Hvordan fungerer en PID-controller? Forklaret proportional, integral og afledt

Hvis et kølerum driver 2 K over sit sætpunkt, derefter 3 K under det og gentager denne cyklus med få minutters mellemrum, får controlleren skylden, før sensoren, ventilen eller dørtrafikken gør det. Det meste af tiden er hardwaren i orden, og loop-indstillingerne er det ikke.

Det korte svar på, hvordan en PID-regulator fungerer: den måler en procesvariabel, sammenligner den med et sætpunkt og driver en aktuator med en korrektion bygget af tre led. Det forholdsmæssige udtryk svarer på den fejl, der eksisterer lige nu. Integralleddet svarer på den fejl, der har akkumuleret over tid. Det afledte udtryk svarer på, hvor hurtigt fejlen ændrer sig. Sammenlagt producerer de det output, der åbner en ventil, ændrer en ventilatorhastighed eller trimmer kompressorkapaciteten.

Kerneideen: Mål, sammenlign, ret

Hver PID-sløjfe har fire dele: en sensor, der rapporterer procesvariablen, en controller, der holder sætpunktet og regner, en aktuator, der kan ændre processen, og selve processen. Sensoren føder controlleren, controlleren flytter aktuatoren, og aktuatoren ændrer, hvad sensoren læser. Den cirkel er den lukkede sløjfe.

Styringen gentager én beregning med et fast interval, prøvetiden. Den trækker den målte værdi fra sætpunktet og kalder forskellen for fejlen. I en køleapplikation giver en målt værdi over setpunktet en positiv fejl og mere køling. Konfigurer loopet på den forkerte måde, og det bliver omvendt virkende, når det skal være direkte virkende; det vil løbe væk i stedet for at sætte sig, og ingen mængde tuning vil løse det.

Udgangen matcher, hvad aktuatoren forventer: 0 til 10 V for en modulerende ventil, 4 til 20 mA for en positioner, en relækontakt til en kompressor eller pulsbreddemodulation for en varmelegeme. En relæudgang gør PID-beregningen til en tærskelbeslutning, så sløjfeopløsning afhænger af, hvor ofte kontakten får lov til at skifte.

Hvad de tre udtryk faktisk gør

Hvert semester har et job, og hver kan slukkes ved at sætte dens forstærkning til nul. Mange arbejdsløkker kører som PI-controllere, fordi afledt handling tilføjer meget lidt til en langsom temperaturproces.

Proportional Termin

Det proportionale led multiplicerer den aktuelle fejl med en forstærkning. Med en forstærkning på 2 og en fejl på 3 K flytter udgangen 6 enheder. Mere forstærkning betyder hurtigere korrektion, men forbi et punkt svinger sløjfen, fordi controlleren reagerer på en måling, som processen ikke er færdig med at besvare. En proportional-only controller lander sjældent nøjagtigt på sætpunktet. Den afgør, hvor den resterende fejl er lige stor nok til at holde det output, som processen har brug for, og den rest er steady-state offset.

Integral Term

Det integrale led akkumulerer fejl over tid og bliver ved med at tilføje korrektion, mens fejlen fortsætter, normalt udtrykt i gentagelser pr. minut eller sekunder pr. gentagelse. Det fjerner offset, hvorfor en PI-sløjfe kan holde en kølevandstemperatur præcis hvor du ønsker det. Prisen er forsinkelse: Integral handling er baseret på historie, så den bliver ved med at skubbe efter fejlen er forsvundet og producerer en langsom svingning, der tager langt længere tid om at vises end proportional oscillation. Det vinder også op. Hvis ventilen allerede er helt åben, bliver termen ved med at akkumulere korrektion, den ikke kan levere, og løkken overskrider dårligt, når fejlen endelig vender.

Afledt Term

Det afledte led reagerer på fejlens ændringshastighed og modarbejder bevægelse, hvilket dæmper sløjfen og tillader en højere proportional forstærkning. Det forstærker også sensorstøj, fordi en lille støjende læsning over en kort prøvetid ligner en enorm ændringshastighed. I praksis filtreres afledte handlinger, beregnes på målingen i stedet for fejlen, eller blot stå nul.

Et køleeksempel: Overhedningskontrol

Tag en elektronisk ekspansionsventil på en køler. Den styrede variabel er overhedning ved fordamperens udgang, sætpunktet kan være 5 K, og aktuatoren er ventilmotoren eller en proportional magnetventil. Når overhedningen stiger til over sætpunktet, åbner ventilen for at tilføre mere kølemiddel. Det proportionale led åbner det i forhold til fejlen, integralleddet bliver ved med at skubbe det åbent, indtil overhedningen sætter sig, og det afledte led, hvor det bruges, forsinker åbningen, når overhedningen begynder at falde, så ventilen ikke overskyder til væsketilbagestrømning.

Den samme struktur optræder på tværs af et køleanlæg. Kondenseringstrykket holdes ofte ved at modulere kondensatorventilatorhastigheden, hvilket gør det til en tryksløjfe. Kompressorkapaciteten kan trimmes af en sløjfe, der konverterer en sugetrykfejl til en inverterkommando. Rum- og produkttemperatursløjfer har lang dødtid og kører normalt uden afledt virkning.

Køletrykregulator med mekanisk viserdisplay Giver høj- og lavtryksovervågning med automatisk nulstilling, der hjælper med at beskytte kompressorer, ventilatorer og drænventiler i kølesystemer. Se produkt →

Tuning uden gætværk

Begreberne interagerer, så tuning følger en fast rækkefølge:

1. Sæt løkken i manualen og bekræft, at aktuatoren bevæger sig hele sit område uden at klæbe.
2. Indstil integral og afledt til nul, og hæv derefter proportional forstærkning, indtil målingen viser en lille, kontinuerlig svingning.
3. Skær proportional forstærkning til omkring halvdelen af ​​denne værdi.
4. Tilføj den integrerede handling langsomt, indtil offset forsvinder inden for en acceptabel tid.
5. Tilføj kun afledt, hvis overskridelsen forbliver, og signalet er rent.

Dødtid afgør, hvor hårdt en løkke kan skubbes. Hvis processen har brug for 60 sekunder for at reagere på en ventilbevægelse, og dens tidskonstant er 300 sekunder, et forhold på 0,2, giver klassiske regler som Ziegler-Nichols eller lambda-tuning brugbare gevinster. Hvis dødtiden er sammenlignelig med tidskonstanten, for eksempel en sensor monteret langt nedstrøms for ventilen, vil intet gøre sløjfen hurtig, og den rigtige løsning er at flytte sensoren eller tilføje feedforward.

Praktiske problemer på plantegulvet

De fleste idriftsættelsesproblemer falder i en håndfuld kategorier:

• Integreret afvikling. Outputtet mættes mod en grænse, mens fejlen består, og løkken overskrider, når fejlen vender. Anti-windup logik og udgangsklemning løser det.
• Sensorstøj. Et filter, hvis tidskonstant er tæt på prøvetiden, kan næsten fordoble sløjfens dødtid. Filtrer input, ikke output.
• Aktuator dødbånd. En ventil, der har brug for en udgangsændring på 3 procent, før den bevæger sig, sætter en hård grænse for, hvor stram løkken kan holde.
• Prøvetid. En sløjfe, der scannes én gang i minuttet, kan ikke styre en proces med en tidskonstant på 30 sekunder.
• Ikke-linearitet. En ventil, der er skånsom nær midtvejs og pludselig nær sædet, kan have behov for forstærkningsplanlægning eller et karakteriseret output.

Hvor PID møder køling og A/C-hardware

PID-output har kun betydning, hvis aktuatoren kan bruge det. Proportionale magnetventiler, elektroniske ekspansionsventiler, frekvensomformere med variabel frekvens på kondensatorventilatorer og flowkontrol trevejsventiler accepterer alle et kontinuerligt signal og modulerer. Tænd og sluk enheder såsom standard magnetventiler, termiske ekspansionsventiler af pæretype og mekaniske trykafbrydere er tærskelenheder, så en PID-controller, der driver dem, genererer virkelig en driftscyklus.

Den forskel ændrer, hvordan komponenter bedømmes. En ventil, der følger et modulerende signal i årevis, slides anderledes end en, der skifter et par gange i timen, hvorfor langtidsdrift af en modulerende magnetventil fortjener opmærksomhed, før en løkke idriftsættes.

Leverandører som Dingsen, har fremstillet dele til køle- og klimaanlæg til biler siden 2008 , byg de trykregulatorer, ventiler og kobberfittings, der sidder i den modtagende ende af disse signaler.

EVR magnetventil til køling og aircondition Styrer kølemiddelstrømmen i væske-, suge- og varmgasledninger med direkte virkende og pilotbetjente muligheder for kølesystemer. Se produkt →

Termisk ekspansionsventil med justerbar overhedningskontrol Regulerer kølemiddelflowet for at opretholde overhedning, med en H-type krop og 0-8°C statisk overhedningsjustering for kølesystemer. Se produkt →

Angivelse af en controller: Hvad skal kontrolleres

• Indgangstype og område, tilpasset den aktuelle sensor: NTC, PT100, 4 til 20 mA eller 0 til 10 V.
• Udgangstype og opløsning: relæ, solid state relædrev, strøm, spænding eller PWM.
• Sample rate, hurtig nok til processen, men ikke så hurtig, at støj dominerer beregningen.
• Auto-tune, anti-windup og ujævn overførsel mellem manuel og automatisk tilstand.
• Udgangsgrænser og alarmer, inklusive høje og lave klemmer for den integrerede periode.
• Miljø: panel- eller DIN-skinnemontering, IP-klassificering, omgivelsestemperatur, vibrationer og forsyningsspændingstolerance.

En PID-regulator er tre korrektioner lagt sammen og gentaget på et ur: en mod den aktuelle fejl, en mod den akkumulerede fejl og en mod ændringshastigheden. Processens fysik sætter loftet for ydeevnen, og indstillingerne bestemmer, hvor tæt løkken kommer på den. Få aktuatorretningen rigtig, mål dødtid ærligt, og hold gevinsterne beskedne. Den kombination løser flere loops end nogen aggressiv tuning-session.