Cum funcționează un controler PID? Explicație proporțională, integrală și derivată

Dacă o cameră rece se deplasează cu 2 K deasupra punctului de referință, apoi cu 3 K sub acesta și repetă acel ciclu la fiecare câteva minute, controlerul este învinovățit înainte ca senzorul, supapa sau traficul ușii să o facă. De cele mai multe ori hardware-ul este bine, iar setările buclei nu.

Răspunsul scurt la modul în care funcționează un controler PID: măsoară o variabilă de proces, o compară cu un punct de referință și acționează un actuator cu o corecție construită din trei termeni. Termenenul proporțional răspunde erorii care există chiar acum. Termenul integral răspunde erorii care s-a acumulat în timp. Termenul derivat răspunde cât de repede se schimbă eroarea. Adunate împreună, produc ieșirea care deschide o supapă, modifică viteza ventilatorului sau reduce capacitatea compresorului.

Ideea de bază: Măsurați, comparați, corectați

Fiecare buclă PID are patru părți: un senzor care raportează variabila procesului, un controler care ține valoarea de referință și face calculele, un actuator care poate schimba procesul și procesul în sine. Senzorul alimentează controlerul, controlerul mișcă actuatorul, iar actuatorul modifică ceea ce citește senzorul. Acel cerc este bucla închisă.

Controlerul repetă un calcul la un interval fix, timpul de eșantionare. Acesta scade valoarea măsurată din punctul de referință și numește diferența eroare. Într-o aplicație de răcire, o valoare măsurată peste valoarea de referință dă o eroare pozitivă și mai multă răcire. Configurați bucla în mod greșit și devine invers când ar trebui să fie direct; va fugi în loc să se așeze și nicio cantitate de reglare nu o va repara.

Ieșirea se potrivește cu orice se așteaptă actuatorul: 0 până la 10 V pentru o supapă de modulare, 4 până la 20 mA pentru un poziționator, un contact releu pentru un compresor sau modulare a lățimii impulsului pentru un încălzitor. O ieșire releu transformă calculul PID într-o decizie de prag, astfel încât rezoluția buclei depinde de cât de des i se permite contactului să comute.

Ce fac de fapt cei trei termeni

Fiecare termen are un loc de muncă și fiecare poate fi oprit setându-și câștigul la zero. Multe bucle de lucru rulează ca controlere PI, deoarece acțiunea derivată adaugă puțin la un proces de temperatură lent.

Termen proporțional

Termenul proporțional înmulțește eroarea curentă cu un câștig. Cu un câștig de 2 și o eroare de 3 K, ieșirea se mișcă cu 6 unități. Câștig mai mare înseamnă o corecție mai rapidă, dar după un punct bucla oscilează, deoarece controlerul reacționează la o măsurătoare la care procesul nu a terminat de răspuns. Un controler numai proporțional aterizează rareori exact pe punctul de referință. Se stabilește acolo unde eroarea rămasă este suficient de mare pentru a menține rezultatul de care are nevoie procesul, iar acel rămas este compensat la starea de echilibru.

Termen integral

Termenul integral acumulează eroare în timp și continuă să adauge corecție în timp ce eroarea persistă, de obicei exprimată în repetări pe minut sau secunde pe repetare. Îndepărtează decalajul, motiv pentru care o buclă PI poate menține o temperatură a apei rece exact acolo unde doriți. Prețul este întârziat: acțiunea integrală se bazează pe istorie, așa că continuă să împingă după ce eroarea a dispărut și produce o oscilație lentă care durează mult mai mult să apară decât oscilația proporțională. De asemenea, se termină. Dacă supapa este deja complet deschisă, termenul continuă să acumuleze corecția pe care nu o poate furniza, iar bucla depășește prost când eroarea se inversează în cele din urmă.

Termenul derivat

Termenul derivat răspunde ratei de modificare a erorii și se opune mișcării, care atenuează bucla și permite un câștig proporțional mai mare. De asemenea, amplifică zgomotul senzorului, deoarece o citire mică zgomotoasă într-un timp scurt de eșantionare arată ca o rată uriașă de schimbare. În practică, acțiunea derivată este filtrată, calculată mai degrabă pe măsurare decât pe eroare, sau pur și simplu lăsată la zero.

Un exemplu de refrigerare: controlul supraîncălzirii

Luați o supapă de expansiune electronică pe un răcitor. Variabila controlată este supraîncălzirea la ieșirea din evaporator, valoarea de referință poate fi 5 K, iar actuatorul este motorul supapei sau un solenoid proporțional. Când supraîncălzirea crește peste valoarea de referință, supapa se deschide pentru a admite mai mult agent frigorific. Termenul proporțional îl deschide proporțional cu eroarea, termenul integral continuă să-l deschidă până când supraîncălzirea se stabilește, iar termenul derivat, acolo unde este folosit, încetinește deschiderea pe măsură ce supraîncălzirea începe să scadă, astfel încât supapa să nu depășească în fluxul de lichid.

Aceeași structură apare într-o instalație frigorifică. Presiunea de condensare este adesea menținută prin modularea vitezei ventilatorului condensatorului, ceea ce o face o buclă de presiune. Capacitatea compresorului poate fi redusă printr-o buclă care convertește o eroare de presiune de aspirație într-o comandă a invertorului. Buclele de temperatură a camerei și a produsului au timp mort lung și de obicei rulează fără acțiune derivată.

Regulator de presiune pentru refrigerare cu afișaj mecanic Oferă monitorizarea presiunii înalte și joase cu resetare automată, ajutând la protejarea compresoarelor, ventilatoarelor și supapelor de scurgere în sistemele de refrigerare. Vizualizare produs →

Reglaj fără presupuneri

Termenii interacționează, astfel încât reglarea urmează o ordine fixă:

1. Puneți bucla în manual și confirmați că actuatorul își parcurge întreaga gamă fără a se lipi.
2. Setați integrala și derivata la zero, apoi creșteți câștigul proporțional până când măsurarea arată o oscilație mică și continuă.
3. Reduceți câștigul proporțional la aproximativ jumătate din această valoare.
4. Adăugați încet acțiune integrală până când decalajul dispare într-un timp acceptabil.
5. Adăugați derivată numai dacă rămâne depășire și semnalul este curat.

Timpul mort decide cât de tare poate fi împinsă o buclă. Dacă procesul are nevoie de 60 de secunde pentru a răspunde la o mișcare a supapei și constanta sa de timp este de 300 de secunde, un raport de 0,2, regulile clasice precum Ziegler-Nichols sau reglarea lambda produc câștiguri realizabile. Dacă timpul mort este comparabil cu constanta de timp, de exemplu un senzor montat departe în aval de supapă, nimic nu va face bucla mai rapidă, iar soluția reală este să mutați senzorul sau să adăugați feedforward.

Probleme practice pe podeaua plantei

Cele mai multe probleme de punere în funcțiune se încadrează în câteva categorii:

• Închidere integrală. Ieșirea se saturează față de o limită în timp ce eroarea rămâne, iar bucla depășește atunci când eroarea se inversează. Logica anti-winduup și blocarea ieșirii o rezolvă.
• Zgomotul senzorului. Un filtru a cărui constantă de timp este aproape de timpul de eșantionare poate aproape dubla timpul mort al buclei. Filtrați intrarea, nu ieșirea.
• Banda moartă a actuatorului. O supapă care are nevoie de o modificare de 3% a ieșirii înainte de a se mișca stabilește o limită strictă a cât de strânsă poate ține bucla.
• Timp de probă. O buclă scanată o dată pe minut nu poate controla un proces cu o constantă de timp de 30 de secunde.
• Neliniaritate. O supapă care este blândă aproape de mijlocul cursei și bruscă lângă scaun poate necesita programarea câștigului sau o ieșire caracterizată.

Unde PID se întâlnește cu echipamentele frigorifice și A/C

Ieșirea PID contează doar dacă actuatorul o poate folosi. Electrovalvele proporționale, supapele electronice de expansiune, variatoarele de frecvență ale ventilatoarelor condensatorului și supapele cu trei căi de control al debitului acceptă toate un semnal continuu și modulează. Dispozitivele de pornire și oprire, cum ar fi supapele solenoide standard, supapele de expansiune termică de tip bec și comutatoarele de presiune mecanice sunt dispozitive de prag, astfel încât un controler PID care le conduce generează într-adevăr un ciclu de funcționare.

Această diferență schimbă modul în care componentele sunt judecate. O supapă care urmărește un semnal modulator ani de zile se uzează diferit față de una care comută de câteva ori pe oră, motiv pentru care funcţionarea pe termen lung a unei electrovalve modulante merită atenție înainte ca o buclă să fie pusă în funcțiune.

Furnizori precum Dingsen, producand piese de refrigerare si aer conditionat auto din 2008 , construiți regulatoarele de presiune, supapele și fitingurile din cupru care stau la capătul de recepție al acestor semnale.

Electrovalva EVR pentru refrigerare si aer conditionat Controlează fluxul de agent frigorific în conductele de lichid, de aspirație și gaz fierbinte, cu opțiuni cu acțiune directă și operate pilot pentru sistemele de refrigerare. Vizualizare produs →

Supapă de expansiune termică cu control reglabil al supraîncălzirii Reglează fluxul de agent frigorific pentru a menține supraîncălzirea, având un corp de tip H și reglare statică a supraîncălzirii la 0–8°C pentru sistemele de răcire. Vizualizare produs →

Specificarea unui controler: ce trebuie verificat

• Tipul și intervalul de intrare, potrivite cu senzorul real: NTC, PT100, 4 până la 20 mA sau 0 până la 10 V.
• Tip de ieșire și rezoluție: releu, unitate de releu cu stare solidă, curent, tensiune sau PWM.
• Frecvența de eșantionare, suficient de rapidă pentru proces, dar nu atât de rapid încât zgomotul să domine calculul.
• Auto-tune, anti-winduup, și transfer fără denivelări între modurile manual și automat.
• Limite de ieșire și alarme, inclusiv cleme înalte și joase pentru termenul integral.
• Mediu: montare pe panou sau pe șină DIN, rating IP, temperatură ambientală, vibrații și toleranță la tensiunea de alimentare.

Un controler PID este compus din trei corecții adăugate și repetate pe un ceas: una împotriva erorii curente, una împotriva erorii acumulate și una împotriva vitezei de schimbare. Fizica procesului stabilește plafonul performanței, iar setările decid cât de aproape se ajunge bucla de ea. Obțineți direcția corectă a actuatorului, măsurați sincer timpul mort și păstrați câștigurile modeste. Această combinație rezolvă mai multe bucle decât orice sesiune de reglare agresivă.