Kako radi PID regulator? Objašnjenje proporcionalnosti, integrala i derivacije

Ako se rashladna soba pomakne 2 K iznad zadane vrijednosti, a zatim 3 K ispod nje, i ponavlja taj ciklus svakih nekoliko minuta, regulator se okrivljuje prije senzora, ventila ili prometa na vratima. Većinu vremena hardver je u redu, a postavke petlje nisu.

Kratak odgovor na to kako radi PID regulator: mjeri procesnu varijablu, uspoređuje je sa zadanom točkom i pokreće aktuator s korekcijom izgrađenom od tri člana. Proporcionalni član odgovara na pogrešku koja trenutno postoji. Integralnini član odgovara na pogrešku koja se nakupila tijekom vremena. Izvedeni izraz odgovara koliko se brzo pogreška mijenja. Zbrojeni zajedno, proizvode izlaz koji otvara ventil, mijenja brzinu ventilatora ili smanjuje kapacitet kompresora.

Temeljna ideja: izmjeri, usporedi, ispravi

Svaka PID petlja ima četiri dijela: senzor koji izvještava o varijabli procesa, regulator koji drži zadanu vrijednost i izvodi matematiku, aktuator koji može promijeniti proces i sam proces. Senzor napaja regulator, regulator pomiče aktuator, a aktuator mijenja ono što senzor očitava. Taj krug je zatvorena petlja.

Kontroler ponavlja jedan izračun u fiksnom intervalu, vremenu uzorka. Oduzima izmjerenu vrijednost od zadane vrijednosti i razliku naziva pogreškom. U primjeni hlađenja, izmjerena vrijednost iznad zadane vrijednosti daje pozitivnu pogrešku i više hlađenja. Konfigurirajte petlju na pogrešan način i ona postaje obrnutog djelovanja kada bi trebala biti izravnog djelovanja; pobjeći će umjesto da se smiri, i nikakva količina podešavanja to neće popraviti.

Izlaz odgovara onome što aktuator očekuje: 0 do 10 V za modulirajući ventil, 4 do 20 mA za pozicioner, kontakt releja za kompresor ili modulaciju širine pulsa za grijač. Relejni izlaz pretvara PID izračun u odluku o pragu, tako da razlučivost petlje ovisi o tome koliko često je kontaktu dopušteno prebacivanje.

Što tri pojma zapravo rade

Svaki izraz ima zadatak i svaki se može isključiti postavljanjem pojačanja na nulu. Mnoge radne petlje rade kao PI regulatori, jer derivativno djelovanje malo dodaje sporom temperaturnom procesu.

Proporcionalni rok

Proporcionalni član množi trenutnu pogrešku s dobitkom. S pojačanjem od 2 i greškom od 3 K, izlaz se pomiče za 6 jedinica. Veći dobitak znači bržu korekciju, ali nakon točke petlja oscilira, jer kontroler reagira na mjerenje na koje proces nije završio odgovor. Samo proporcionalni regulator rijetko sleti točno na zadanu vrijednost. Smješta se tamo gdje je preostala pogreška dovoljno velika da zadrži izlaz potreban procesu, a taj ostatak je pomak u stabilnom stanju.

Integralni pojam

Integralni izraz akumulira pogrešku tijekom vremena i nastavlja dodavati ispravke dok pogreška traje, obično izražena u ponavljanjima po minuti ili sekundama po ponavljanju. Uklanja pomak, zbog čega PI petlja može zadržati temperaturu ohlađene vode točno tamo gdje želite. Cijena je kašnjenje: integralno djelovanje temelji se na povijesti, tako da nastavlja gurati nakon što je pogreška nestala i proizvodi sporu oscilaciju kojoj je potrebno mnogo više vremena da se pojavi od proporcionalne oscilacije. Također se navija. Ako je ventil već potpuno otvoren, izraz nastavlja akumulirati ispravak koji ne može isporučiti, a petlja loše prelazi kada se pogreška konačno poništi.

Izvedeni pojam

Izvedeni član reagira na brzinu promjene pogreške i suprotstavlja se kretanju, što prigušuje petlju i omogućuje veći proporcionalni dobitak. Također pojačava šum senzora, jer malo bučno očitavanje u kratkom vremenu uzorka izgleda kao velika stopa promjene. U praksi se derivacija filtrira, izračunava na temelju mjerenja, a ne na pogrešci, ili se jednostavno ostavlja na nuli.

Primjer hlađenja: kontrola pregrijavanja

Uzmite elektronički ekspanzijski ventil na hladnjaku. Kontrolirana varijabla je pregrijavanje na izlazu iz isparivača, zadana vrijednost može biti 5 K, a pokretač je motor ventila ili proporcionalni solenoid. Kada pregrijavanje poraste iznad zadane vrijednosti, ventil se otvara kako bi pustio više rashladnog sredstva. Proporcionalni član ga otvara proporcionalno pogrešci, integralni član ga nastavlja otvarati dok se pregrijavanje ne smiri, a izvedeni član, tamo gdje se koristi, usporava otvaranje kada pregrijavanje počne padati tako da ventil ne preskoči u povratnu vodu tekućine.

Ista se struktura pojavljuje preko rashladnog postrojenja. Tlak kondenzacije često se održava modulacijom brzine ventilatora kondenzatora, što ga čini tlačnom petljom. Kapacitet kompresora može se podesiti pomoću petlje koja pretvara grešku usisnog tlaka u naredbu pretvarača. Petlje sobne temperature i temperature proizvoda imaju dugo mrtvo vrijeme i obično rade bez izvedenog djelovanja.

Regulator rashladnog tlaka s mehaničkim pokazivačem Omogućuje nadzor visokog i niskog tlaka s automatskim resetiranjem, pomažući u zaštiti kompresora, ventilatora i odvodnih ventila u rashladnim sustavima. Pogledajte proizvod →

Ugađanje bez nagađanja

Termini su međusobno povezani, tako da ugađanje slijedi fiksni redoslijed:

1. Stavite petlju u ručno i potvrdite da pokretač putuje cijelim rasponom bez zapinjanja.
2. Postavite integral i derivaciju na nulu, zatim povećajte proporcionalno pojačanje dok mjerenje ne pokaže malu, kontinuiranu oscilaciju.
3. Smanjite proporcionalni dobitak na otprilike polovicu te vrijednosti.
4. Dodajte integralno djelovanje polako dok pomak ne nestane unutar prihvatljivog vremena.
5. Dodajte derivaciju samo ako prekoračenje ostaje i signal je čist.

Mrtvo vrijeme odlučuje koliko se petlja može gurati. Ako je procesu potrebno 60 sekundi da odgovori na kretanje ventila, a njegova vremenska konstanta je 300 sekundi, omjer 0,2, klasična pravila kao što su Ziegler-Nichols ili lambda podešavanje daju izvedive dobitke. Ako je mrtvo vrijeme usporedivo s vremenskom konstantom, na primjer senzor postavljen daleko nizvodno od ventila, ništa neće ubrzati petlju, a pravo rješenje je pomaknuti senzor ili dodati naprijed.

Praktični problemi na tlu postrojenja

Većina problema s puštanjem u pogon spada u nekoliko kategorija:

• Integralno navijanje. Izlaz se zasiti prema granici dok pogreška ostaje, a petlja prelazi kada se pogreška poništi. Logika protiv navijanja i stezanje izlaza to rješavaju.
• Buka senzora. Filtar čija je vremenska konstanta blizu vremena uzorka može gotovo udvostručiti mrtvo vrijeme petlje. Filtrirajte ulaz, a ne izlaz.
• Mrtvi pojas aktuatora. Ventil koji treba 3 posto izlazne promjene prije nego što se pomakne postavlja čvrstu granicu koliko čvrsto petlja može držati.
• Vrijeme uzorka. Petlja skenirana jednom u minuti ne može kontrolirati proces s vremenskom konstantom od 30 sekundi.
• Nelinearnost. Ventil koji je nježan blizu sredine hoda i naglo blizu sjedišta možda treba raspored pojačanja ili karakteriziran izlaz.

Gdje se PID susreće s hardverom za hlađenje i klimatizaciju

PID izlaz bitan je samo ako ga aktuator može koristiti. Proporcionalni solenoidni ventili, elektronički ekspanzijski ventili, pogoni varijabilne frekvencije na ventilatorima kondenzatora i trosmjerni ventili za kontrolu protoka prihvaćaju kontinuirani signal i moduliraju se. Uređaji za uključivanje i isključivanje kao što su standardni solenoidni ventili, toplinski ekspanzijski ventili tipa žarulja i mehanički tlačni prekidači su uređaji praga, tako da PID regulator koji ih pokreće stvarno generira radni ciklus.

Ta razlika mijenja način na koji se komponente procjenjuju. Ventil koji godinama prati modulirajući signal troši se drugačije od onog koji se prebacuje nekoliko puta na sat, zbog čega dugotrajni rad modulirajućeg elektromagnetskog ventila zaslužuje pozornost prije nego što se petlja pusti u rad.

Dobavljači kao što su Dingsen, proizvodnja dijelova za rashladne i klimatizacijske uređaje za automobile od 2008 , izgraditi regulatore tlaka, ventile i bakrene priključke koji se nalaze na kraju primanja tih signala.

EVR solenoidni ventil za hlađenje i klimatizaciju Upravlja protokom rashladnog sredstva u tekućim, usisnim i vrućim plinskim vodovima, s opcijama izravnog djelovanja i pilotiranja za rashladne sustave. Pogledajte proizvod →

Toplinski ekspanzijski ventil s podesivom kontrolom pregrijavanja Regulira protok rashladnog sredstva za održavanje pregrijavanja, s kućištem H-tipa i statičkim podešavanjem pregrijavanja od 0–8°C za sustave hlađenja. Pogledajte proizvod →

Određivanje kontrolera: što provjeriti

• Vrsta ulaza i raspon, usklađen sa stvarnim senzorom: NTC, PT100, 4 do 20 mA ili 0 do 10 V.
• Vrsta i razlučivost izlaza: relej, poluprovodnički relejni pogon, struja, napon ili PWM.
• Brzina uzorkovanja, dovoljno velika za proces, ali ne tako velika da buka dominira izračunom.
• Automatsko podešavanje, zaštita od navijanja i lagani prijenos između ručnog i automatskog načina rada.
• Izlazna ograničenja i alarmi, uključujući visoke i niske stezaljke za integralni termin.
• Okruženje: montaža na ploču ili DIN tračnicu, IP ocjena, tolerancija na temperaturu okoline, vibracije i napon napajanja.

PID regulator sastoji se od tri korekcije koje se zbrajaju i ponavljaju na satu: jedna prema trenutnoj pogrešci, jedna prema akumuliranoj pogrešci i jedna prema brzini promjene. Fizika procesa postavlja gornju granicu izvedbe, a postavke odlučuju koliko će joj se petlja približiti. Odredite pravi smjer aktuatora, pošteno izmjerite mrtvo vrijeme i neka dobitci budu skromni. Ta kombinacija rješava više petlji od bilo koje agresivne sesije ugađanja.