Как сделать самому

Регулятор температуры с пультом управления

Популярная среди электронщиков схема регулятора температуры паяльника с использованием ПИД-регулятора и микроконтроллера. Весьма просто регулировать температуру паяльника, имея пульт управления с жидкокристаллическим экраном.

В таблице приведены основные компоненты необходимые для сборки данного регулятора:

Кроме основных компонентов, понадобится также ряд небольших деталей, провода, кнопки управления и т.д.

Как работает регулятор

Микроконтроллер считывает информацию с термопары, определяет текущую температуру жала паяльника и сравнивает ее с заданной. Затем, используя данные от ПИД-регулятора, микроконтроллер регулирует мощность подачи напряжения на нагревательный элемент паяльника через мосфет.

С помощью дисплея LCD на пульте управления вы можете установить и отслеживать заданную температуру.

Сборка регулятора

1. Сначала подключите все компоненты согласно схеме в таблице.
2. Разместите компоненты в корпусе, обеспечив безопасность от контакта с проводами.
3. Установите кнопки управления и дисплей LCD на пульт управления.
4. Установите реле и корпус розетки на пульт управления.
5. Подключите входное напряжение к трансформатору и проверьте работу паяльника.

После сборки и проверки вы можете пользоваться паяльником с автоматическим контролем температуры. Он будет обеспечивать стабильную температуру жала паяльника, что поможет вам сделать качественную работу без риска повреждения электронных компонентов.

РЕГУЛЯТОР ТЕМПЕРАТУРЫ ПАЯЛЬНИКА С КОНДЕНСАТОРАМИ

Температуру паяльника эта схема позволяет изменять от минимума до максимального значения. Чтобы паяльник прогрелся быстрее, есть смысл подать на него полное напряжение и снизить его, когда припой начинает хорошо плавиться.

СХЕМА

На схеме S1 — переключатель на 5 положений, в качестве гасящих элементов взяты конденсаторы. Конденсатор обладает реактивной составляющей сопротивления, что позволяет гасить часть напряжения и уменьшать его, чтобы избежать перегрева.

ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ДЕТАЛИ

• Конденсаторы взяты на 400 В
• Номинал подобран исходя из мощности паяльника 40 Вт
• Схема проста и надежна
• Позволяет регулировать температуру паяльника

РЕГУЛЯТОР ТЕМПЕРАТУРЫ ПАЯЛЬНИКА НА ТРАНЗИСТОРАХ

Этот регулятор оснащен двумя индикаторами: индикатор мощности и индикатор включенного регулятора. Построенный на транзисторах, он обеспечивает стабильное изменение температуры паяльника.

СХЕМА

• Резисторы SMD типоразмером 1206
• Мультивибратор, детектор нуля и параметрический стабилизатор
• Тиристор применен чувствительный с малым током удержания

ДЕТАЛИ

• Увеличение мощности и допустимого напряжения резисторов R9 и R8
• Тиристоры из китайских новогодних гирлянд

РЕГУЛЯТОР ТЕМПЕРАТУРЫ ПАЯЛЬНИКА НА МИКРОСХЕМЕ

Этот регулятор выполнен на микросхеме КР1182ПМ1 и является удобным и эффективным способом контроля температуры паяльника.

ПОЧИСТКА ЖАЛ ПАЯЛЬНИКА

Жало паяльника требует очистки, это можно сделать быстро и эффективно, проведя его по наждачной бумаге или протерев окалину тряпкой.

РЕГУЛЯТОР ТЕМПЕРАТУРЫ ПАЯЛЬНИКА СВОИМИ РУКАМИ — ВИДЕО

[RЕГУЛЯТОР ТЕМПЕРАТУРЫ ПАЯЛЬНИКА СВОИМИ РУКАМИ](Insert video link here)

ИНСТРУМЕНТ ДЛЯ МАСТЕРОВ И МАСТЕРИЦ, И ТОВАРЫ ДЛЯ ДОМА ОЧЕНЬ ДЕШЕВО. БЕСПЛАТНАЯ ДОСТАВКА. ЕСТЬ ОТЗЫВЫ.

PID Регулятор

ПИД регулятор состоит из трёх составляющих: пропорциональной P, интегрирующей I и дифференциирующей D, формируется просто как сумма трёх значений, умноженных каждая на свой коэффициент. Эта сумма после вычислений становится управляющим сигналом, который подаётся на управляющее устройство, обозначим его как out.

out = P*kP + I*kI + D*kD

kP, kI и kD это и есть те самые коэффициенты, которые нужно настроить для работы ПИДа. Значения тут могут быть самые разные, от 0.001 то десятков и тысяч, это зависит от конкретной системы. Тут есть ещё один момент: любой коэффициент может быть равен нулю, и в таком случае обнуляется вся его компонента. То есть регулятор можно превратить в П, ПИ, ПД, и прочие сочетания. Разные системы требуют разного подхода, именно поэтому ПИД регулятор такой универсальный.

P составляющая

Пропорциональная составляющая предоставляет собой разность текущего значения с датчика и установки.

P = setpoint — input

Данная разность называется ошибкой регулирования, то есть насколько далеко находится система от заданного значения. Получается чем больше ошибка, тем больше будет управляющий сигнал и тем быстрее система будет приводить управляемую величину к заданному значению. Коэффициент kP тут влияет роль усиления ошибки и настраивается вручную. Но в то же время, если система пришла к заданной величине, ошибка станет равной нулю, и управляющий сигнал тоже!

P составляющая является основной в ПИД регуляторе и так сказать тянет самую большую лямку, регулятор может неплохо работать только лишь на ней одной. P составляющая исправляет ошибку в текущий момент времени.

I составляющая

Интегральная составляющая просто суммирует в саму себя ту же самую ошибку, разность текущего и заданного значения, умноженную на период дискретизации системы, то есть на время, прошедшее с предыдущего расчёта dt – фактически берёт интеграл от ошибки по времени.

I = I + (setpoint — input) * dt

В самом регуляторе это ещё умножается на коэффициент kI, которым настраивается резкость данной составляющей. В интегральной составляющей буквально копится ошибка, что позволяет регулятору с течением времени полностью её устранить, то есть привести систему ровно к заданному значению с максимальной точностью. I составляющая исправляет прошлые, накопившиеся ошибки.

D составляющая

Дифференциальная составляющая представляет собой разность текущей и предыдущей ошибки, поделенную на время между измерениями, то есть на ту же dt, которая общий период регулятора. Иными словами – это производная от ошибки по времени.

err = setpoint — input
D = (err — prevErr) / dt
prevErr = err

Фактически D составляющая реагирует на изменение сигнала с датчика, и чем сильнее происходит это изменение, тем большее значение прибавляется к общей сумме.

Иными словами, D позволяет компенсировать резкие изменения в системе и при правильной настройке предотвратить сильное перерегулирование и уменьшить раскачку.

Коэффициент д позволяет настроить вес, или резкость данной компенсации, как и остальные коэффициенты регулируют свои составляющие. D составляющая в первую очередь нужна для быстрых систем, то есть для систем с резкими изменениями, такие как квадрокоптер или шпиндель станка под переменной нагрузкой.

D составляющая исправляет возможные будущие ошибки, анализируя скорость.

Реализация на C++

Соединяя все рассмотренные выше уравнения, получим:

void PID(float sensorValue, float setpoint, float kp, float ki, float kd, float dt, float outputLimit) {
    static float integral = 0;
    static float lastError = 0;
    
    float error = setpoint - sensorValue;
    float derivative = (error - lastError) / dt;
    integral += error * dt;
    
    float output = kp * error + ki * integral + kd * derivative;
    
    if (output > outputLimit) {
        output = outputLimit;
    } else if (output < -outputLimit) {
        output = -outputLimit;
    }
    
    lastError = error;
    
    return output;
}

Это готовая функция, которая принимает значение с датчика, установку, три коэффициента и время, а также ограничение выхода с регулятора.

Как пользоваться этой функцией: функция должна вызываться с некоторым периодом, причем длительность этого периода нужно будет передать в функцию в секундах. Если попроще, можно использовать задержку. Но делать так не рекомендуется, лучше сделать таймер на миллис и работать с ним.

Функция возвращает управляющий сигнал, то есть можно подать его например как ШИМ.

Период dt имеет такой смысл: чем инерционнее у нас система, тем реже можно вычислять ПИД. Например для обогрева комнаты период можно поставить 1 секунду или больше, а для контроля за оборотами двигателя надо будет поставить пару десятков миллисекунд, то есть около сотни раз в секунду.

Система управления

<iframe width=560 height=315 src=https://www.youtube.com/embed/rIbWnB26dp0 frameborder=0 allowfullscreen></iframe>

Прежде чем переходить непосредственно к пиду, очень важно понять и запомнить несколько базовых понятий, из которых состоит автоматическая система. В первую очередь это регулятор, который всем заправляет и находится в центре системы. Регулятор в данном понимании – математический алгоритм или часть программы, которая крутится на микроконтроллере. Регулятор, как алгоритм, работает с обычными числами. Объект управления – это девайс, которым мы управляем, например печка или мотор. Для этого у нас есть управляющее устройство, например диммируемый тен или драйвер мотора. Управляющее устройство получает от регулятора управляющий сигнал, то есть конкретное число. Это может быть заполнение шим сигнала, от 0 до 255, а может быть угол поворота сервомашинки от 0 до 180, потому что регулятору без разницы чем управлять. В объекте управления у нас стоит датчик, с которого регулятор получает управляемую величину, то есть текущий сигнал с датчика. Это – обратная связь, которая и даёт возможность системе точно поддержать заданное значение. В случае с печкой это температура, а с мотором – частота оборотов. Ну и наконец регулятор получает установку (уставку), то есть число, к которому он должен привести текущее значение с датчика. Установка может задаваться каким угодно образом: крутилкой, ползунком, энкодером, кнопками, да хоть смской или голосовым вводом. Регулятору это неважно, для него это просто цифра. Задача регулятора состоит в том, чтобы сравнивать текущее значение с установкой и выдавать управляющий сигнал на управляющее устройство. То есть в программе это будет выглядеть условно так: регулятор получил установку, регулятор получил значение с датчика, регулятор выполнил вычисления и выдал нам управляющий сигнал, опять же число. Если это шим – мы его подаём через функцию генерации шим. Есть ещё один момент – регулятор должен делать расчёты и применять управляющий сигнал через равные промежутки времени, то есть с равным периодом или частотой. Эта частота называется частотой дискретизации системы, а период обозначается как dt, прямо как период интегрирования.

Настройка регулятора

Для настройки регулятора нужно варьировать коэффициенты:

Вот так выглядит процесс стабилизации при изменении коэффициентов: Настройка регулятора – дело не очень простое. Начальные коэффициенты для подбора можно получить по следующему алгоритму: сначала выставляем все коэффициенты в 0. Плавно увеличиваем kP до появления незатухающих колебаний. Значение kP, при котором они появились, запишем и обозначим как kP1. Далее замеряем период колебаний системы в секундах, обозначим как T. Итоговые коэффициенты получим так:

Например, незатухающие колебания появились при kP 20, период колебаний составил 3 секунды. Период dt в системе будет 50 мс (0.05 с). Считаем:

На полученных коэффициентах должны более-менее работать большинство систем, но не все. Также можно воспользоваться автоматическим тюнером коэффициентов, например два разных алгоритма встроены в библиотеку GyverPID.