Temperature Control With Fractional PID Method in Induction Heating Systems

Abstract

İndüksiyon ile ısıtma sistemi diğer ısıtma sistemlerine nazaran yüksek verimliliği, ısıtma işleminin hızlı olması, ısı kaybının az olması ve yanma gibi durumlara izin vermeyen güvenli bir sistem olmasından dolayı günümüzde endüstriyel uygulamalar başta olmak üzere birçok alanda kullanımı her geçen gün daha da artmaktadır. Bu tez çalışmasında teknolojinin gelişmesiyle farklı alanlarda kullanımı artan indüksiyonla ısıtma yönteminin tasarımı ve kontrolü gerçekleştirilmiştir. Endüstriyel uygulamalar başta olmak üzere sıcaklık kontrolü bir cihazın kararlı çalışması veya ısıtılacak malzemenin özellikleri açısından oldukça önemlidir. Sıcaklık kontrolünde amaç ısıtılacak malzemenin istenen seviyede ısıtılarak hassas bir şekilde kontrolünün yapılarak uzaktan takibinin gerçekleştirilmesidir. Tez çalışmasında Matlab/Simulink ve Arduino IDE kullanılarak tasarımı gerçekleştirilen indüksiyon ısıtma sisteminin kontrolü ve gerçek zamanlı sıcaklık ölçümü gerçekleştirilmiştir. Arduino IDE üzerinden PID kontrol ve kesir dereceli PIλDμ kontrol algoritma yazılımı oluşturulmuştur. Çalışmada sıcaklık ölçümü mikro denetleyici tabanlı bir sistemde kullanılabilen MLX 90614 DCI kızıl ötesi sıcaklık sensörü ile yapılmıştır. Sıcaklık geri beslemesi alınan sistemde ısıtılan malzemenin referans sıcaklık değerine kadar ısıtılması gerçekleştirilmiştir. İndüksiyon ısıtma sisteminin matematiksel modeli oluşturularak PID ve kesir dereceli PIλDμ kontrol yöntemleri Matlab/Simulink üzerinden uygulanarak simülasyon sonuçları elde edilmiştir. Uygulanan kontrol yöntemleri sonucunda elde edilen simülasyon sonuçları karşılaştırılmış ve kesir dereceli PIλDμ kontrolün PID kontrole nazaran hassas sıcaklık kontrolü gerçekleştirilen uygulamada daha başarılı sonuçlar verdiği gözlenmiştir.Induction heating systems are increasingly used in various fields, especially in industrial applications, due to their high efficiency compared to other heating systems, rapid heating process, minimal heat loss, and safe operation that prevents events such as combustion. In this thesis study, the design and control of the induction heating method, whose usage in different fields has been increasing with the advancement of technology, have been conducted. Temperature control is crucial, especially in industrial applications, for the stable operation of a device or in terms of the properties of the material to be heated. The aim in temperature control is to heat the material to the desired level and to control it precisely, allowing for remote monitoring. In this thesis, the control and real-time temperature measurement of the induction heating system, designed using Matlab/Simulink and Arduino IDE, have been realized. PID control and fractional order PIλDμ control algorithm software was created via Arduino IDE. In the study, temperature measurement was made with the MLX 90614 DCI infrared temperature sensor, which can be used in a microcontroller-based system. In the system with temperature feedback, the material being heated was brought up to the reference temperature value through the implementation of temperature control. A mathematical model of the induction heating system was created and simulation results were obtained by applying PID and fractional order PIλDμ control methods via Matlab/Simulink The simulation results obtained as a result of the applied control methods were compared and it was observed that the fractional PIλDμ control gave more successful results in the application of precise temperature control compared to the PID control.