PID 온도 컨트롤러 마스터하기: 설계 및 구현 단계별 가이드

PID 또는 비례-적분-미분(PID) 컨트롤러는 압력, 유량, 기타 공정 변수, 그리고 더 나아가 온도 제어에 사용됩니다. 비례-적분-미분 컨트롤러의 목적은 온도 설정을 기반으로 특정 설정값(setpoint)과 피드백이 일치하도록 강제하는 것입니다. PID 온도 컨트롤러는 주로 공정에 에너지 추가 변화에 빠르게 반응하는 시스템에서 많이 사용됩니다. 이러한 것은 일정한 부하 변화가 있고 약간 작은 질량으로 구성된 시스템에서 매우 유용합니다.

간단히 말해, PID 컨트롤러는 설정값을 보고 온도를 원하는 설정값으로 변환하는 장치입니다. 그렇다면 PID 온도 컨트롤러를 어떻게 설정하나요? 따라야 할 도구, 단계, 예방 조치는 무엇입니까? 이 기사는 PID 온도 컨트롤러와 관련된 거의 모든 것, 설정부터 필요한 도구, 따라야 할 단계 등을 논의하려고 시도합니다.

PID 온도 컨트롤러 작동 원리

PID 온도 컨트롤러 뒤에 있는 작동 원리를 명확히 이해하려면 아래 다이어그램을 주의 깊게 살펴봐야 할 수도 있습니다.

여기서 무슨 일이 일어나고 있나요? 설정값(SP)은 전체 공정이 생성해야 하는 원하는 값입니다. 집의 온도 제어 시스템에 22°C의 설정값이 있다고 가정해 봅시다.

따라서 전체 공정이 22°C 또는 그에 매우 가까운 안정적인 온도를 생성하기를 원한다면. 이 지점에서 PID 온도 컨트롤러가 개입합니다. PID 컨트롤러는 설정값을 고려한 다음 공정 변수(PV)의 실제 값과 비교합니다.

집으로 돌아가서, PID 컨트롤러는 현재 실내 온도 값을 보고 22°C에서 얼마나 멀거나 가까운지 확인합니다. 설정값(SP)과 공정 변수(PV)가 같으면 컨트롤러는 별로 할 일이 없습니다. 하지만 두 값 사이에 차이가 있으면 수정해야 할 오류가 있음을 의미합니다.

집으로 돌아가서, 수정이 필요한 오류는 PV 값이 SP보다 높거나 낮은지에 따라 냉각 또는 가열이 될 수 있습니다. 온도가 낮으면 센서가 낮은 온도를 감지하여 컨트롤러에 공급합니다. 컨트롤러는 '온도 오류'를 보고 이를 수정하거나 원하는 범위로 변환하려고 시도합니다. 방해(온도 증가/감소)가 시스템을 다시 치면 컨트롤러가 다시 작동합니다. 그만큼 간단합니다.

PID 설정: 필요한 도구 및 재료

직접 PID 온도 컨트롤러를 설정할 계획이신가요? 그렇다면 반드시 갖추어야 할 도구와 재료가 있습니다. 잘못되거나 표준 이하의 도구와 재료를 사용하면 기능이 불쾌한 PID 온도 컨트롤러가 될 것임을 확신할 수 있습니다. 올바른 도구와 장비 유형은 온도를 원하는 설정값으로 변환하거나 설정하는 PID 온도 컨트롤러를 만드는 데 필요합니다.

다음은 PID 온도 컨트롤러를 직접 설정하려는 경우 필요할 도구들입니다:

• 납땜 인두, 플럭스 핀셋, 납 와이어
• 밀링 머신
• 레이저 커터
• FTDI 시리얼 TTL-232 USB 케이블
• 멀티미터 (전압계 및 옴미터 모두)

나만의 PID 온도 컨트롤러를 향한 첫 번째 단계는 위 모든 도구가 당신의 소유 내에 있는지 확인하는 것입니다.

·재료

도구 외에도 다음은 당신이 또한 필요로 할 재료 조합을 구성합니다:

• 단면 베이클라이트 구리판 (60*35 mm 사용이 좋음)
• Attiny 45 마이크로컨트롤러
• 고체 상태 릴레이
• 1N4004 다이오드
• 네일 폴리시
• 커패시터 (가급적 SMT 0603 Adafruit 북)
• AC-DC 트랜스포머 (가급적 230V-9V)
• 트랜지스터
• 연산 증폭기
• 전압 레귤레이터

컨트롤러 프로그래밍

PID 온도 컨트롤러를 프로그래밍하여 그 역할을 달성하도록 하는 것은 그렇게 복잡한 과정이 아닙니다. 올바른 소프트웨어만 있으면 됩니다. 그곳에는 많은 소프트웨어 패키지가 있지만, PID 튜너(PID Tuner)가 최고인 것 같습니다.

그러한 몇 가지 이유가 있습니다. 예를 들어, PID 튜너 소프트웨어는 여러 개별 루프를 돌리는 과정을 진동을 줄이고 대역폭을 늘려 단순화합니다.

이 소프트웨어는 또한 무료로 원하는 설계 및 성능 요구 사항을 달성할 수 있게 합니다. PID 튜너는 견고하고 간단하며 광범위한 작동 조건에서 우수한 성능을 제공합니다.

PID 튜너 소프트웨어 외에도 IJ-6 소프트웨어도 사용할 수 있습니다. 이 유형의 소프트웨어는 광범위한 온도 범위를 매우 쉽게 안전하게 모니터링하고 제어할 수 있게 합니다.

필요한 PID 값으로 조정하는 방법

튜닝은 온도를 필요한 양으로 변경하는 과정입니다. 슬프게도 PID 온도 컨트롤러 튜닝은 어디서 시작해야 할지, 어떤 방향을 따라야 할지 알기 어렵게 보입니다. 세 가지 주요 PID 온도 컨트롤러 튜닝 방법이 있습니다. 수동 튜닝, 자동 튜닝, 휴리스틱 튜닝으로 아래에 설명되어 있습니다:

·수동 튜닝

수동 튜닝은 리셋 시간을 최대값으로 설정하고 비율을 0으로 유지하여 달성할 수 있습니다. 그 후, 루프가 안정적인 진폭에서 진동하기 시작하는 수준으로 이득을 증가시켜야 합니다. 오프셋을 수정하고, PID의 이득을 리셋 값의 절반으로 설정하면서 시간을 조정해야 합니다.

·자동 튜닝

여기서 PID 컨트롤러는 일반적으로 정확한 PID 설정에서 모든 변화나 교란에 어떻게 반응할지 '학습'합니다. '자동 튜닝' 기능을 선택하면 컨트롤러가 즉시 출력을 트리거합니다. 주목할 점은 자동 튜닝이 성공하려면 컨트롤러에 10도 이상의 설정값이 필요하다는 것입니다.

·휴리스틱 튜닝

치글러-니콜스(Ziegler-Nichols) 방법으로도 알려진 휴리스틱 튜닝은 PID 컨트롤러를 튜닝하는 또 다른 방법입니다. 이를 달성하려면 적분 값 I와 미분 D 이득을 0으로 설정해야 합니다. 비례 이득 P는 최종 이득 K_u로 알려진 것에 도달할 때까지 천천히 증가시킵니다.

주의해야 할 몇 가지 사항

PID 온도 컨트롤러와 관련하여 항상 면밀히 주의를 기울여야 할 몇 가지 사항이 있습니다. 다른 것들 중에서 안전과 예방 조치가 가장 중요합니다. 당신이나 당신 가까이에 있는 사람들의 생명을 위험에 빠뜨리지 않도록 특정 예방 조치를 고려해야 합니다. 첫째, 새로 구입한 PID 온도 컨트롤러를 설치하는 방법을 모른다면 전문가의 서비스를 구하는 것이 더 낫습니다.

또한 핸드북의 지침에 따라 온도 컨트롤러를 연결하는 것이 중요합니다. 또한 컨트롤러가 앉아야 할 위치에서 전도성 오염이 배제되도록 하세요. 마지막으로 컨트롤러의 중요한 부분이 완전히 인클로저되어 있는지 확인하세요.

PID 온도 컨트롤러가 적용될 수 있는 분야

PID 온도 컨트롤러는 주목할 만한 여러 응용 분야에서 사용됩니다. PID 제어가 노이즈와 씨름하지만, 그럼에도 불구하고 많은 분야에서 필요합니다. 전 세계 수백만 가정, 차량, 사업체가 PID 온도 컨트롤러에 의존합니다. 그러나 산업 부문에서 많이 사용됩니다.

비례-적분-미분(PID) 온도 컨트롤러의 일상적인 산업 응용 분야는 다음과 같습니다.

• 용광로 온도 제어 - 대다수 용광로는 고온에서 대량의 원자재를 보유합니다. 열에 관계없이 재료 온도는 빠르게 변하지 않습니다. 그러나 미분 항은 안정적인 PV 신호를 사용하여 오류를 수정합니다.

• 배치 온도 제어 - 여기서는 온도가 원치 않는 수준으로 상승할 수 있는 닫힌 시스템에서 작업이 수행됩니다. 모든 것을 통제하에 두기 위해 PID 온도 제어가 필요합니다.

• 중화 pH 제어 - 많은 산업에서 pH를 상당한 도전으로 봅니다. 예를 들어, 때로는 비선형적일 수 있는데, 이는 많은 기업이 씨름하는 측면입니다. 여기서 PID 온도 컨트롤러가 나옵니다. PID 온도 컨트롤러는 pH를 효율적으로 중화하여 통제하에 둡니다.

요약

이름에서 알 수 있듯이 PID 온도 컨트롤러는 온도 제어에 사용되는 장치입니다. 입력을 받는 센서와 다른 쪽 끝에는 히터나 팬 같은 요소/장치에 연결된 출력이 있습니다. PID 온도 컨트롤러는 가정, 차량, 사무실에서 사용됩니다. 그러나 산업 제어 응용 분야에서 많이 사용됩니다. 원하는 온도 수준을 달성하려면 튜닝이 필요합니다. 다행히 사용자가 사용할 수 있는 이 장치들을 튜닝하는 방법은 하나 이상 있습니다. 더 좋은 점은 PID 온도 컨트롤러를 원하는 대로 작동하도록 프로그래밍하는 데 의존할 수 있는 몇 가지 소프트웨어 플랫폼이 있다는 것입니다. PID 온도 컨트롤러를 설정할 때 특정 예방 조치가 고려되도록 하는 것이 중요합니다. 그러한 예방 조치로 당신의 안전과 온도 컨트롤러의 수명을 보장할 수 있습니다.