Έλεγχος Θερμοκρασίας με ανεμιστήρα χρησιμοποιώντας την πλατφόρμα μικροελεγκτών Arduino
Creators: name: Νικηφοράκης, Μάριος Ιωάννη
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2013
Subjects: Μοντελοποίηση
Απεικόνιση δεδομένων
Ελεγκτής θερμοκρασίας
Ελεγκτής στροφών
Modeling
Real time data acquisition
Temperature controller
Speed controller

description: Ο σκοπός της εργασίας είναι η ανάλυση των ελεγκτών PID (Proportional, Integral, Derivative) με χρήση της πλακέτας Arduino. Η απεικόνιση των δεδομένων όπως και η ανάλυση και μοντελοποίηση των άγνωστων συστημάτων γίνεται μέσω προγραμμάτων που υλοποιήθηκαν και εργαλείων του Matlab. Η συνεχής ανάγκη για καλύτερη ακρίβεια στην ρύθμιση κάποιον μεγεθών απαιτεί όλο και πιο σύγχρονες και καλύτερες μεθόδους ελέγχου. Ένας αρκετά ικανοποιητικός τύπος ελεγκτή, ο οποίος βρίσκει αρκετές χρήσεις σε βιομηχανικές περισσότερο αλλά και σε άλλες εφαρμογές, είναι ο αναλογικός, ολοκληρωτικός και διαφορικός ελεγκτής (PID). Ο ελεγκτής αυτός εξάγει αποτέλεσμα για τον έλεγχο του συστήματος όχι μόνο από το σφάλμα (διαφορά επιθυμητής τιμής με ανάδραση) αλλά επίσης από την κλίση του σφάλματος (διαφορικό κομμάτι) και από το εμβαδό του σφάλματος στον χρόνο (ολοκληρωτικό κομμάτι). Στην παρούσα εργασία γίνεται η κατασκευή ελεγκτή θερμοκρασίας και ελεγκτή στροφών ανεμιστήρα. Ο πρώτος ελεγκτής είναι συνδεδεμένος σε σειρά με κλειστό βρόχο που περιέχει τον δεύτερο ελεγκτή. Έτσι έγινε μια κατασκευή η οποία περιέχει έναν αισθητήρα θερμοκρασίας για την ανάδραση θερμοκρασίας, έναν ανεμιστήρα για την ψύξη του σύστηματος που θέλουμε να ελέγξουμε και μια λυχνία η οποία θερμαίνει σταθερά το περιβάλλον (για αλλαγή συνθηκών περιβάλλοντος). Η ανάδραση των στροφών του κινητήρα γίνεται μέσω αισθητήρα που περιέχεται στον ανεμιστήρα. Επίσης κατασκευάστηκε πρόγραμμα γραφικού περιβάλλοντος (GUI) σε Matlab για την real – time απεικόνιση των εισόδων και εξόδων των ελεγκτών, όσο και για την ρύθμιση των παραμέτρων του ελέγχου όπως για τα setpoints και τα κέρδη των ελεγκτών. Ο έλεγχος εκτελείται στην πλακέτα του Arduino ενώ η επικοινωνία της πλακέτας με τον υπολογιστή γίνεται μέσω USB και κατάλληλων προγραμμάτων. Το έγγραφο αρχικά περιέχει στα δύο πρώτα εισαγωγικά κεφάλαια μια βιβλιογραφική αναφορά για το Arduino και για το Matlab αντίστοιχα. Έτσι σε αυτά τα κεφάλαια υπάρχουν ιστορικές περιγραφές για τα αντικείμενα, ανάλυση των χαρακτηριστικών τους, όπως και τεχνικά ζητήματα που αφορούν την διαχείριση αυτών των εργαλείων. Στο τρίτο κεφάλαιο αρχικά αναλύεται ο στόχος της εργασίας, δίνονται τα διαγράμματα βαθμίδων του συστήματος και στην συνέχεια γίνεται η περιγραφή της κατασκευής που υλοποιήθηκε για να γίνει η εκτέλεση των πειραμάτων και η απεικόνιση των αποτελεσμάτων σε πραγματικό χρόνο. Έτσι αρχικά αναλύεται η κατασκευή ως προς το hardware που υλοποιήθηκε τόσο κυκλωματικά, όσο και κατασκευαστικά (χωροταξικά). Στην συνέχεια αναλύονται τα κομμάτια κώδικα που υλοποιήθηκαν (software) που είναι τα εξής: κώδικες σε Arduino για σειριακή επικοινωνία και έλεγχο και κώδικες σε Matlab για την σειριακή επικοινωνία, το γραφικό περιβάλλον του χρήστη και την εμφάνιση των αποτελεσμάτων που αποθηκεύτηκαν. Το τέταρτο και πέμπτο κεφάλαιο αποτελούν την προσπάθεια μοντελοποίησης του συστήματος ελέγχου ανεμιστήρα και θερμοκρασίας αντίστοιχα. Επίσης γίνεται σύγκριση του θεωρητικού μοντέλου με το πραγματικό καθώς και tuning του ελεγκτή με χειροκίνητο τρόπο αλλά και αυτόματο μέσω του θεωρητικού μοντέλου που υπολογίστηκε.
description: The purpose of this paper is to analyze the PID controllers (Proportional, Integral, Derivative) using Arduino. The representation of data as well as analysis and modeling of unknown systems is implemented through programs and tools of Matlab. The continuing need for better precision in system analysis requires ever more modern and better control methods. A fairly satisfactory type of controller, who finds many uses in industrial and other applications, is the proportional, integral and derivative controller (PID). The PID controller outputs the result to control the system not only by the error (difference setpoint with feedback) but also from the slope of the error (differential part) and the error area over time (integral part). In this paper described the construction of a thermostat and a fan speed controller. The first controller is connected in series with a closed loop containing the second controller. So it was made an electronic device that contains a temperature sensor for temperature feedback, one fan for the cooling of the controlled system and a lamp for the heating of the system. Feedback speed control of the fan implement throught a tacho sensor containing in the fan. Also built a graphical user interface program (GUI) in Matlab for real - time display of incoming and outgoing data of the controllers, and to configure the setpoints and gains of the controllers. The PID controllers are running in the Arduino board and the board's communication with the PC is via USB and appropriate programs. The document initially contains the first two introductory chapters a literature reference for the Arduino and Matlab respectively. So these chapters are historical descriptions of the objects, analyze their characteristics, as well as technical issues related to the management of these tools. In the beginning of third chapter discussed the scope of this work by giving the block diagrams of the system, then, a description of the pid device for the execution of experiments and real time data acquisition. So first analyzes the devices hardware implemented as electronic circuit, and construction layout. Afterwards, the software code described, which are: codes in Arduino for serial communication and control and codes in Matlab for serial communication, the graphical user interface and a code to display the stored results. The fourth and fifth chapter will attempt modeling fan control system and temperature control system respectively. Also compare the theoretical model with the real and tuning the controller in manual mode and automatic through the theoretical model that calculated.