PID Control System Tuning Guide for Refrigeration and HVAC Control Loops

En walk-in fryser indstillet til minus 18 grader Celsius, der driver mellem minus 15 og minus 20, kortvarig cykling af kompressoren og frosting af den ene ende af fordamperen, mangler normalt ikke kølemiddel. Det mangler god kontrol. PID-styringssystemet bestemmer, hvor langt ekspansionsventilen åbner, når væskeledningsmagneten lukker, og hvor hurtigt rummet kommer sig, efter at en dør står åben. Ingen ladningsjustering vil fikse en sløjfe, der kæmper sig selv.

Det korte svar først. Et PID-kontrolsystem er en lukket sløjfe-controller, der sammenligner en målt værdi med et mål og korrigerer forskellen ved hjælp af tre vægtede termer: proportional, integral og afledt. I køle- og airconditionarbejde er regnestykket den enkle del. Det, der afgør, om sløjfen holder sit mål, er sensoren, aktuatoren, og om justeringen passer til belastningens termiske inerti.

Hvordan et PID-kontrolsystem retter en fejl

Hver løkke kører den samme sekvens. Regulatoren læser procesvariablen, trækker den fra sætpunktet for at få fejlen, beregner de tre led, adderer dem sammen og sender resultatet til et endeligt kontrolelement. Elementet virker, processen reagerer, sensoren rapporterer, og cyklussen gentages. En timer, der kører en kompressor i ti minutter og hviler den i fem, gør intet af dette, hvorfor åben sløjfestyring ikke kan holde et rum gennem en skiftende belastning.

De tre vilkår og hvad hver enkelt fikser

Proportional handling

Proportional handling producerer et output, der er proportionalt med den aktuelle fejl. Hvis rummet sidder 2 K over sætpunktet, og forstærkningen indstilles, så hver kelvin åbner en modulerende ventil med 8 procent, flytter ventilen sig til 16 procent. Denne term gør det meste af arbejdet under en pull down.

Den kan ikke afslutte arbejdet alene. Når rummet nærmer sig setpunktet, krymper fejlen, og udgangen krymper med den, indtil ventilpositionen nøjagtigt afbalancerer belastningen. Dette balancepunkt sidder væk fra sætpunktet og kaldes offset eller steady state fejl. Kun proportional kontrol afsætter ofte 1 til 2 K fra målet, hvilket er tolerabelt for komfortkøling og ikke for en hurtigfryser.

Integral handling

Integral handling summerer fejlen over tid og bliver ved med at skubbe, indtil summen holder op med at vokse, hvilket fjerner offset. Omkostningerne er tid, og hvis det er indstillet aggressivt, overskrides. Når summen akkumuleres i en periode, hvor udgangen ikke kan reagere, såsom en afrimningsspærring, driver den udgangen hårdt i det øjeblik, spærringen forsvinder. Det er en integral afvikling, og det er en almindelig årsag til, at en butik overskrider med 5 K efter en afrimning.

Afledt handling

Afledt handling reagerer på fejlens ændringshastighed, som dæmper en sløjfe, der har tendens til at overskride. Den reagerer også på sensorstøj, fordi en tryktransducer, der rykker med 0,2 bar hver prøvetagningsperiode, ligner en ekstrem hurtig ændring. De fleste køleregulatorer anvender den afledte term på procesvariablen i stedet for på fejlen og parrer den med et filter på et til tre sekunder. Hvor transportforsinkelse dominerer, hvilket er de fleste kredsløb, efterlades afledte på nul, og en PI-løkke bruges i stedet.

Et konkret eksempel. En elektronisk ekspansionsventil, der holder overhedning ved 5 til 8 K, er afhængig af proportional handling for at spore belastningen og integreret handling for at fjerne stående fejl. Hvis overhedning svinger mellem 2 K og 15 K, er det afledte udtryk sjældent synderen. Sensorresponstid og ventiltrinsopløsning er normalt.

Termisk ekspansionsventil til køleoverhedningskontrol Kompakt ventil af messing eller rustfrit stål med justerbar 0–8°C statisk overhedning til kommercielle og industrielle køleanvendelser. Se produkt →

Tuningmetoder og realistiske tal

Tuning er der, hvor teori møder planten. Tre tilgange dækker det meste af arbejdet.

1. Manuel tuning. Nulstil integral- og afledte led, hæv den proportionale forstærkning, indtil løkken svinger støt, og halvér den derefter. Tilføj integreret handling, indtil offset forsvinder inden for en acceptabel tid. Tilføj kun afledt, hvis overskridelse stadig betyder noget.
2. Ziegler og Nichols. Læs den ultimative forstærkning og periode fra oscillationstesten og anvend den offentliggjorte tabel. Resultatet er hurtigt og let aggressivt, hvilket passer til langsomme temperatursløjfer.
3. Relæ automatisk tuning. Regulatoren tvinger en lille grænsecyklus rundt om sætpunktet og udleder modellen fra dens amplitude og periode. Det er praktisk, men det tuner løkken nøjagtigt som fundet, inklusive en dårligt placeret sensor.

Nyttige referencepunkter. En rumløkke opdateres en gang i sekundet. En overhedningsløkke opdateres hver 100 til 200 ms. En kølevandssløjfe bør holde inden for 0,5 K og en montre inden for 1 K. Sampling langt hurtigere, end processen kan reagere, forstærker for det meste støj.

Hvor kontrolsløjfen møder hardware

Tre hardwarebeslutninger former resultatet mere end nogen tuningkonstant.

• Sensorplacering og hastighed. En sonde i returluften ser rummet, mens en sonde, der er fastspændt til spolen, ser spolen. En sløjfe indstillet på den ene og betjent på den anden vil jage.
• Aktuator opløsning. En tænd- og sluk-magnetventil giver sløjfen to positioner, så controlleren kun kan variere driftscyklussen. En modulerende ventil giver den 200 positioner eller mere.
• Uafhængig beskyttelse. En køletrykregulator skifter kompressoren eller kondensatorventilatoren til et fast tryk, uanset hvad temperatursløjfen anmoder om, hvilket forhindrer en fejlbehæftet sensor i at blive en fejlbehæftet kompressor.

Adfærd over tid betyder lige så meget som adfærd på idriftsættelsesdagen. En væskeledningssolenoid, der cykler hvert 40. sekund, vil akkumulere hundredtusindvis af operationer inden for få år, så sædedesign, spoleisoleringsklasse og manuel tilsidesættelsesadgang bliver praktiske udvælgelseskriterier. Noter vedr holde en EVR magnetventil stabil over en lang levetid er værd at læse, før en cykelhastighed er fastsat.

EVR magnetventil til køleflowregulering EVR magnetventil til væske-, suge- eller varmgasledninger med AC/DC-spolemuligheder og holdbar tætning til kølesystemer. Se produkt →

Kølehøj-/lavtryksregulator med automatisk nulstilling Mekanisk høj-/lavtryksregulator med visermålere og automatisk nulstilling, knyttet til kompressorer, ventilatorer og afløbsventiler for systembeskyttelse. Se produkt →

Når løkken opfører sig forkert: Symptomer og årsager

• Stort overskridelse efter afrimning: integreret oprulning eller afrimningsafslutning indstillet efter tid i stedet for spoletemperatur.
• Regelmæssig oscillation hvert andet til femte minut: proportional forstærkning for høj, eller en ventil overdimensioneret til belastningen.
• Konstant offset, der aldrig forsvinder: kun proportional kontrol eller en aktuator, der har nået sin bevægelsesgrænse.
• Tilfældig jitter uden fysisk årsag: afledt handling, der forstærker sensorstøj, eller en løs sondelomme.
• Kort cykling ved let belastning: hysterese sat under sløjfens dødbånd eller et dødbånd, der er smallere end sensorens nøjagtighed.
• Den ene del af kabinettet er kold og resten varm: sensorplacering, ikke tuning.

Kaskadestyring fjerner en del af dette. Den ydre sløjfe aflæser rumtemperatur og skriver et sætpunkt, mens den indre sløjfe aflæser fordamper- eller sugeforhold og driver ventilen. Den indre sløjfe reagerer på få sekunder, før rummet har flyttet sig, hvilket skærer overskridelse på systemer med lang transportforsinkelse.

Hvad skal du tjekke, før du afgiver en ordre

1. Hvilket kontrolområde og opløsning kræves? En ventil, der modulerer over 10 til 100 procent af belastningen, er et andet produkt end en, der åbner helt ved 20 procent.
2. Hvad er sensornøjagtigheden og responstiden, og er sløjfens dødbånd bredere end sensorfejlen?
3. Hvilket cyklusantal forventes i løbet af levetiden, og understøtter sædet og spolematerialerne det?
4. Passer kobber- og messingfittings og ventilmaterialerne til kølemidlet og olien i brug?
5. Findes der reservedele, spolespændinger og manuel tilsidesættelsesmuligheder i samme serie, så en reparation ikke kræver efterbearbejdning af beslaget?
6. Kan leverandøren arbejde ud fra en tegning eller en prøve, hvis sløjfen har brug for en ikke-standard portstørrelse eller flowkarakteristik?

Leverandører, der både bygger styrekomponenterne og forstår de sløjfer, de sidder i, lukker disse huller hurtigere. En producent med et internt testlaboratorium og tilpasset udviklingskapacitet kan bekræfte en flowkoefficient eller en spolevurdering fra tegningen i stedet for fra en katalogfodnote.

Nøglepunkter at huske

• Et PID-kontrolsystem er et lukket sløjfe: mål, sammenlign, korriger, gentag.
• Proportional handling reagerer på den nuværende fejl, integral handling rydder fortiden, afledt handling foregriber de næste par sekunder.
• De fleste kølekredsløb fungerer bedst som PI, med derivater forbeholdt velfiltrerede og hurtigt reagerende målinger.
• Tuning kan ikke kompensere for en langsom sensor, en overdimensioneret ventil eller en sonde på det forkerte sted.
• Cykluslevetid og materialekompatibilitet afgør, om løkken stadig fungerer i år tre.

Den egentlige test af en sløjfe er ikke trinresponsen på idriftsættelsesdagen. Det er, om sagen stadig holder mål på årets varmeste eftermiddag, efter en afrimning, og med en delvist blokeret spole. Design hardwaren omkring det krav, og tuning-numrene bliver den nemme del.