PID温度コントローラー完全ガイド：設計と実装のステップバイステップ

PIDまたは比例積分微分（PID）コントローラーは、圧力、流量、その他のプロセス変数、そしてより重要なのは温度の制御に使用されます。比例積分微分コントローラーの目的は、温度設定に基づいてフィードバックを特定のセットポイントに一致させることです。PID温度コントローラーは、プロセスへのエネルギー追加の変化に速く反応するシステムで主に使用されます。このようなシステムは、一定の負荷変化があり、わずかに小さな質量で構成されています。

簡単に言えば、PIDコントローラーはセットポイントを見て、その後温度を望ましいセットポイントに変換するデバイスです。では、PID温度コントローラーをどのようにセットアップしますか？従うべきツール、ステップ、予防措置は何ですか？この記事では、PID温度コントローラーに関するほぼすべて、セットアップから必要なツール、従うべきステップなどについて議論します。

PID温度コントローラーの動作原理

PID温度コントローラーの背後にある動作原理を明確に理解するには、以下の図を注意深く見る必要があります。

では、ここで何が起こっているのでしょうか？セットポイント（SP）は、プロセス全体が生成しなければならない望ましい値です。自宅の温度制御システムのセットポイントが22°Cだと仮定します；

したがって、プロセス全体が22°Cに近い安定した温度、またはそれに非常に近いものを作成することを望みます。ここでPID温度コントローラーが登場します。PIDコントローラーはセットポイントを考慮し、それをプロセス変数（PV）の実際の値と比較します。

自宅に戻ると、PIDコントローラーは現在の室温の値を見て、それが22°Cからどれだけ遠いか、または近いかを確認します。セットポイント（SP）とプロセス変数（PV）が同じ場合、コントローラーはそれほどすることはありません。しかし、2つの値に差がある場合、修正が必要なエラーがあることを意味します。

自宅に戻ると、修正が必要なエラーは冷却または加熱であり、これはPV値がSPより高いか低いかに依存します。温度が低い場合、センサーはより低い温度を拾い、コントローラーに送ります。コントローラーは「温度のエラー」を見て、それを修正または望ましい範囲に変換しようとします。再び攪乱（温度の増加/減少）がシステムに襲いかかると、コントローラーは再び作動します。それだけシンプルです。

PIDセットアップに必要なツールと材料

自分でPID温度コントローラーをセットアップする予定ですか？そうなら、いくつかのツールと材料が必要です。間違ったまたは標準以下のツールと材料を使用すると、機能が不愉快なPID温度コントローラーになることは確実です。適切なツールと機器の種類は、温度を望ましいセットポイントに変換または設定するPID温度コントローラーを作成するために必要です。

以下は、自分でPID温度コントローラーをセットアップしたいときに必要となるツールです：

• ハンダゴテ、フラックスピンセット、はんだ線
• フライス盤
• レーザーカッター
• FTDIシリアルTTL-232 USBケーブル
• マルチメーター（電圧計とオームメーターの両方）

自分でPID温度コントローラーを持つための最初のステップは、上記のすべてのツールがあなたの所有下にあることを確認することです。

・材料

ツールとは別に、以下が必要な材料の組み合わせです：

• 片面ベークライト銅板（60×35mmが良い）
• Attiny 45マイクロコントローラー
• ソリッドステートリレー
• 1N4004ダイオード
• ネイルポリッシュ
• コンデンサ（SMT 0603 Adafruitブックが好ましい）
• AC-DCトランス（230V-9Vが好ましい）
• トランジスタ
• オペアンプ
• 電圧レギュレーター

コントローラーのプログラミング

PID温度コントローラーをプログラミングし、その役割を果たすようにすることは、それほど複雑なプロセスではありません。必要なのは適切なソフトウェアだけで、それで準備完了です。そこに頼れるソフトウェアパッケージがたくさんありますが、PIDチューナーが最良のようです。

その理由はいくつかあります。例えば、PIDチューナーソフトウェアは、振動を減らし帯域幅を増やすことで、いくつかの個別ループの調整プロセスを簡素化します。

このソフトウェアは、無料で望ましい設計と性能要件を達成することもできます。PIDチューナーは堅牢でシンプルで、幅広い動作条件で優れた性能を発揮します。

PIDチューナーソフトウェアとは別に、IJ-6ソフトウェアも使用できます。このタイプのソフトウェアは、幅広い温度範囲を非常に容易に安全に監視および制御できます。

必要なPID値に調整する方法

チューニングは、温度を必要な量に変更するプロセスです。残念ながら、PID温度コントローラーのチューニングは、どこから始めればよいか、どの方向に進めばよいか分からないため、少しトリッキーに見えます。PID温度コントローラーのチューニングには3つの主な方法があります。手動チューニング、オートチューン、チューニングヒューリスティックで、以下で説明します：

・手動チューニング

手動チューニングは、リセット時間を最大値に設定し、レートをゼロにしたままにすることで達成できます。その後、ゲインを安定した振幅でループが振動し始めるレベルまで増やす必要があります。オフセットを修正し、PIDの利益をリセット値の半分に設定しながら時間を調整します。

・オートチューン

ここでは、PIDコントローラーが通常、精密なPID設定で変化や攪乱にどう反応するかを「学習」します。「オートチューン」機能を選択すると、コントローラーは即座に出力をトリガーします。重要なのは、オートチューニングを成功させるには、コントローラーに10度以上のセットポイントが必要だということです。

・チューニングヒューリスティック

ツィーグラー・ニコルズ法としても知られるチューニングヒューリスティックは、PIDコントローラーをチューニングする別の方法です。これを達成するには、積分値Iと微分Dゲインをゼロに設定する必要があります。比例ゲインPは、最終ゲインK_uとして知られるものに達するまでゆっくりと増やされます。

注意すべきいくつかの事項

PID温度コントローラーに関しては、常にいくつかの事項に細心の注意を払う必要があります。他のことの中でも、安全と予防が最も重要です。あなたの人生やあなたに近い人々を危険にさらさないよう、特定の予防措置を考慮する必要があります。まず、新しく入手したPID温度コントローラーの設置方法がわからない場合、専門家のサービスを求めるのが得策です。

また、ハンドブックの指示に従って温度コントローラーを接続することが重要です。また、コントローラーが置かれる場所から導電性汚染が除外されることを確認してください。最後に、コントローラーの重要な部分が完全に囲まれていることを確認してください。

PID温度コントローラーが適用できる分野

PID温度コントローラーは、注目に値するいくつかのアプリケーションで使用されています。PID制御はノイズに苦労しますが、それでも多くの分野で必要とされています。世界中の数百万の家庭、車両、事業体がPID温度コントローラーに依存しています。しかし、産業部門で重く使用されています。

比例積分微分（PID）温度コントローラーの日常的な産業用途のいくつかを紹介します。

• 炉温度制御 – 大半の炉は、高温で大量の原材料を保持します。熱に関わらず、材料の温度は急速には変わりません。しかし、微分項が安定したPV信号を使用してエラーを修正します。

• バッチ温度制御 – ここでは、操作は温度が望ましくないレベルまで上昇する可能性のある閉鎖システムで行われます。すべてを制御下に置くためにPID温度制御が必要です。

• 中和pH制御 – 多くの産業はpHを大きな課題と見なしています。例えば、時に非線形になりがちで、多くの企業が苦労する側面です。ここでPID温度コントローラーが登場します。PID温度コントローラーは効率的にpHを中和し、制御下に置きます。

まとめ

名前が示す通り、PID温度コントローラーは温度を制御するデバイスです。入力を取るセンサーと、ヒーターやファンなどの要素/デバイスに接続された出力で構成されます。PID温度コントローラーは家庭、車両、オフィスで使用されます。しかし、産業制御アプリケーションで重く使用されています。望ましい温度レベルを達成するにはチューニングが必要です。幸い、ユーザーが使用できるこれらのデバイスのチューニング方法は複数あります。さらに、PID温度コントローラーを望むように機能させるためにプログラミングするために頼れるソフトウェアプラットフォームがいくつかあります。PID温度コントローラーをセットアップする際、特定の予防措置が考慮されることが重要です。このような予防措置により、あなたの安全と温度コントローラーの長寿命を確保できます。