Jak działa regulator PID? Wyjaśnienie proporcjonalności, całkowania i pochodnej

Jeśli temperatura w pomieszczeniu chłodniczym wynosi 2 K powyżej wartości zadanej, a następnie 3 K poniżej niej i powtarza ten cykl co kilka minut, sterownik zostaje obciążony winę przed czujnikiem, zaworem lub ruchem na drzwiach. W większości przypadków sprzęt jest w porządku, a ustawienia pętli nie.

Krótka odpowiedź na pytanie, jak działa regulator PID: mierzy zmienną procesową, porównuje ją z wartością zadaną i steruje siłownikiem z korekcją zbudowaną z trzech składników. Człon proporcjonalny odpowiada na błąd, który występuje w tej chwili. Człon całkujący odpowiada na błąd, który narósł w czasie. Terminin pochodny określa, jak szybko zmienia się błąd. Razem dają moc, która otwiera zawór, zmienia prędkość wentylatora lub zmniejsza wydajność sprężarki.

Podstawowa idea: Zmierz, porównaj, popraw

Każda pętla PID składa się z czterech części: czujnika zgłaszającego zmienną procesową, sterownika utrzymującego wartość zadaną i wykonującego obliczenia, siłownika, który może zmienić proces, oraz samego procesu. Czujnik zasila sterownik, sterownik porusza siłownikiem, a siłownik zmienia to, co odczytuje czujnik. To koło to zamknięta pętla.

Sterownik powtarza jedno obliczenie w ustalonym odstępie czasu, czyli czasie próbkowania. Odejmuje wartość zmierzoną od wartości zadanej i różnicę nazywa błędem. W zastosowaniach związanych z chłodzeniem zmierzona wartość powyżej wartości zadanej daje błąd dodatni i powoduje większe chłodzenie. Skonfiguruj pętlę w niewłaściwy sposób, a zacznie ona działać w odwrotnym kierunku, podczas gdy powinna działać bezpośrednio; ucieknie zamiast się uspokoić i żadne dostrajanie tego nie naprawi.

Sygnał wyjściowy odpowiada oczekiwaniom siłownika: 0 do 10 V dla zaworu modulującego, 4 do 20 mA dla ustawnika, styk przekaźnika dla sprężarki lub modulacja szerokości impulsu dla grzejnika. Wyjście przekaźnikowe zamienia obliczenia PID w decyzję progową, więc rozdzielczość pętli zależy od tego, jak często styk może się przełączać.

Co właściwie robią te trzy terminy

Każdy człon ma swoje zadanie i każdy można wyłączyć, ustawiając jego wzmocnienie na zero. Wiele pętli roboczych działa jako regulatory PI, ponieważ działanie różniczkujące niewiele wnosi do powolnego procesu temperaturowego.

Termin proporcjonalny

Człon proporcjonalny mnoży błąd prądu przez wzmocnienie. Przy wzmocnieniu 2 i błędzie 3 K wyjście przesuwa się o 6 jednostek. Większe wzmocnienie oznacza szybszą korekcję, ale powyżej pewnego punktu pętla oscyluje, ponieważ sterownik reaguje na pomiar, na który proces nie zakończył jeszcze odpowiedzi. Sterownik wyłącznie proporcjonalny rzadko osiąga dokładnie wartość zadaną. Ustala się, gdy pozostały błąd jest wystarczająco duży, aby pomieścić dane wyjściowe potrzebne procesowi, a pozostałość jest przesunięciem w stanie ustalonym.

Termin integralny

Człon całkujący kumuluje błąd w czasie i dodaje korektę, dopóki błąd się utrzymuje, zwykle wyrażany w powtórzeniach na minutę lub w sekundach na powtórzenie. Eliminuje to przesunięcie, dlatego pętla PI może utrzymać temperaturę wody lodowej dokładnie tam, gdzie chcesz. Ceną jest opóźnienie: działanie całkujące opiera się na historii, więc po ustaniu błędu naciska, powodując powolną oscylację, której pojawienie się zajmuje znacznie więcej czasu niż oscylacja proporcjonalna. To też się nakręca. Jeśli zawór jest już całkowicie otwarty, składnik gromadzi korekcję, której nie jest w stanie zapewnić, a pętla znacznie się przeregulowała, gdy błąd w końcu ustąpi.

Termin pochodny

Człon pochodny reaguje na szybkość zmian błędu i przeciwstawia się ruchowi, który tłumi pętlę i umożliwia większe wzmocnienie proporcjonalne. Wzmacnia także szum czujnika, ponieważ niewielki zaszumiony odczyt w krótkim czasie próbkowania wygląda jak ogromne tempo zmian. W praktyce działanie różniczkujące jest filtrowane, obliczane na podstawie pomiaru, a nie błędu, lub po prostu pozostawiane na zero.

Przykład chłodzenia: kontrola przegrzania

Weź elektroniczny zawór rozprężny w agregacie chłodniczym. Regulowaną zmienną jest przegrzanie na wylocie parownika, wartość zadana może wynosić 5 K, a siłownikiem jest silnik zaworu lub proporcjonalny elektromagnes. Kiedy przegrzanie wzrasta powyżej wartości zadanej, zawór otwiera się, wpuszczając więcej czynnika chłodniczego. Człon proporcjonalny otwiera go proporcjonalnie do błędu, człon całkujący popycha go w kierunku otwarcia, aż do ustabilizowania się przegrzania, a człon pochodny, tam gdzie jest używany, spowalnia otwieranie, gdy przegrzanie zaczyna spadać, tak aby zawór nie przekroczył progu powrotu cieczy.

Ta sama struktura pojawia się w całej instalacji chłodniczej. Ciśnienie skraplania jest często utrzymywane poprzez modulację prędkości wentylatora skraplacza, co powoduje powstanie pętli ciśnieniowej. Wydajność sprężarki można zmniejszyć za pomocą pętli, która przekształca błąd ciśnienia ssania na polecenie falownika. Pętle temperatury pomieszczenia i produktu mają długi czas martwy i zwykle działają bez działań pochodnych.

Kontroler ciśnienia chłodniczego z mechanicznym wyświetlaczem wskaźnikowym Zapewnia monitorowanie wysokiego i niskiego ciśnienia z automatycznym resetowaniem, pomagając chronić sprężarki, wentylatory i zawory spustowe w układach chłodniczych. Zobacz produkt →

Strojenie bez zgadywania

Terminy wchodzą w interakcję, więc strojenie odbywa się w ustalonej kolejności:

1. Ustaw pętlę w trybie ręcznym i upewnij się, że siłownik osiąga pełny zakres bez zacinania się.
2. Ustaw całkę i pochodną na zero, następnie zwiększaj wzmocnienie proporcjonalne, aż pomiar wykaże małe, ciągłe oscylacje.
3. Zmniejsz wzmocnienie proporcjonalne do około połowy tej wartości.
4. Powoli dodawaj akcję całkującą, aż przesunięcie zniknie w akceptowalnym czasie.
5. Dodawaj pochodną tylko wtedy, gdy utrzymuje się przeregulowanie, a sygnał jest czysty.

Czas martwy decyduje o tym, jak mocno można przesunąć pętlę. Jeśli proces potrzebuje 60 sekund na reakcję na ruch zaworu, a jego stała czasowa wynosi 300 sekund, czyli stosunek 0,2, klasyczne reguły, takie jak Zieglera-Nicholsa lub strojenie lambda, dają wykonalne korzyści. Jeśli czas martwy jest porównywalny ze stałą czasową, na przykład czujnik zamontowany daleko za zaworem, nic nie sprawi, że pętla będzie szybka, a prawdziwym rozwiązaniem będzie przesunięcie czujnika lub dodanie sprzężenia do przodu.

Praktyczne problemy na hali produkcyjnej

Większość problemów związanych z uruchomieniem można podzielić na kilka kategorii:

• Integralne nakręcenie. Wyjście nasyca się w stosunku do limitu, gdy błąd pozostaje, a pętla ulega przeregulowaniu, gdy błąd się odwraca. Rozwiązuje to logika zapobiegająca nawijaniu i zaciskanie wyjścia.
• Szum czujnika. Filtr, którego stała czasowa jest zbliżona do czasu próbkowania, może prawie podwoić czas martwy pętli. Filtruj wejście, a nie wyjście.
• Strefa nieczułości siłownika. Zawór, który wymaga 3% zmiany wyjścia, zanim się poruszy, wyznacza sztywny limit tego, jak ciasna może być pętla.
• Przykładowy czas. Pętla skanowana raz na minutę nie może sterować procesem ze stałą czasową wynoszącą 30 sekund.
• Nieliniowość. Zawór, który jest łagodny w połowie skoku i gwałtowny w pobliżu gniazda, może wymagać planowania wzmocnienia lub charakteryzowanego wyjścia.

Gdzie PID spotyka się ze sprzętem chłodniczym i klimatyzacyjnym

Wyjście PID ma znaczenie tylko wtedy, gdy siłownik może z niego skorzystać. Proporcjonalne zawory elektromagnetyczne, elektroniczne zawory rozprężne, przetwornice częstotliwości w wentylatorach skraplacza i zawory trójdrogowe sterujące przepływem przyjmują sygnał ciągły i modulują. Urządzenia włączające i wyłączające, takie jak standardowe zawory elektromagnetyczne, żarówkowe zawory rozprężne i mechaniczne przełączniki ciśnienia, są urządzeniami progowymi, więc sterujący nimi sterownik PID w rzeczywistości generuje cykl pracy.

Ta różnica zmienia sposób oceny komponentów. Zawór, który przez lata reaguje na sygnał modulujący, zużywa się inaczej niż ten, który przełącza się kilka razy na godzinę i dlatego długotrwała praca modulującego zaworu elektromagnetycznego zasługuje na uwagę przed uruchomieniem pętli.

Dostawcy tacy jak Dingsen, od 2008 roku zajmujemy się produkcją części do urządzeń chłodniczych i klimatyzacji samochodowej , zbuduj regulatory ciśnienia, zawory i złączki miedziane, które znajdują się po stronie odbiorczej tych sygnałów.

Zawór elektromagnetyczny EVR do chłodnictwa i klimatyzacji Kontroluje przepływ czynnika chłodniczego w przewodach cieczy, ssaniu i gorącego gazu, z opcjami bezpośredniego działania i sterowanymi pilotem dla systemów chłodniczych. Zobacz produkt →

Termiczny zawór rozprężny z regulowaną regulacją przegrzania Reguluje przepływ czynnika chłodniczego w celu utrzymania przegrzania, wyposażony w korpus typu H i statyczną regulację przegrzania w zakresie 0–8°C dla układów chłodzenia. Zobacz produkt →

Określanie kontrolera: co należy sprawdzić

• Typ wejścia i zakres, dopasowane do konkretnego czujnika: NTC, PT100, 4 do 20 mA lub 0 do 10 V.
• Typ wyjścia i rozdzielczość: przekaźnik, napęd przekaźnika półprzewodnikowego, prąd, napięcie lub PWM.
• Częstotliwość próbkowania, wystarczająco duża dla procesu, ale nie tak duża, aby w obliczeniach dominował szum.
• Automatyczne dostrajanie, zapobieganie nawijaniu i bezproblemowe przełączanie między trybem ręcznym i automatycznym.
• Limity wyjściowe i alarmy, w tym górne i dolne zaciski dla składnika całkującego.
• Środowisko: montaż na panelu lub na szynie DIN, stopień ochrony IP, temperatura otoczenia, wibracje i tolerancja napięcia zasilania.

Regulator PID to trzy poprawki zsumowane i powtarzane na zegarze: jedna na błąd bieżący, jedna na błąd skumulowany i jedna na prędkość zmian. Fizyka procesu wyznacza górny pułap wydajności, a ustawienia decydują o tym, jak blisko celu zbliża się pętla. Ustaw właściwy kierunek siłownika, rzetelnie zmierz czas martwy i utrzymuj skromne zyski. Ta kombinacja rozwiązuje więcej pętli niż jakakolwiek agresywna sesja strojenia.