Hőmérsékletszabályozás

Mivel a szabályozástechnika tárgy előadásán éppen a PID szabályzókról van szó, ezért időszerűnek tartottam kipróbálni ennek az alkalmazását egy gyakorlati problémára, mégpedig egy 3D nyomtató extruderfejének hőmérsékletszabályzására.

A fűtőszál maximális árama a névleges 12V-on kb. 2,5A. A fűtéshez a labortápot egy PWM jellel kapcsolt MOSFET-en keresztül kapcsoltam a fűtőszálra. A hőmérséklet kiszámítására egy beépített NTC (negative temperature coefficient) hőmérséklettől függő ellenállás használható. A mérési elrendezés:

Mérési elrendezés az extruderfej hőméréskletszabályzásához.

Használjunk először egy mezei P szabályzót. A célhőmérséklet 150 °C. (Az itt használandó műanyagok nyomtatási hőmérséklete kb. 180-250 °C) Legyen a beavatkozójel (PWM kitöltési tényezője %-ban) a hiba (cél és mért hőmérsékletek különbsége °C-ban) Kp-szorosa. Az időtengely mértékegysége másodperc:

P szabályzó Kp=1

(A grafikon nem szobahőmérsékletről indult, mert több mérést végeztem, és közte nagyon lassan (exponenciális jelleggel) hűlt le az extruderfej.) Növelve az erősítést:

Sajnos nem érjük el a kívánt hőmérsékletet, mindig marad egy kis hiba. Most adjunk hozzá egy integrátort; az ehhez tartozó állandó legyen Ki=Kp/Ti. A kék és narancs vonalak a P és I szabályzókból származó beavatkozójel-komponenseket jelölik:

PI szabályzó Kp=1, Ti=200

PI szabályzó Kp=1, Ti=100

PI szabályzó Kp=1, Ti=60

PI szabályzó Kp=1, Ti=40

Az integrál nem a 0-ról indul, mert akkor a beavatkozójel a maximálisan kiadható 100% fölött lenne, a felfűtés alatt az integrátor értéke pedig annyira megnőne, hogy a túllövéshez a vártnál nagyobb lenne; ezt nevezik integral windup-nak. Ennek mérséklésére a 100% fölötti rész az I tagból levonásra kerül. D szabályzót nem implementáltam, mert úgy láttam, hogy a változások túl lassúak, és ezért nem tűnt indokoltnak.

Egy fontos észrevétel, hogy a szabályzó csak fűteni tud, de a hűtés csak passzív módon lehetséges, ezért a lehűlés jóval lassabban történik, mint a felfűtés, ahogy az az utolsó grafikonból is látszik.

Ez az eszköz felhasználásra fog kerülni a jelenleg készülő SEM-es 3D nyomtató projektben.