropli wody
    3. ten punkt doszedł w trakcie testów, test modyfikacji wzmocnienia różniczki na punkt 2

    Wykresy:
    Na wykresach, oś X to czas w sekundach, oś Y dla sterowania wartość 160 odpowiada ok 6-7W mocy, natomiast temperatura to ok 5 jednostek na 1 stopień C. Dla czytelności temperatura jest przesunięta, 120 to ok 90C, a dla proporcjonalnego stabilizuje się jakieś 10 stopni niżej (60 jednostek). Na wykresie PID jest jeszcze sygnał z części różniczkującej.


    1. Start:

    Regulator PID w wersji analogowej, PWM, z teścikiem Regulator PID w wersji analogowej, PWM, z teścikiem Regulator PID w wersji analogowej, PWM, z teścikiem

    2. Odpowiedź na krople wody:


    Regulator PID w wersji analogowej, PWM, z teścikiem Regulator PID w wersji analogowej, PWM, z teścikiem Regulator PID w wersji analogowej, PWM, z teścikiem

    Jak widać na wykresie po odparowaniu kropli wody następuje dodatni skok temperatury. Ponieważ w pierwszym teście miałem lepsze wyniki dla progowego sterowania, dodałem wzmocnienie dla wyjścia różniczki i zrobiłem dodatkowy test 3. I powtórzyłem test sterowania progowego.

    3. Wzmocnienie różniczki:


    Regulator PID w wersji analogowej, PWM, z teścikiem Regulator PID w wersji analogowej, PWM, z teścikiem Regulator PID w wersji analogowej, PWM, z teścikiem

    Dla każdego testu wzmacniałem ok x3 razy wartość różniczki. Jak widać na wykresie dodatnie przelobowanie jest troszkę mniejsze, jednak zaczynają pojawiać się oscylacje w sygnale sterującym. Oraz wydłuża się czas stabilizacji.

    -----
    w załącznikach: PCB w formacie pdf (w odbiciu lustrzanym też), i schemat
    -----


    Fajne!
  • Semicon
  • #2 03 Cze 2018 14:57
    And!
    Admin grupy Projektowanie

    Ciekawa konstrukcja w obecnym cyfrowym świecie zdominowanym przez mikrokontrolery.

    Które tematy na elektrodzie zainspirowały Cię do tego eksperymentalnego układu?

    W takim regulatorze nie ma obawy, że np. program w mikrokontrolerze zawiesi się, z drugiej strony strojenie układu i podejrzenie "logów" jest trudniejsze :)

    Jakie narzędzia stosujesz do logowania parametrów?

  • Semicon
  • #3 03 Cze 2018 21:30
    trol.six
    Poziom 30  

    And! napisał:
    Które tematy na elektrodzie zainspirowały Cię do tego eksperymentalnego układu?

    Nie znajde wszystkich. Ale tu jest jeden:
    https://www.elektroda.pl/rtvforum/topic3458558.html

    And! napisał:
    Jakie narzędzia stosujesz do logowania parametrów?

    Zbierałem dostosowaną płytką z mikrokontrolerem który przesłał mi dane na komputerek, wykresy w OpenOffice.

    And! napisał:
    z drugiej strony strojenie układu i podejrzenie "logów" jest trudniejsze

    Nawet stosując cyfrowy regulator wskazane byłoby sprawdzić efekt jego działania.

    And! napisał:
    Ciekawa konstrukcja w obecnym cyfrowym świecie zdominowanym przez mikrokontrolery.

    Główne powody używania uC to większa uniwersalność, łatwość w dostosowaniu nastaw, możliwość modyfikacji algorytmu. Ale nie zawsze w grę wchodzą takie czynniki. Kolejna rzecz to kondensatory ceramiczne 10uF które nie są relatywnie tanie, jeśli potrzebujemy dużych stałych czasowych. W układzie całkowania 1uF też by dał radę, gorzej w układzie różniczkowania. Dawniej montowało się dwa tantalowe szeregowo połączone odwrotnie. W sumie robiłem testy z elektrolitycznymi, ale nie wiem czy zwykłe elektrolity pożyją w takiej konfiguracji.

  • #5 04 Cze 2018 08:41
    rb401
    Poziom 32  

    trol.six napisał:
    Kolejna rzecz to kondensatory ceramiczne 10uF które nie są relatywnie tanie, jeśli potrzebujemy dużych stałych czasowych.


    Ale generalnie jest z nimi taki kłopot że te ceramiczne smd o dużych pojemnościach, są wykonane z ceramiki ferroelektrycznej (np. X5R), która zapewnia małe wymiary w stosunku do pojemności. Niestety ta ceramika ma kiepską stabilność pojemności, np. zależy bardzo od temperatury i nawet od napięcia na kondensatorze.
    Tak że w tym zastosowaniu trzeba się liczyć z "rozjeżdżaniem" parametrów regulatora. To już elektrolity wydają się być dużo lepszym wyborem. A chyba najlepiej jakieś foliowe kondensatory polipropylenowe, choć będą stosunkowo większe gabarytowo.

    Co do Twojego tematu, to kawał ładnie zilustrowanej pracy edukacyjno-rozwojowej.

    Przypomniał mi się przy okazji analogowy sterownik PID przemysłowy, z którym miałem kiedyś dawno do czynienia.
    Ciekawe w nim było to, że jego wyjściem był tak właściwie duży precyzyjny potencjometr wyprowadzony swoimi końcówkami na zewnątrz regulatora do szafy sterowania obiektem. Potencjometr był napędzany silnikiem z układu regulatora, miał sporą gałkę umieszczoną za przeźroczystą osłoną. Tak że bardzo efektownie wyglądało jak podczas działania całego systemu gałka regulatora sama ruszała się w sposób "prawie magiczny".
    Uzasadnienie takiego a nie innego rozwiązania okazało się bardzo prozaiczne.
    Po prostu, w razie jakieś awarii, nawet poważnej, samego regulatora czy obwodu pomiarowego, dźwigało się tą osłonę na potencjometrze i ręcznie nim kręcąc regulowało obiekt.
    Na procesorowych PID takiego bajeru nie widziałem (a tym bardziej by się przydał, bo jak zawiśnie to kaszana zupełna).

  • #6 04 Cze 2018 21:45
    trol.six
    Poziom 30  

    rb401 napisał:
    Ale generalnie jest z nimi taki kłopot że te ceramiczne smd o dużych pojemnościach, są wykonane z ceramiki ferroelektrycznej (np. X5R), która zapewnia małe wymiary w stosunku do pojemności. Niestety ta ceramika ma kiepską stabilność pojemności, np. zależy bardzo od temperatury i nawet od napięcia na kondensatorze.

    Zgadza się, tutaj zastosowałem X7R, ale jak mi się zdaję:
    1. Parametry całkujące i różniczkujące nie są krytyczne. Często sam obiekt jest nieliniowy itp. itd. A sam sterownik PID nie jest ideałem sterowania wszystkimi procesami.
    2. Zmniejszenie pojemności ma wpływ na większe oscylacje przy całkowaniu, jeśli istnieje możliwość należy wydłużyć czas stabilizacji.
    3. Wartość całki i tak warto ograniczyć, ponieważ w sytuacjach niestabilnych po przeregulowaniu dojdzie do oscylacji albo nadmiernego przelobowania spowodowanego nadmierną całką. Czasem możemy tego nie chcieć.
    4. Jak ktoś się martwi dalej zakresem temperatur, to może sobie skompensować termistorem wstawionym do obwodu.
    5. Problem dotyczy dużych stałych czasowych, przy 1uF można już kupić poliestrowe czy też polipropylenowe. Które gabarytowo nie są jeszcze duże.
    6. Ostatecznie można inaczej zrealizować zadanie.

    Edit: 2018.06.06