Hvordan fungerer en PID-kontroller? Proporsjonal, integral og derivativ forklart

Hvis et kjølerom driver 2 K over settpunktet, deretter 3 K under det, og gjentar den syklusen med noen minutter, får kontrolleren skylden før sensoren, ventilen eller dørtrafikken gjør det. Mesteparten av tiden er maskinvaren fin og løkkeinnstillingene er det ikke.

Det korte svaret på hvordan en PID-regulator fungerer: den måler en prosessvariabel, sammenligner den med et settpunkt og driver en aktuator med en korreksjon bygget fra tre ledd. Det proporsjonale leddet svarer på feilen som eksisterer akkurat nå. Integralleddet svarer på feilen som har akkumulert over tid. Det deriverte leddet svarer på hvor raskt feilen endrer seg. Lagt sammen produserer de utgangen som åpner en ventil, endrer en viftehastighet eller trimmer kompressorkapasiteten.

Kjerneideen: Mål, sammenlign, korriger

Hver PID-sløyfe har fire deler: en sensor som rapporterer prosessvariabelen, en kontroller som holder settpunktet og regner, en aktuator som kan endre prosessen, og selve prosessen. Sensoren mater kontrolleren, kontrolleren beveger aktuatoren, og aktuatoren endrer det sensoren leser. Den sirkelen er den lukkede sløyfen.

Kontrolleren gjentar én beregning med et fast intervall, prøvetiden. Den trekker den målte verdien fra settpunktet og kaller differansen feilen. I en kjøleapplikasjon gir en målt verdi over settpunktet en positiv feil og mer kjøling. Konfigurer sløyfen på feil måte og den blir omvendtvirkende når den skal være direktevirkende; det vil løpe bort i stedet for å sette seg, og ingen mengde tuning vil fikse det.

Utgangen samsvarer med det aktuatoren forventer: 0 til 10 V for en modulerende ventil, 4 til 20 mA for en posisjonsregulator, en relékontakt for en kompressor, eller pulsbreddemodulasjon for en varmeapparat. En reléutgang gjør PID-beregningen til en terskelavgjørelse, så sløyfeoppløsning avhenger av hvor ofte kontakten får lov til å bytte.

Hva de tre begrepene faktisk gjør

Hvert semester har en jobb, og hver kan slås av ved å sette forsterkningen til null. Mange arbeidsløkker kjører som PI-kontrollere, fordi avledet handling gir lite til en langsom temperaturprosess.

Proporsjonal periode

Det proporsjonale leddet multipliserer gjeldende feil med en forsterkning. Med en forsterkning på 2 og en feil på 3 K, flytter utgangen 6 enheter. Mer forsterkning betyr raskere korreksjon, men forbi et punkt svinger sløyfen, fordi kontrolleren reagerer på en måling prosessen ikke er ferdig med å svare på. En kun proporsjonal kontroller lander sjelden nøyaktig på settpunktet. Den avgjør hvor den gjenværende feilen akkurat er stor nok til å holde utgangen prosessen trenger, og at rester er steady-state offset.

Integrert begrep

Den integrerte termen akkumulerer feil over tid og fortsetter å legge til korreksjon mens feilen vedvarer, vanligvis uttrykt i repetisjoner per minutt eller sekunder per repetisjon. Den fjerner offset, og derfor kan en PI-sløyfe holde en kjølt vanntemperatur akkurat der du vil ha den. Prisen er etterslep: integrert handling er basert på historikk, så den fortsetter å presse etter at feilen er borte og produserer en langsom oscillasjon som tar mye lengre tid å vises enn proporsjonal oscillasjon. Den avvikles også. Hvis ventilen allerede er helt åpen, fortsetter termen å akkumulere korreksjon som den ikke kan levere, og sløyfen overskrider dårlig når feilen til slutt reverserer.

Avledet Termin

Det deriverte leddet reagerer på endringshastigheten til feilen og motsetter seg bevegelse, noe som demper sløyfen og tillater en høyere proporsjonal forsterkning. Den forsterker også sensorstøy, fordi en liten støyende lesing over en kort prøvetid ser ut som en enorm endringshastighet. I praksis filtreres avledet handling, beregnes på målingen i stedet for feilen, eller bare stå på null.

Et kjøleeksempel: Superheat Control

Ta en elektronisk ekspansjonsventil på en kjøler. Den kontrollerte variabelen er overheting ved fordamperens utløp, settpunktet kan være 5 K, og aktuatoren er ventilmotoren eller en proporsjonal solenoid. Når overhetingen stiger over settpunktet, åpnes ventilen for å slippe inn mer kjølemiddel. Det proporsjonale leddet åpner det proporsjonalt med feilen, integralleddet fortsetter å skyve det åpent til overheting legger seg, og det deriverte leddet, der det brukes, bremser åpningen når overheting begynner å falle, slik at ventilen ikke skyter over til flytende tilbakestrømning.

Den samme strukturen vises på tvers av et kjøleanlegg. Kondenseringstrykket holdes ofte ved å modulere kondensatorviftehastigheten, noe som gjør det til en trykksløyfe. Kompressorkapasiteten kan trimmes av en sløyfe som konverterer en sugetrykkfeil til en inverterkommando. Rom- og produkttemperatursløyfer har lang dødtid og kjører vanligvis uten avledet handling.

Kjøletrykkregulator med mekanisk pekerdisplay Gir høy- og lavtrykksovervåking med automatisk tilbakestilling, og hjelper til med å beskytte kompressorer, vifter og tømmeventiler i kjølesystemer. Se produkt →

Tuning uten gjetting

Begrepene samhandler, så tuning følger en fast rekkefølge:

1. Sett løkken i håndboken og bekreft at aktuatoren kjører hele rekkevidden uten å feste seg.
2. Sett integral og derivert til null, og øk deretter proporsjonal forsterkning til målingen viser en liten, kontinuerlig svingning.
3. Kutt proporsjonal forsterkning til omtrent halvparten av denne verdien.
4. Legg til integrert handling sakte til offset forsvinner innen en akseptabel tid.
5. Legg til derivat kun hvis oversvinget gjenstår og signalet er rent.

Dødtid avgjør hvor hardt en løkke kan presses. Hvis prosessen trenger 60 sekunder for å reagere på en ventilbevegelse og tidskonstanten er 300 sekunder, et forhold på 0,2, gir klassiske regler som Ziegler-Nichols eller lambda-tuning brukbare gevinster. Hvis dødtiden er sammenlignbar med tidskonstanten, for eksempel en sensor montert langt nedstrøms for ventilen, vil ingenting gjøre sløyfen rask, og den virkelige løsningen er å flytte sensoren eller legge til feedforward.

Praktiske problemer på plantegulvet

De fleste idriftsettelsesproblemer faller inn i en håndfull kategorier:

• Integrert avvikling. Utgangen mettes mot en grense mens feilen gjenstår, og sløyfen overskrider når feilen reverserer. Anti-windup logikk og utgangsklemming løser det.
• Sensorstøy. Et filter hvis tidskonstant er nær prøvetiden kan nesten doble dødtiden til sløyfen. Filtrer inngangen, ikke utgangen.
• Aktuator dødbånd. En ventil som trenger en utgangsendring på 3 prosent før den beveger seg setter en hard grense for hvor stramt sløyfen kan holde.
• Prøvetid. En sløyfe skannet én gang per minutt kan ikke kontrollere en prosess med en tidskonstant på 30 sekunder.
• Ikke-linearitet. En ventil som er skånsom nær midtveis og brå nær setet, kan trenge forsterkningsplanlegging eller en karakterisert utgang.

Hvor PID møter kjøling og A/C-maskinvare

PID-utgang har bare betydning hvis aktuatoren kan bruke den. Proporsjonale magnetventiler, elektroniske ekspansjonsventiler, frekvensomformere på kondensatorvifter og strømningskontroll treveisventiler aksepterer alle et kontinuerlig signal og modulerer. På og av enheter som standard magnetventiler, termiske ekspansjonsventiler av pæretype og mekaniske trykkbrytere er terskelenheter, så en PID-kontroller som driver dem genererer virkelig en driftssyklus.

Den forskjellen endrer hvordan komponenter vurderes. En ventil som følger et modulerende signal i årevis, slites annerledes enn en som skifter noen ganger i timen, og det er derfor langsiktig drift av en modulerende magnetventil fortjener oppmerksomhet før en sløyfe tas i bruk.

Leverandører som Dingsen, har produsert deler for kjøling og klimaanlegg for biler siden 2008 , bygg trykkregulatorene, ventilene og kobberbeslagene som sitter i mottaksenden av disse signalene.

EVR magnetventil for kjøling og klimaanlegg Styrer kjølemiddelstrømmen i væske-, suge- og varmgassledninger, med direktevirkende og pilotstyrte alternativer for kjølesystemer. Se produkt →

Termisk ekspansjonsventil med justerbar overhetingskontroll Regulerer kjølemiddelstrømmen for å opprettholde overoppheting, med en H-type kropp og 0–8°C statisk overhetingsjustering for kjølesystemer. Se produkt →

Spesifisere en kontroller: Hva skal sjekkes

• Inngangstype og område, tilpasset den faktiske sensoren: NTC, PT100, 4 til 20 mA, eller 0 til 10 V.
• Utgangstype og oppløsning: relé, solid state reléstasjon, strøm, spenning eller PWM.
• Samplingshastighet, rask nok for prosessen, men ikke så rask at støy dominerer beregningen.
• Automatisk innstilling, anti-avvikling og støtfri overføring mellom manuell og automatisk modus.
• Utgangsgrenser og alarmer, inkludert høye og lave klemmer for den integrerte termen.
• Miljø: panel- eller DIN-skinnemontering, IP-klassifisering, omgivelsestemperatur, vibrasjon og forsyningsspenningstoleranse.

En PID-kontroller er tre korreksjoner lagt sammen og gjentatt på en klokke: en mot gjeldende feil, en mot den akkumulerte feilen og en mot endringshastigheten. Fysikken i prosessen setter taket på ytelsen, og innstillingene bestemmer hvor nær loopen kommer til den. Få aktuatorretningen riktig, mål dødtid ærlig, og hold gevinstene beskjedne. Den kombinasjonen løser flere looper enn noen aggressiv tuning-økt.