Jak funguje PID regulátor? Proporcionální, integrální a derivační vysvětlení

Pokud se chladící místnost posune o 2 K nad svou nastavenou hodnotu, pak o 3 K pod ni a tento cyklus opakuje každých několik minut, je řídicí jednotka obviňována dříve, než to udělá senzor, ventil nebo pohyb dveří. Většinu času je hardware v pořádku a nastavení smyčky ne.

Krátká odpověď na to, jak PID regulátor funguje: měří procesní proměnnou, porovnává ji se žádanou hodnotou a řídí akční člen pomocí korekce sestavené ze tří členů. Poměrný člen odpovídá na chybu, která právě existuje. Integrální člen odpovídá na chybu, která se v průběhu času nahromadila. Odvozený člen odpovídá, jak rychle se chyba mění. Společně vytvářejí výstup, který otevírá ventil, mění rychlost ventilátoru nebo snižuje kapacitu kompresoru.

Základní myšlenka: měřit, porovnávat, opravovat

Každá PID smyčka má čtyři části: senzor hlásící procesní proměnnou, regulátor držící nastavenou hodnotu a provádějící výpočty, akční člen, který může změnit proces, a samotný proces. Senzor napájí regulátor, regulátor pohybuje aktuátorem a aktuátor mění to, co senzor čte. Ten kruh je uzavřená smyčka.

Ovladač opakuje jeden výpočet v pevném intervalu, vzorkovací čas. Odečte naměřenou hodnotu od žádané hodnoty a rozdíl nazývá chybou. V aplikaci chlazení poskytuje naměřená hodnota nad nastavenou hodnotou kladnou chybu a větší chlazení. Nakonfigurujte smyčku nesprávným způsobem a stane se reverzní, když by měla být přímo působící; místo usazení to uteče a žádné ladění to nespraví.

Výstup odpovídá všemu, co pohon očekává: 0 až 10 V pro modulační ventil, 4 až 20 mA pro polohovadlo, reléový kontakt pro kompresor nebo pulzně šířková modulace pro ohřívač. Reléový výstup změní výpočet PID na prahové rozhodnutí, takže rozlišení smyčky závisí na tom, jak často je kontakt dovoleno spínat.

Co vlastně tři pojmy dělají

Každý člen má úlohu a každý lze vypnout nastavením jeho zesílení na nulu. Mnoho pracovních smyček běží jako PI regulátory, protože derivační činnost jen málo přispívá k pomalému teplotnímu procesu.

Proporcionální období

Proporcionální člen násobí aktuální chybu ziskem. Se ziskem 2 a chybou 3 K se výstup posune o 6 jednotek. Větší zesílení znamená rychlejší korekci, ale za bodem smyčka osciluje, protože regulátor reaguje na měření, na které proces nedokončil. Pouze proporcionální regulátor zřídka přistane přesně na požadované hodnotě. Usadí se tam, kde je zbývající chyba právě tak velká, aby udržela výstup, který proces potřebuje, a tento zbytek je offset v ustáleném stavu.

Integrální termín

Integrální člen akumuluje chybu v průběhu času a neustále přidává opravu, zatímco chyba přetrvává, obvykle vyjádřená v opakováních za minutu nebo sekundy za opakování. Odstraňuje offset, a proto může PI smyčka udržet teplotu chlazené vody přesně tam, kde ji chcete. Cena je zpoždění: integrální akce je založena na historii, takže pokračuje v tlaku poté, co chyba zmizí, a vytváří pomalou oscilaci, která se objeví mnohem déle než proporcionální oscilace. Také se to zavětří. Pokud je ventil již plně otevřený, člen neustále hromadí korekci, kterou nemůže dodat, a smyčka špatně překmitne, když se chyba konečně obrátí.

Termínín derivátu

Derivační člen reaguje na rychlost změny chyby a působí proti pohybu, což tlumí smyčku a umožňuje vyšší proporcionální zesílení. Zesiluje také šum snímače, protože malé hlučné čtení během krátké doby vzorku vypadá jako obrovská rychlost změny. V praxi je derivační akce filtrována, vypočítávána na základě měření spíše než chyby, nebo je jednoduše ponechána na nule.

A Příklad chlazení: Řízení přehřátí

Vezměte elektronický expanzní ventil na chladiči. Řízenou veličinou je přehřátí na výstupu z výparníku, požadovaná hodnota může být 5 K a akčním členem je motor ventilu nebo proporcionální solenoid. Když přehřátí stoupne nad nastavenou hodnotu, ventil se otevře, aby vpustil více chladiva. Proporcionální člen jej otevírá úměrně k chybě, integrální člen jej stále tlačí, dokud se přehřátí neusadí, a derivační člen, kde je použit, zpomaluje otevírání, když přehřátí začne klesat, takže ventil nepřestřelí do kapalinového zaplavení.

Stejná struktura se objevuje v celém chladicím zařízení. Kondenzační tlak je často udržován modulovanou rychlostí ventilátoru kondenzátoru, což z něj dělá tlakovou smyčku. Kapacita kompresoru může být upravena smyčkou, která převádí chybu sacího tlaku na příkaz invertoru. Smyčky pokojové teploty a teploty produktu mají dlouhou mrtvou dobu a obvykle probíhají bez derivace.

Regulátor tlaku chlazení s mechanickým ukazatelem displeje Poskytuje monitorování vysokého a nízkého tlaku s automatickým resetem, pomáhá chránit kompresory, ventilátory a vypouštěcí ventily v chladicích systémech. Zobrazit produkt →

Tuning bez dohadů

Termíny se vzájemně ovlivňují, takže ladění má pevné pořadí:

1. Vložte smyčku do manuálního režimu a ujistěte se, že akční člen jede v celém svém rozsahu bez přilepení.
2. Nastavte integrál a derivaci na nulu, poté zvyšujte proporcionální zesílení, dokud měření neukáže malou, nepřetržitou oscilaci.
3. Snižte proporcionální zisk přibližně na polovinu této hodnoty.
4. Přidávejte integrální akci pomalu, dokud offset nezmizí v přijatelném čase.
5. Přidejte derivaci pouze v případě, že překmit zůstává a signál je čistý.

Mrtvý čas rozhoduje o tom, jak silně může být smyčka tlačena. Pokud proces potřebuje 60 sekund na reakci na pohyb ventilu a jeho časová konstanta je 300 sekund, poměr 0,2, klasická pravidla, jako je Ziegler-Nichols nebo lambda ladění, poskytují funkční zisky. Pokud je mrtvý čas srovnatelný s časovou konstantou, například senzor namontovaný daleko za ventilem, nic nezrychlí smyčku a skutečným řešením je přesunout senzor nebo přidat dopřednou vazbu.

Praktické problémy na podlaze závodu

Většina problémů s uvedením do provozu spadá do několika kategorií:

• Integrální natahování. Výstup se saturuje proti limitu, zatímco chyba zůstává, a smyčka překmitne, když se chyba obrátí. Vyřeší to anti-windup logika a výstupní upínání.
• Šum snímače. Filtr, jehož časová konstanta je blízká vzorkovacímu času, může téměř zdvojnásobit mrtvý čas smyčky. Filtrujte vstup, nikoli výstup.
• Pásmo necitlivosti ovladače. Ventil, který potřebuje změnu výstupu o 3 procenta, než se pohne, nastavuje pevný limit, jak pevně může smyčka udržet.
• Ukázkový čas. Smyčka skenovaná jednou za minutu nemůže řídit proces s 30 sekundovou časovou konstantou.
• Nelinearita. Ventil, který je jemný blízko středu dráhy a náhlý v blízkosti sedla, může vyžadovat plánování zisku nebo charakterizovaný výstup.

Kde se PID setkává s chladicím a klimatizačním hardwarem

Výstup PID má význam pouze v případě, že jej může aktuátor používat. Proporcionální solenoidové ventily, elektronické expanzní ventily, pohony s proměnnou frekvencí na ventilátorech kondenzátoru a třícestné ventily pro řízení průtoku přijímají nepřetržitý signál a modulují se. Zapínání a vypínání zařízení, jako jsou standardní solenoidové ventily, tepelné expanzní ventily baňkového typu a mechanické tlakové spínače, jsou prahová zařízení, takže PID regulátor, který je řídí, skutečně generuje pracovní cyklus.

Tento rozdíl mění způsob, jakým jsou komponenty posuzovány. Ventil, který se roky řídí modulačním signálem, se opotřebovává jinak než ventil, který se spíná několikrát za hodinu, a proto je dlouhodobý provoz modulačního solenoidového ventilu si zaslouží pozornost před uvedením smyčky do provozu.

Dodavatelé jako Dingsen, od roku 2008 vyrábí díly pro chlazení a automobilovou klimatizaci , postavit regulátory tlaku, ventily a měděné armatury, které sedí na přijímacím konci těchto signálů.

Solenoidový ventil EVR pro chlazení a klimatizaci Řídí tok chladiva v kapalinovém, sacím a horkém plynovém potrubí s možností přímého a pilotního provozu pro chladicí systémy. Zobrazit produkt →

Tepelný expanzní ventil s nastavitelnou regulací přehřátí Reguluje průtok chladiva pro udržení přehřátí, má tělo typu H a statické nastavení přehřátí 0–8 °C pro chladicí systémy. Zobrazit produkt →

Určení ovladače: Co zkontrolovat

• Typ a rozsah vstupu, přizpůsobené skutečnému senzoru: NTC, PT100, 4 až 20 mA nebo 0 až 10 V.
• Typ a rozlišení výstupu: relé, polovodičový reléový pohon, proud, napětí nebo PWM.
• Vzorkovací frekvence, dostatečně rychlá pro proces, ale ne tak rychlá, aby ve výpočtu dominoval šum.
• Automatické ladění, anti-windup a bezproblémový přenos mezi manuálním a automatickým režimem.
• Výstupní limity a alarmy, včetně horních a dolních svorek pro integrální člen.
• Prostředí: montáž na panel nebo na lištu DIN, krytí IP, okolní teplota, vibrace a tolerance napájecího napětí.

PID regulátor jsou tři korekce sčítané dohromady a opakující se na hodinách: jedna proti aktuální chybě, jedna proti akumulované chybě a jedna proti rychlosti změny. Fyzika procesu nastavuje strop výkonu a nastavení rozhoduje o tom, jak blízko se k němu smyčka dostane. Nastavte správný směr pohonu, poctivě měřte mrtvý čas a udržujte skromné ​​zisky. Tato kombinace řeší více smyček než jakákoli agresivní relace ladění.