Kuinka PID-säädin toimii? Suhteellinen, integraali ja johdannainen selitetty

Jos kylmähuone ajautuu 2 K asetusarvonsa yläpuolelle, sitten 3 K sen alle ja toistaa tämän syklin muutaman minuutin välein, säädintä syytetään ennen anturia, venttiiliä tai oviliikennettä. Suurimman osan ajasta laitteisto on kunnossa ja silmukkaasetukset eivät.

Lyhyt vastaus PID-säätimen toimintaan: se mittaa prosessimuuttujan, vertaa sitä asetusarvoon ja ohjaa toimilaitetta kolmesta termistä koostuvalla korjauksella. Suhteellinen termi vastaa juuri nyt olemassa olevaan virheeseen. Integraalitermi vastaa ajan myötä kertyneeseen virheeseen. Johdannainen vastaa kuinka nopeasti virhe muuttuu. Yhdessä ne tuottavat ulostulon, joka avaa venttiilin, muuttaa tuulettimen nopeutta tai trimmaa kompressorin kapasiteettia.

Ydinidea: Mittaa, vertaa, korjaa

Jokaisessa PID-silmukassa on neljä osaa: anturi, joka raportoi prosessimuuttujan, säädin, joka pitää ohjearvon ja tekee laskennan, toimilaite, joka voi muuttaa prosessia, ja itse prosessi. Anturi syöttää säädintä, säädin liikuttaa toimilaitetta ja toimilaite muuttaa anturin lukemaa. Tuo ympyrä on suljettu silmukka.

Säädin toistaa yhden laskutoimituksen kiinteällä aikavälillä, näyteajan. Se vähentää mitatun arvon asetuspisteestä ja kutsuu eroa virheeksi. Jäähdytyssovelluksessa asetusarvon yläpuolella mitattu arvo antaa positiivisen virheen ja lisää jäähdytystä. Konfiguroi silmukka väärin ja siitä tulee käänteinen, kun sen pitäisi olla suoratoiminen; se karkaa sen sijaan, että asettuisi, eikä mikään viritys korjaa sitä.

Lähtö vastaa mitä tahansa toimilaitteen odotuksia: 0 - 10 V moduloivalle venttiilille, 4 - 20 mA asennoittimelle, relekontaktille kompressorille tai pulssinleveysmodulaatiolle lämmittimelle. Relelähtö muuttaa PID-laskennan kynnyspäätökseksi, joten silmukan resoluutio riippuu siitä, kuinka usein koskettimen sallitaan kytkeytyä.

Mitä kolme termiä todella tekevät

Jokaisella termillä on tehtävä, ja jokainen voidaan kytkeä pois päältä asettamalla sen vahvistus nollaan. Monet työskentelysilmukat toimivat PI-säätiminä, koska johdannainen toiminta ei juuri lisää hidasta lämpötilaprosessia.

Suhteellinen termi

Suhteellinen termi kertoo nykyisen virheen vahvistuksella. Kun vahvistus on 2 ja virhe 3 K, lähtö liikkuu 6 yksikköä. Suurempi vahvistus tarkoittaa nopeampaa korjausta, mutta pisteen jälkeen silmukka värähtelee, koska säädin reagoi mittaukseen, jota prosessi ei ole vielä vastannut. Vain suhteellinen säädin laskeutuu harvoin täsmälleen asetusarvoon. Se asettuu siihen, missä jäljellä oleva virhe on juuri tarpeeksi suuri pitämään prosessin tarvitseman lähdön, ja tämä jäännös on vakaan tilan poikkeama.

Integraalinen termi

Integraalitermi kerää virhettä ajan myötä ja lisää korjauksia virheen jatkuessa, yleensä ilmaistuna toistoina minuutissa tai sekunteina toistoa kohden. Se poistaa offsetin, minkä vuoksi PI-silmukka voi pitää jäähdytetyn veden lämpötilan juuri siinä missä haluat. Hinta on viive: integraalinen toiminta perustuu historiaan, joten se jatkaa työntämistä virheen poistuttua ja tuottaa hitaan värähtelyn, jonka ilmaantuminen kestää paljon kauemmin kuin suhteellinen värähtely. Se myös kiertyy. Jos venttiili on jo täysin auki, termi kerää jatkuvasti korjausta, jota se ei voi toimittaa, ja silmukka ylittää pahasti, kun virhe lopulta peruuntuu.

Johdannainen termi

Johdannainen vastaa virheen muutosnopeuteen ja vastustaa liikettä, joka vaimentaa silmukkaa ja sallii suuremman suhteellisen vahvistuksen. Se myös vahvistaa anturin kohinaa, koska pieni meluisa lukema lyhyen näyteajan aikana näyttää valtavalta muutosnopeudelta. Käytännössä derivaatta suodatetaan, lasketaan mittauksen perusteella virheen sijaan tai jätetään yksinkertaisesti nollaan.

Jäähdytysesimerkki: Ylikuumenemisen ohjaus

Ota jäähdyttimen elektroninen paisuntaventtiili. Säädettävä suure on tulistus höyrystimen ulostulossa, asetusarvo voi olla 5 K ja toimilaite on venttiilin moottori tai suhteellinen solenoidi. Kun tulistus nousee asetusarvon yläpuolelle, venttiili avautuu päästääkseen lisää kylmäainetta. Suhteellinen termi avaa sen suhteessa virheeseen, integraalitermi pitää sitä auki, kunnes tulikuumennus laskeutuu, ja johdannaistermi, jossa sitä käytetään, hidastaa avautumista tulistuksen alkaessa laskea, jotta venttiili ei ylitä nesteen takaisinvirtausta.

Sama rakenne näkyy jäähdytyslaitoksessa. Lauhdutuspainetta ylläpidetään usein säätämällä lauhduttimen tuulettimen nopeutta, mikä tekee siitä painesilmukan. Kompressorin kapasiteettia voidaan trimmata silmukalla, joka muuntaa imupainevirheen invertterikäskyksi. Huoneen ja tuotteen lämpötilasilmukalla on pitkä kuollut aika ja ne toimivat yleensä ilman johdannaista.

Jäähdytyspaineensäädin mekaanisella osoitinnäytöllä Tarjoaa korkean ja matalan paineen valvonnan automaattisella nollauksella, mikä auttaa suojaamaan kompressoreja, puhaltimia ja tyhjennysventtiilejä jäähdytysjärjestelmissä. Näytä tuote →

Viritys ilman arvauksia

Termit ovat vuorovaikutuksessa, joten viritys tapahtuu kiinteässä järjestyksessä:

1. Aseta silmukka käsin ja varmista, että toimilaite kulkee koko alueensa tarttumatta.
2. Aseta integraali ja derivaatta nollaan ja nosta sitten suhteellista vahvistusta, kunnes mittaus osoittaa pientä jatkuvaa värähtelyä.
3. Leikkaa suhteellinen vahvistus noin puoleen tästä arvosta.
4. Lisää integroitua toimintaa hitaasti, kunnes offset katoaa hyväksyttävän ajan kuluessa.
5. Lisää derivaatta vain, jos ylitys jää jäljelle ja signaali on puhdas.

Kuollut aika ratkaisee kuinka kovaa silmukkaa voidaan työntää. Jos prosessi tarvitsee 60 sekuntia reagoidakseen venttiilin liikkeeseen ja sen aikavakio on 300 sekuntia, suhde on 0,2, klassiset säännöt, kuten Ziegler-Nichols tai lambda-viritys, tuottavat toimivia voittoja. Jos kuollut aika on verrattavissa aikavakioon, esimerkiksi anturi, joka on asennettu kauas venttiilin jälkeen, mikään ei tee silmukasta nopeaa, ja varsinainen ratkaisu on siirtää anturia tai lisätä syöttöä eteenpäin.

Käytännön ongelmia tehdaslattialla

Useimmat käyttöönotto-ongelmat jakautuvat kouralliseen luokkiin:

• Integroitu purku. Lähtö kyllästyy rajaa vastaan, kun virhe pysyy, ja silmukka ylittyy, kun virhe palautuu. Anti-windup-logiikka ja ulostulon kiinnitys ratkaisevat sen.
• Anturin melu. Suodatin, jonka aikavakio on lähellä näyteaikaa, voi lähes kaksinkertaistaa silmukan kuolleen ajan. Suodata tuloa, älä lähtöä.
• Toimilaitteen kuollut kaista. Venttiili, joka tarvitsee 3 prosentin tehonmuutoksen ennen kuin se liikkuu, asettaa kovan rajan silmukan kestävyydelle.
• Näyteaika. Kerran minuutissa skannattu silmukka ei voi ohjata prosessia 30 sekunnin aikavakiolla.
• Epälineaarisuus. Venttiili, joka on lempeä lähellä keskiliikettä ja jyrkkä lähellä istuinta, saattaa tarvita vahvistuksen ajoituksen tai karakterisoidun tehon.

Missä PID kohtaa jäähdytyksen ja ilmastointilaitteiston

PID-lähdöllä on merkitystä vain, jos toimilaite voi käyttää sitä. Suhteelliset solenoidiventtiilit, elektroniset paisuntaventtiilit, lauhdutinpuhaltimien taajuusmuuttajat ja virtausta ohjaavat kolmitieventtiilit hyväksyvät kaikki jatkuvan signaalin ja moduloivat. Käynnistys- ja poiskytkentälaitteet, kuten tavalliset solenoidiventtiilit, polttimotyyppiset lämpölaajenemisventtiilit ja mekaaniset painekytkimet, ovat kynnyslaitteita, joten niitä ohjaava PID-säädin tuottaa todella käyttöjakson.

Tämä ero muuttaa sitä, miten komponentit arvioidaan. Venttiili, joka seuraa moduloivaa signaalia vuosia, kuluu eri tavalla kuin se, joka kytkeytyy muutaman kerran tunnissa, minkä vuoksi moduloivan solenoidiventtiilin pitkäaikainen käyttö ansaitsee huomiota ennen silmukan käyttöönottoa.

Toimittajat, kuten Dingsen, valmistanut jäähdytys- ja autoilmastointiosia vuodesta 2008 , rakenna paineensäätimet, venttiilit ja kupariliittimet, jotka sijaitsevat näiden signaalien vastaanottopäässä.

EVR Solenoidiventtiili jäähdytykseen ja ilmastointiin Ohjaa kylmäaineen virtausta neste-, imu- ja kuumakaasulinjoissa suoratoimisilla ja pilottiohjatuilla jäähdytysjärjestelmillä. Näytä tuote →

Lämpöpaisuntaventtiili säädettävällä ylikuumenemissäätimellä Säätelee kylmäaineen virtausta ylikuumenemisen ylläpitämiseksi. Siinä on H-tyyppinen runko ja 0–8 °C:n staattinen tulistuksen säätö jäähdytysjärjestelmille. Näytä tuote →

Ohjaimen määrittäminen: Mitä tarkistetaan

• Tulotyyppi ja -alue, sovitettu todelliseen anturiin: NTC, PT100, 4 - 20 mA tai 0 - 10 V.
• Lähtötyyppi ja resoluutio: rele, puolijohderele, virta, jännite tai PWM.
• Näytetaajuus, riittävän nopea prosessiin, mutta ei niin nopea, että kohina hallitsee laskelmaa.
• Automaattinen viritys, purkamisen esto ja häiriötön siirto manuaalisen ja automaattisen tilan välillä.
• Lähtörajat ja hälytykset, mukaan lukien korkeat ja matalat kiinnikkeet integroidulle termille.
• Ympäristö: paneeli- tai DIN-kiskoasennus, IP-luokitus, ympäristön lämpötila, tärinä ja syöttöjännitteen toleranssi.

PID-säädin on kolme korjausta, jotka lasketaan yhteen ja toistetaan kellossa: yksi nykyistä virhettä vastaan, yksi kertyneen virheen suhteen ja yksi muutosnopeutta vastaan. Prosessin fysiikka asettaa suorituskyvyn katon, ja asetukset määräävät, kuinka lähelle silmukka pääsee siihen. Säädä toimilaitteen suunta oikeaan, mittaa kuollut aika rehellisesti ja pidä tehot vaatimattomina. Tämä yhdistelmä ratkaisee enemmän silmukoita kuin mikään aggressiivinen viritysistunto.