Przewodnik dostrajania systemu sterowania PID dla pętli sterowania chłodnictwem i HVAC

W zamrażarce stacjonarnej ustawionej na minus 18 stopni Celsjusza, która waha się między minus 15 a minus 20, z krótkimi cyklami pracy sprężarki i oszronieniem jednego końca parownika, zwykle nie brakuje czynnika chłodniczego. Brakuje dobrej kontroli. Układ sterowania PID decyduje o tym, jak daleko otwiera się zawór rozprężny, kiedy zamyka się elektromagnes przewodu cieczowego i jak szybko pomieszczenie odzyskuje siły po pozostawieniu otwartych drzwi. Żadna regulacja ładowania nie naprawi pętli, która sama walczy.

Najpierw krótka odpowiedź. Układ regulacji PID to regulator w pętli zamkniętej, który porównuje wartość zmierzoną z wartością docelową i koryguje różnicę za pomocą trzech ważonych składników: proporcjonalnego, całkującego i pochodnego. W chłodnictwie i klimatyzacji arytmetyka jest prostą częścią. O tym, czy pętla utrzyma swój cel, decyduje czujnik, siłownik i to, czy strojenie odpowiada bezwładności cieplnej obciążenia.

Jak system sterowania PID koryguje błąd

Każda pętla wykonuje tę samą sekwencję. Sterownik odczytuje zmienną procesową, odejmuje ją od wartości zadanej, aby uzyskać błąd, oblicza trzy składniki, dodaje je do siebie i wysyła wynik do końcowego elementu sterującego. Element działa, proces reaguje, czujnik zgłasza raport i cykl się powtarza. Timer, który uruchamia sprężarkę na dziesięć minut i pozostawia ją w stanie spoczynku na pięć, niczego takiego nie powoduje, dlatego też sterowanie w pętli otwartej nie jest w stanie utrzymać pomieszczenia przy zmieniającym się obciążeniu.

Trzy warunki i to, co każdy z nich naprawia

Akcja proporcjonalna

Działanie proporcjonalne daje sygnał wyjściowy proporcjonalny do bieżącego błędu. Jeśli temperatura w pomieszczeniu jest o 2 K wyższa od wartości zadanej, a wzmocnienie jest ustawione w taki sposób, że każdy kelwin otwiera zawór modulacyjny o 8 procent, zawór przesuwa się do 16 procent. Termin ten wykonuje większość pracy podczas ściągania.

Nie jest w stanie samodzielnie dokończyć dzieła. Gdy pomieszczenie zbliża się do wartości zadanej, błąd maleje, a wraz z nim moc wyjściowa, aż położenie zaworu dokładnie zrównoważy obciążenie. Ten punkt równowagi znajduje się poza wartością zadaną i nazywany jest przesunięciem lub błędem stanu ustalonego. Sterowanie wyłącznie proporcjonalne często powoduje odchylenie od wartości docelowej o 1 do 2 K, co jest tolerowane w przypadku komfortowego chłodzenia, a nie w przypadku zamrażarki szokowej.

Integralne działanie

Działanie całkujące sumuje błąd w czasie i kontynuuje przesuwanie, aż suma przestanie rosnąć, co usuwa przesunięcie. Kosztem jest czas i, jeśli jest ustawiony agresywnie, przekroczenie limitu. Kiedy suma gromadzi się w okresie, w którym wyjście nie może zareagować, np. w wyniku blokady odszraniania, powoduje to znaczne zwiększenie mocy wyjściowej w momencie usunięcia blokady. Jest to całkowite zamknięcie i jest częstą przyczyną przekroczenia temperatury zasobnika o 5 K po odszranianiu.

Akcja pochodna

Działanie różniczkujące reaguje na szybkość zmian błędu, co tłumi pętlę mającą tendencję do przeregulowania. Reaguje również na szum czujnika, ponieważ drganie przetwornika ciśnienia o 0,2 bara w każdym okresie próbkowania wygląda na niezwykle szybkie tempo zmian. Większość sterowników chłodniczych stosuje termin pochodny do zmiennej procesowej, a nie do błędu, i łączy go z filtrem trwającym od jednej do trzech sekund. Tam, gdzie dominuje opóźnienie transportowe, czyli w większości obwodów, pochodną pozostawia się na poziomie zera i zamiast tego stosuje się pętlę PI.

Jeden konkretny przykład. Elektroniczny zawór rozprężny utrzymujący przegrzanie w temperaturze od 5 do 8 K opiera się na działaniu proporcjonalnym w celu śledzenia obciążenia i działaniu całkującym w celu usunięcia błędu stałego. Jeśli przegrzanie waha się w zakresie od 2 K do 15 K, składnik pochodny rzadko jest przyczyną. Czas reakcji czujnika i rozdzielczość kroku zaworu zazwyczaj są takie same.

Termiczny zawór rozprężny do kontroli przegrzania w chłodnictwie Kompaktowy zawór z mosiądzu lub stali nierdzewnej z możliwością regulacji przegrzania statycznego w zakresie 0–8°C do zastosowań w chłodnictwie komercyjnym i przemysłowym. Zobacz produkt →

Metody dostrajania i realistyczne liczby

Tuning to miejsce, w którym teoria spotyka się z rośliną. Większość pracy obejmują trzy podejścia.

1. Strojenie ręczne. Wyzeruj człony całkowe i pochodne, zwiększaj wzmocnienie proporcjonalne, aż pętla zacznie oscylować równomiernie, a następnie zmniejsz je o połowę. Dodaj akcję całkującą, aż przesunięcie zostanie usunięte w akceptowalnym czasie. Dodaj pochodną tylko wtedy, gdy przekroczenie nadal ma znaczenie.
2. Zieglera i Nicholsa. Odczytaj ostateczne wzmocnienie i okres z testu oscylacji i zastosuj opublikowaną tabelę. Rezultatem jest szybki i nieco agresywny, co pasuje do wolnych pętli temperaturowych.
3. Automatyczne strojenie przekaźnika. Sterownik wymusza mały cykl graniczny wokół wartości zadanej i wyprowadza model z jego amplitudy i okresu. Jest to wygodne, ale dostraja pętlę dokładnie tak, jak została znaleziona, łącznie ze źle umieszczonym czujnikiem.

Przydatne punkty odniesienia. Pętla pomieszczenia aktualizuje się raz na sekundę. Pętla przegrzania aktualizuje się co 100 do 200 ms. Pętla wody lodowej powinna utrzymywać temperaturę w granicach 0,5 K, a gablota w granicach 1 K. Próbkowanie znacznie szybsze, niż proces jest w stanie odpowiedzieć, w większości przypadków wzmacnia hałas.

Gdzie pętla sterująca spotyka się ze sprzętem

Trzy decyzje sprzętowe kształtują wynik bardziej niż jakakolwiek stała strojenia.

• Umiejscowienie czujnika i prędkość. Sonda w powietrzu powrotnym widzi pomieszczenie, natomiast sonda przymocowana do cewki widzi cewkę. Pętla dostrojona na jednym i obsługiwana na drugim będzie polować.
• Rozdzielczość siłownika. Zawór elektromagnetyczny włączający i wyłączający ustawia pętlę w dwóch pozycjach, więc sterownik może jedynie zmieniać cykl pracy. Zawór modulujący zapewnia mu 200 lub więcej pozycji.
• Niezależna ochrona. Sterownik ciśnienia chłodniczego przełącza sprężarkę lub wentylator skraplacza na stałe ciśnienie, niezależnie od tego, czego żąda pętla temperaturowa, co zapobiega przekształceniu się uszkodzonego czujnika w uszkodzoną sprężarkę.

Zachowanie w czasie ma takie samo znaczenie jak zachowanie w dniu uruchomienia. Elektrozawór linii cieczy pracujący co 40 sekund co 40 sekund spowoduje wykonanie setek tysięcy operacji w ciągu kilku lat, zatem konstrukcja gniazda, klasa izolacji cewki i dostęp do ręcznego sterowania staną się praktycznymi kryteriami wyboru. Uwagi na temat utrzymując stabilność elektrozaworu EVR przez długi okres użytkowania warto przeczytać przed ustaleniem stawki za korzystanie z roweru.

Zawór elektromagnetyczny EVR do kontroli przepływu w chłodnictwie Zawór elektromagnetyczny EVR do przewodów cieczy, ssania lub gorącego gazu, z opcjonalnymi cewkami AC/DC i trwałym uszczelnieniem do systemów chłodniczych. Zobacz produkt →

Sterownik wysokiego/niskiego ciśnienia w chłodnictwie z funkcją automatycznego resetowania Mechaniczny regulator wysokiego/niskiego ciśnienia ze wskaźnikami i funkcją automatycznego resetowania, połączony ze sprężarkami, wentylatorami i zaworami spustowymi w celu ochrony systemu. Zobacz produkt →

Gdy pętla działa nieprawidłowo: objawy i przyczyny

• Duże przeregulowanie po odszranianiu: integralne zakończenie odszraniania lub zakończenie odszraniania ustawione na podstawie czasu, a nie temperatury wężownicy.
• Regularne oscylacje co dwie do pięciu minut: zbyt duże wzmocnienie proporcjonalne lub zawór przewymiarowany w stosunku do obciążenia.
• Stałe przesunięcie, które nigdy nie znika: sterowanie wyłącznie proporcjonalne lub siłownik, który osiągnął swój limit ruchu.
• Losowe drgania bez przyczyny fizycznej: działanie pochodne wzmacniające szum czujnika lub luźna kieszeń sondy.
• Krótkie cykle przy małym obciążeniu: histereza ustawiona poniżej pasma nieczułości pętli lub pasmo nieczułości węższe niż dokładność czujnika.
• Jedna część obudowy zimna, a reszta ciepła: lokalizacja czujnika, a nie tuning.

Sterowanie kaskadowe usuwa część tego. Pętla zewnętrzna odczytuje temperaturę pokojową i zapisuje wartość zadaną, podczas gdy pętla wewnętrzna odczytuje warunki parownika lub ssania i steruje zaworem. Wewnętrzna pętla reaguje w ciągu kilku sekund, zanim pomieszczenie się poruszy, co ogranicza przeregulowanie w systemach z dużym opóźnieniem transportowym.

Co sprawdzić przed złożeniem zamówienia

1. Jaki zakres regulacji i rozdzielczość jest wymagany? Zawór modulujący w zakresie od 10 do 100 procent obciążenia to inny produkt niż ten, który otwiera się całkowicie przy 20 procentach.
2. Jaka jest dokładność czujnika i czas reakcji oraz czy pasmo nieczułości pętli jest szersze niż błąd czujnika?
3. Jakiej liczby cykli należy się spodziewać w całym okresie użytkowania i czy materiały gniazda i cewki to potwierdzają?
4. Czy złączki miedziane i mosiężne oraz materiały zaworów są odpowiednie dla używanego czynnika chłodniczego i oleju?
5. Czy części zamienne, napięcia cewek i opcje ręcznego sterowania są dostępne w tej samej serii, więc naprawa nie wymaga ponownej obróbki wspornika?
6. Czy dostawca może pracować na podstawie rysunku lub próbki, jeśli pętla wymaga niestandardowego rozmiaru portu lub charakterystyki przepływu?

Dostawcy, którzy zarówno budują komponenty sterujące, jak i rozumieją pętle, w których się znajdują, szybciej usuwają te luki. Producent z własne laboratorium testowe i możliwości rozwoju na zamówienie może potwierdzić współczynnik przepływu lub wartość znamionową cewki na podstawie rysunku, a nie przypisu katalogowego.

Kluczowe punkty do zapamiętania

• System regulacji PID to pętla zamknięta: mierz, porównuj, poprawiaj, powtarzaj.
• Działanie proporcjonalne reaguje na bieżący błąd, działanie całkujące usuwa przeszłość, działanie pochodne antycypuje kilka następnych sekund.
• Większość pętli chłodniczych działa najlepiej jako PI, z pochodną zarezerwowaną dla dobrze filtrowanych i szybko reagujących pomiarów.
• Strojenie nie może skompensować wolnego czujnika, przewymiarowanego zaworu lub sondy umieszczonej w niewłaściwym miejscu.
• Żywotność cyklu i zgodność materiałów decydują o tym, czy pętla będzie nadal działać w trzecim roku.

Prawdziwym testem pętli nie jest reakcja na krok w dniu uruchomienia. Chodzi o to, czy obudowa nadal trzyma cel w najgorętsze popołudnie w roku, po odmrożeniu i przy częściowo zablokowanej cewce. Zaprojektuj sprzęt pod kątem tych wymagań, a parametry strojenia staną się łatwą częścią.