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BASIC4MCU | 질문게시판 | PID 제어에 대해 질문 드립니다

페이지 정보

작성자 miniPCR 작성일2022-07-09 15:36 조회653회 댓글1건

본문

	

안녕하십니까 학부연구생으로 일하고 있는 기계공학부 학생입니다

연구실에서 PCR 기계를 설계하라고 하셔서 설계 중에 있습니다.

PCR 기계란, DNA를 각각 94도, 72도 56도에 30초간 유지시키는 사이클을 약 30회 반복하여 DNA를 증폭하는 기계입니다.

4d88cc7c2ae90be08caa1861237184e7_1657346841_4354.jpg
현재 기계 설계한 구조가

1. 모터드라이버, 방열팬 전원을 어뎁터로 연결한다

1-1. 방열팬은 어뎁터 전원 연결 즉시 ON

2. 아두이노 전원은 pc와 연결한다

3. 아두이노에 LCD 모니터, 로터리 엔코더 모듈, 열전대, 모터드라이버를 연결한다

3-1. LCD 모니터에 온도, 사이클 횟수, 온도 유지 시간 등을 표시한다

3-2. 로터리 엔코더 모듈로 사이클 시작 전 목표 온도, 온도 유지 시간, 사이클 횟수 등을 입력할 수 있게 한다

3-3. 열전대로 알루미늄판의 온도를 읽는다

3-4. 아두이노로 모터드라이버를 제어하여 펠티어 소자에 아날로그값을 입력하여 PID제어한다.

 

아래는 코드 첨부하겠습니다

#include  

#include  

#include

#include

#include "Adafruit_MAX31855.h"                  //라이브러리

 

int PWM = 5;

int Direction = 4;

int Brake = 2;

int SW = 6;

int CLK = 7;

int DT = 8;

int DO = 9;

int CS = 10;

int CLK2 = 11;                                         //핀 번호 지정

 

LiquidCrystal_I2C lcd(0x27, 16, 2);

Adafruit_MAX31855 thermocouple(CLK2, CS, DO);

 

int i = 0;                                                //시간 카운트용 변수

int j = 0;                                                //사이클 카운트용 변수

 

int currentStateCLK;       // CLK의 현재 신호상태 저장용 변수

int lastStateCLK;          // 직전 CLK의 신호상태 저장용 변수

unsigned long currentMillis;

unsigned long previousMillis = 0;

 

double readTemp;

double kp = 1;

double ki = 1;

double kd = 1;

double PID_val;

double priviousPID_val;

 

double Temp1 = 94;

double Temp2 = 56;

double Temp3 = 72;       

 

int Time1 = 30;               

int Time2 = 30;               

int Time3 = 30;             

 

int Cycle = 3;                          

 

void setup() {

  Serial.begin(9600);

  

  lcd.begin();

  lcd.backlight();

 

  analogWrite(PWM, 0);

  digitalWrite(Brake, LOW);

 

  pinMode(Direction, OUTPUT);

  pinMode(Brake, OUTPUT);

  pinMode(SW, INPUT_PULLUP);

  pinMode(CLK, INPUT_PULLUP);

  pinMode(DT, INPUT_PULLUP); 

 

  lcd.setCursor(3,0);

  lcd.print("Temp1");

  Temp1 = RotteryModule(90,99,Temp1);

  

  lcd.print("Temp2");

  Temp2 = RotteryModule(50,59,Temp2);

  

  lcd.print("Temp3");

  Temp3 = RotteryModule(70,79,Temp3);

 

  lcd.print("Time1");

  Time1 = RotteryModule(0,50,Time1);

 

  lcd.print("Time2");

  Time2 = RotteryModule(0,50,Time2);

  

  lcd.print("Time3");

  Time3 = RotteryModule(0,50,Time3);

 

  lcd.print("Cycle");

  Cycle = RotteryModule(1,50,Cycle);                 //로터리 엔코더 모듈로 입력값 받아옴

 

  lcd.print("Temp");

  lcd.setCursor(11,0);

  lcd.print("'C");

 

  while(j < Cycle){

    ShowCycle();

    digitalWrite(Direction, HIGH);

    while(readTemp < Temp1 || isnan(readTemp)){

      readTemp = thermocouple.readCelsius();

      pid(Temp1);

      ShowTemp();

  }                                                           //알루미늄판 온도가 Temp1값 넘을때까지 pid제어

 

  i = 0;

  ReadyTime();

  kp=1;

  ki=1;

  kd=1;

  while(i

    readTemp = thermocouple.readCelsius();

    pid(Temp1);

    ShowTempMonitor();

    ShowTime();

    count();

  }                                                            //알루미늄판 온도가 Temp1 넘는 순간 Time1시간동안 pid제어

 

  ShowCycle();  

  while(readTemp >= Temp2 + 2 || isnan(readTemp)){

    readTemp = thermocouple.readCelsius();

    ShowTemp();

    Tempdown();                                          //알루미늄판 온도가 Temp2가 되기 2도 전까지 전류를 반대로 흘려 냉각

  }

  digitalWrite(Direction, HIGH);

  while(readTemp >= Temp2 || isnan(readTemp)){

    readTemp = thermocouple.readCelsius();

    pid(Temp2);

    ShowTemp();                                          //알루미늄판 온도가 Temp2보다 낮아질때까지 pid제어

  }

 

  i = 0;

  ReadyTime();

  kp=1;

  ki=1;

  kd=1;

  while(i

    readTemp = thermocouple.readCelsius();

    pid(Temp2);

    ShowTemp();

    ShowTime();

    count();                                                    //알루미늄판 온도가 Temp2가 되는 순간 Time2시간동안 pid제어

  } 

 

  ShowCycle();

  while(readTemp < Temp3 || isnan(readTemp)){

    readTemp = thermocouple.readCelsius();

    pid(Temp3);

    ShowTemp();

  }                                                               //알루미늄판 온도가 Temp3 될때까지 pid제어

 

  i = 0;

  ReadyTime();

  kp=1;

  ki=1;

  kd=1;

  while(i

    readTemp = thermocouple.readCelsius();

    pid(Temp3);

    ShowTemp();

    ShowTime();

    count();

  }                                                              //알루미늄판 온도가 Temp3가 되는 순간 Time3시간동안 pid제어

  j++;

}

lcd.clear();

lcd.setCursor(7,0);

lcd.print("END");     

}

void loop(){}

 

void pid(double Temp){

  PID P1(&readTemp, &PID_val, &Temp ,kp, ki, kd, DIRECT);

  P1.SetMode(AUTOMATIC);

  P1.SetOutputLimits(0,255);

  P1.Compute();

  if( isnan(PID_val)){

    Serial.print("error");

    PID_val = priviousPID_val;

  }

  else{

    analogWrite(PWM, PID_val);

  }

  priviousPID_val = PID_val;

}

 

void Tempdown(){                      

  digitalWrite(Direction, LOW);

  analogWrite(PWM, 255); 

}    

 

void ShowTempMonitor(){

  lcd.setCursor(8,0);

  lcd.print(float(readTemp),1);

  Serial.println(readTemp);

}

 

void ShowTemp(){

  lcd.setCursor(8,0);

  lcd.print(float(readTemp),1);

}

 

void count(){

  currentMillis = millis();

  if(currentMillis - previousMillis >= 1000){

    previousMillis = currentMillis;

    i++;

  }

}

 

void ReadyTime(){

  lcd.setCursor(3,1);

  lcd.print("        ");

  lcd.setCursor(3,1);

  lcd.print("Time");  

  lcd.setCursor(10,1);

  lcd.print("s");

}

 

void ShowTime(){

  lcd.setCursor(8,1);

  lcd.print(int(i)); 

}

 

void ShowCycle(){

  lcd.setCursor(3,1);

  lcd.print("        ");

  lcd.setCursor(3,1);

  lcd.print("Cycle");  

  lcd.setCursor(9,1);

  lcd.print(j+1); 

}

 

int RotteryModule(int min_val, int max_val, int variable){  

  lastStateCLK = digitalRead(CLK);

  while(digitalRead(SW) == HIGH){

    currentStateCLK = digitalRead(CLK);

    if (currentStateCLK != lastStateCLK  && currentStateCLK == 1){

      if (digitalRead(DT) != currentStateCLK){

        variable--;

      }

      else{

        variable++;

      }

    }

    if(variable > max_val){

      variable = min_val;                    

    }

    if(variable < min_val){

      variable = max_val;

    }

    if(variable <= 9){

      lcd.setCursor(10,0);

      lcd.print("        ");

    }

    lcd.setCursor(9,0);

    lcd.print(variable);

    lastStateCLK = currentStateCLK; 

  }

  delay(500);

  lcd.clear();

  lcd.setCursor(3,0);

  return variable;

}

 

위 코드를 작성하고 pid의 게인값을 찾기 위해 kp값을 변화시키면서 온도가 잘 유지되는지 확인해 보았습니다.

 

4d88cc7c2ae90be08caa1861237184e7_1657348044_4015.png
4d88cc7c2ae90be08caa1861237184e7_1657348046_1297.png
4d88cc7c2ae90be08caa1861237184e7_1657348047_525.png
이 실험에서 발견된 문제가, kp값이 커질수록 온도의 오차가 점점 더 줄어든다는 것입니다. 이렇게 되면 on/off제어를 사용하는것이 차라리 낫다고 판단하는데 on/off 제어로는 목표값에 수렴하지 않고 계속 진동하는 문제가 있어 pid 제어를 사용해야만 합니다.

pid 제어하는 코드를 라이브러리를 사용하지 않고 새로 짜야 하는지, 다른 문제가 있는지 전문가분들의 의견을 듣고 싶어서 글을 작성하게 되었습니다. 많은 도움 부탁드립니다.

 

 

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댓글 1

조회수 653

master님의 댓글

master 작성일

온도 구간마다 PID를 각각하지말고 한번에 해야 하는 것 아닌가요?
PID는 정확한 주기로 제어하는 것이 좋습니다.

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