PID-kontrollsystem-innstillingsveiledning for kjøle- og HVAC-kontrollsløyfer

En walk-in fryser satt til minus 18 grader Celsius som driver mellom minus 15 og minus 20, kortvarig sykling av kompressoren og frosting av den ene enden av fordamperen, mangler vanligvis ikke kjølemiddel. Det mangler god kontroll. PID-kontrollsystemet bestemmer hvor langt ekspansjonsventilen åpner, når væskeledningssolenoiden lukkes, og hvor raskt rommet kommer seg etter at en dør står åpen. Ingen ladejustering vil fikse en løkke som kjemper seg selv.

Det korte svaret først. Et PID-kontrollsystem er en lukket sløyfekontroller som sammenligner en målt verdi med et mål og korrigerer forskjellen ved hjelp av tre vektede termer: proporsjonal, integral og derivert. I arbeid med kjøling og klimaanlegg er regnestykket den enkle delen. Det som avgjør om sløyfen holder målet sitt, er sensoren, aktuatoren og om tuningen samsvarer med den termiske tregheten til lasten.

Hvordan et PID-kontrollsystem retter en feil

Hver sløyfe kjører den samme sekvensen. Kontrolleren leser prosessvariabelen, trekker den fra settpunktet for å få feilen, beregner de tre leddene, legger dem sammen og sender resultatet til et endelig kontrollelement. Elementet virker, prosessen reagerer, sensoren rapporterer, og syklusen gjentas. En timer som kjører en kompressor i ti minutter og hviler den i fem gjør ingenting av dette, og det er grunnen til at åpen sløyfestyring ikke kan holde et rom gjennom en skiftende belastning.

De tre vilkårene og hva hver enkelt fikser

Proporsjonal handling

Proporsjonal handling produserer en utgang proporsjonal med gjeldende feil. Hvis rommet sitter 2 K over settpunktet og forsterkningen settes slik at hver kelvin åpner en modulerende ventil med 8 prosent, beveger ventilen seg til 16 prosent. Dette begrepet gjør det meste av arbeidet under en pull down.

Den kan ikke fullføre jobben alene. Når rommet nærmer seg settpunktet, krymper feilen, og utgangen krymper med den, inntil ventilposisjonen nøyaktig balanserer belastningen. Det balansepunktet sitter borte fra settpunktet og kalles offset, eller steady state error. Bare proporsjonal kontroll legger seg ofte 1 til 2 K utenfor målet, noe som er tolerabelt for komfortkjøling og ikke for en hurtigfryser.

Integrert handling

Integral handling summerer feilen over tid og fortsetter å presse til den summen slutter å vokse, noe som fjerner offset. Kostnaden er tid, og hvis den settes aggressivt, overskrid. Når summen akkumuleres i løpet av en periode der utgangen ikke kan reagere, for eksempel en avrimingssperre, driver den utgangen hardt i det øyeblikket sperringen forsvinner. Det er integrert avvikling, og det er en vanlig årsak til at en butikk overskrider 5 K etter en avriming.

Avledet handling

Derivativ handling reagerer på endringshastigheten til feilen, som demper en sløyfe som har en tendens til å overskride. Den reagerer også på sensorstøy, fordi en trykktransduser som rykker med 0,2 bar hver prøveperiode ser ut som en ekstremt rask endringshastighet. De fleste kjølekontrollere bruker den deriverte termen på prosessvariabelen i stedet for på feilen og parer den med et filter på ett til tre sekunder. Der transportforsinkelse dominerer, som er de fleste kretser, blir derivert stående på null og en PI-løkke brukes i stedet.

Et konkret eksempel. En elektronisk ekspansjonsventil som holder overoppheting ved 5 til 8 K er avhengig av proporsjonal handling for å spore lasten og integrert handling for å fjerne stående feil. Hvis overheting svinger mellom 2 K og 15 K, er det sjelden den avledede termen er den skyldige. Sensorresponstid og ventiltrinnoppløsning er vanligvis.

Termisk ekspansjonsventil for kjøleoverhetingskontroll Kompakt ventil i messing eller rustfritt stål med justerbar 0–8°C statisk overheting for kommersielle og industrielle kjøleapplikasjoner. Se produkt →

Tuningmetoder og realistiske tall

Tuning er der teori møter planten. Tre tilnærminger dekker det meste av arbeidet.

1. Manuell innstilling. Nullstill integral- og derivatledd, øk den proporsjonale forsterkningen til sløyfen svinger jevnt, og halver den deretter. Legg til integrert handling til offset forsvinner innen en akseptabel tid. Legg bare til derivater hvis oversving fortsatt er viktig.
2. Ziegler og Nichols. Les den endelige gevinsten og perioden fra oscillasjonstesten og bruk den publiserte tabellen. Resultatet er raskt og litt aggressivt, noe som passer til langsomme temperatursløyfer.
3. Relé automatisk tuning. Kontrolleren tvinger en liten grensesyklus rundt settpunktet og utleder modellen fra dens amplitude og periode. Det er praktisk, men det justerer sløyfen nøyaktig slik det er funnet, inkludert en dårlig plassert sensor.

Nyttige referansepunkter. En romsløyfe oppdateres én gang per sekund. En overhetingssløyfe oppdateres hver 100. til 200 ms. En kjøltvannssløyfe bør holde innenfor 0,5 K og en utstillingsmonter innenfor 1 K. Sampling langt raskere enn prosessen kan reagere, forsterker stort sett støy.

Hvor kontrollsløyfen møter maskinvare

Tre maskinvarebeslutninger former resultatet mer enn noen innstillingskonstant.

• Sensorplassering og hastighet. En sonde i returluften ser rommet, mens en sonde festet til spolen ser spolen. En sløyfe innstilt på den ene og operert på den andre vil jakte.
• Aktuatoroppløsning. En på og av magnetventil gir sløyfen to posisjoner, slik at kontrolleren bare kan variere driftssyklusen. En modulerende ventil gir den 200 posisjoner eller mer.
• Uavhengig beskyttelse. En kjøletrykkregulator bytter kompressoren eller kondensatorviften til et fast trykk uavhengig av hva temperatursløyfen ber om, noe som hindrer en feilføler fra å bli en mislykket kompressor.

Atferd over tid betyr like mye som oppførsel på idriftsettelsesdagen. En væskeledningssolenoid som sykler hvert 40. sekund vil akkumulere hundretusenvis av operasjoner i løpet av få år, så setedesign, spoleisolasjonsklasse og manuell overstyringstilgang blir praktiske valgkriterier. Merknader vedr holde en EVR-magnetventil stabil over lang levetid er verdt å lese før en sykkelrate er fastsatt.

EVR magnetventil for kjølestrømkontroll EVR-magnetventil for væske-, suge- eller varmgassledninger, med AC/DC-spolealternativer og holdbar tetning for kjølesystemer. Se produkt →

Høy-/lavtrykkskontroller for kjøling med automatisk tilbakestilling Mekanisk høy-/lavtrykkskontroller med pekermålere og automatisk tilbakestilling, koblet til kompressorer, vifter og tømmeventiler for systembeskyttelse. Se produkt →

Når sløyfen oppfører seg dårlig: Symptomer og årsaker

• Stor oversving etter avriming: integrert opptrekk, eller avslutning av avriming satt av tid i stedet for av spoletemperatur.
• Regelmessig svingning hvert annet til femte minutt: proporsjonal forsterkning for høy, eller en ventil overdimensjonert for lasten.
• Jevn offset som aldri forsvinner: kun proporsjonal kontroll, eller en aktuator som har nådd sin reisegrense.
• Tilfeldig jitter uten fysisk årsak: avledet handling som forsterker sensorstøy, eller en løs sondelomme.
• Kort sykling ved lett belastning: hysterese satt under løkkedødbåndet, eller et dødbånd som er smalere enn sensornøyaktigheten.
• En del av kassen er kald og resten varm: sensorplassering, ikke tuning.

Kaskadestyring fjerner en del av dette. Den ytre sløyfen leser romtemperatur og skriver et settpunkt, mens den indre sløyfen leser fordamper- eller sugeforhold og driver ventilen. Den indre sløyfen reagerer på sekunder, før rommet har flyttet seg, noe som reduserer oversving på systemer med lang transportforsinkelse.

Hva du bør sjekke før du legger inn en bestilling

1. Hvilket kontrollområde og oppløsning kreves? En ventil som modulerer over 10 til 100 prosent av belastningen er et annet produkt enn en som åpner helt ved 20 prosent.
2. Hva er sensornøyaktigheten og responstiden, og er sløyfens dødbånd bredere enn sensorfeilen?
3. Hvor mange sykluser forventes over levetiden, og støtter sete- og spolematerialene det?
4. Passer kobber- og messingbeslagene og ventilmaterialene til kjølemediet og oljen som brukes?
5. Er reservedeler, spolespenninger og manuell overstyring tilgjengelig i samme serie, så en reparasjon krever ikke omarbeiding av braketten?
6. Kan leverandøren arbeide ut fra en tegning eller en prøve hvis sløyfen trenger en ikke-standard portstørrelse eller strømningskarakteristikk?

Leverandører som både bygger kontrollkomponentene og forstår løkkene de sitter i, tetter disse hullene raskere. En produsent med et internt testlaboratorium og tilpasset utviklingskapasitet kan bekrefte en strømningskoeffisient eller en spolevurdering fra tegningen i stedet for fra en katalogfotnote.

Viktige punkter å huske

• Et PID-kontrollsystem er en lukket sløyfe: mål, sammenlign, korriger, gjenta.
• Proporsjonal handling reagerer på den nåværende feilen, integrert handling fjerner fortiden, avledet handling forutser de neste sekundene.
• De fleste kjølesløyfer fungerer best som PI, med derivater reservert for godt filtrerte og raskt reagerende målinger.
• Tuning kan ikke kompensere for en treg sensor, en overdimensjonert ventil eller en sonde på feil sted.
• Sykluslevetid og materialkompatibilitet avgjør om sløyfen fortsatt fungerer i år tre.

Den virkelige testen av en sløyfe er ikke trinnresponsen på idriftsettelsesdagen. Det er om saken fortsatt holder mål på årets varmeste ettermiddag, etter en avriming, og med en delvis blokkert spiral. Design maskinvaren rundt dette kravet, og tuning tallene blir den enkle delen.