Lämpötilan PID-säätö reaaliaikajärjestelmässä

Abstract

Kajaanin ammattikorkeakoululle hankittiin keväällä 2006 uusi mittaustekniikan laitteisto. Tämä laitteisto oli National Instrumentsin CompactRIO. Lopputyön tarkoituksena oli laitteiston käyttöönotto, lämpötilanohjaussovelluksen rakentaminen ja laitteiston testaus Ziegler-Nicholas-menetelmän PID-säädöllä. Mittausjärjestelmä koostui CompactRIO-laitteistosta, jossa oli reaaliaikakontrolleri ja FPGA-piiri sekä kaksi I/Omoduulia, lähtöön ja tuloon. Ohjattavana prosessina toimi yksinkertainen lämpötilansäätö, joka oli toteutettu tehovastuksen ja siihen liitetyn Pt100-lämpötila-anturin avulla. Lisäksi järjestelmässä oli kaksi sovitinyksikköä, joilla signaalia vahvistettiin CompactRIO:n tulossa ja lähdössä. Työtä varten tehtiin kolme ohjelmaa, yksi CompactRIO:n FPGA-piirille, yksi CompactRIO:n reaaliaikakontrollerille ja yksi isäntätietokoneelle. Ohjelmien teossa käytettiin National Instrumentsin LabVIEW-ohjelmistoa. Tuloksena saatiin toimiva säätöjärjestelmä, jossa tieto lämpöprosessista kulki anturilta kahden laitteen ja ohjelman kautta isäntätietokoneen ohjelmalle. Prosessinohjaustieto siirtyi isäntätietokoneelta takaisin lämpötilansäätöprosessiin. Testauksessa tehtiin neljä testimittausta, joissa lämpötilan asetusarvo nostettiin arvosta 20 °C arvoon 100 °C, ja seurattiin järjestelmän vastetta eri PID-arvoilla. Testimittausten perusteella Ziegler-Nicholas-menetelmän PIsäätö osoittautui selvästi parhaaksi säätömenetelmäksi tässä järjestelmässä. CompactRIO-laite on erittäin toimiva tiedonkeruu- ja ohjauslaite. Sillä voidaan mitata useita erilaisia prosesseja, koska laitteeseen voidaan kiinnittää erilaisia I/O-moduuleja, joilla voidaan mitata eri asioita. Tässä sovelluksessa ei nähty CompactRIO:n todellista suorituskykyä, koska ohjattava prosessi oli suhteellisen hidas.

In the spring 2006 new measurement equipment from National Instruments, called CompactRIO, was acquired to Kajaani University of Applied Sciences. This CompactRIO equipment is used to control a temperature process. The measurement system consists of the CompactRIO equipment, two connection units and a resistor which is heated. The temperature of the resistor was read with the Pt100 temperature sensor. Three control programs were made for this project, one for the CompactRIO’s FPGA-chip, one for the CompactRIO’s Real-Time Controller and one for the host computer. National Instrument’s LabVIEW-software was used to build the control programs. Four test measurements were made to test the functionality of the system. In the tests the set point of the temperature was raised from 20 °C to 100 °C. Different PID-values were used in the different measurements. After every measurement the response of the system was notice. The results showed that the Ziegler-Nicholas PI-method was the best controlling method in this study. The CompactRIO equipment is very useful in various measurement tasks. In this case the speed of the temperature change was too slow to show the real performance of CompactRIO.