Как работает ПИД-регулятор? Объяснение пропорциональности, интеграла и производной

Если холодильная камера отклоняется на 2 К выше заданного значения, а затем на 3 К ниже его и повторяет этот цикл каждые несколько минут, в этом виноват контроллер, прежде чем это сделают датчик, клапан или дверной поток. В большинстве случаев оборудование в порядке, а настройки контура — нет.

Краткий ответ на то, как работает ПИД-регулятор: он измеряет переменную процесса, сравнивает ее с заданным значением и управляет приводом с коррекцией, построенной из трех членов. Пропорциональный член отвечает на ошибку, которая существует прямо сейчас. Интегральный член отвечает на ошибку, накопившуюся с течением времени. Производный член отвечает, насколько быстро меняется ошибка. В сумме они дают выходной сигнал, который открывает клапан, изменяет скорость вентилятора или регулирует мощность компрессора.

Основная идея: измерять, сравнивать, исправлять

Каждый контур ПИД-регулятора состоит из четырех частей: датчик, сообщающий о переменной процесса, контроллер, удерживающий заданное значение и выполняющий математические вычисления, исполнительный механизм, который может изменить процесс, и сам процесс. Датчик подает сигнал на контроллер, контроллер перемещает исполнительный механизм, а исполнительный механизм меняет то, что считывает датчик. Этот круг представляет собой замкнутый контур.

Контроллер повторяет одно вычисление через фиксированный интервал времени выборки. Он вычитает измеренное значение из заданного значения и называет разницу ошибкой. В системах охлаждения измеренное значение выше заданного значения дает положительную ошибку и увеличивает охлаждение. Настройте контур неправильно, и он станет обратного действия, хотя должен быть прямого действия; вместо того, чтобы успокоиться, он будет убегать, и никакие настройки это не исправят.

Выходной сигнал соответствует тому, что ожидает привод: от 0 до 10 В для модулирующего клапана, от 4 до 20 мА для позиционера, контакта реле для компрессора или широтно-импульсной модуляции для нагревателя. Релейный выход превращает расчет ПИД-регулятора в определение порога, поэтому разрешение контура зависит от того, как часто контакту разрешено переключаться.

Что на самом деле делают три термина

У каждого термина есть задание, и каждый из них можно отключить, установив его коэффициент усиления равным нулю. Многие рабочие контуры работают как ПИ-регуляторы, поскольку производное действие мало что добавляет к медленному температурному процессу.

Пропорциональный срок

Пропорциональный член умножает текущую ошибку на коэффициент усиления. При коэффициенте усиления 2 и ошибке 3 К выходной сигнал смещается на 6 единиц. Большее усиление означает более быструю коррекцию, но после определенной точки контур начинает колебаться, поскольку контроллер реагирует на измерение, на которое процесс еще не закончил ответ. Только пропорциональный регулятор редко достигает точного значения уставки. Он устанавливается там, где оставшаяся ошибка достаточно велика, чтобы удержать выходные данные, необходимые процессу, и этот остаток представляет собой устойчивое смещение.

Интегральный срок

Интегральный член накапливает ошибку с течением времени и продолжает добавлять исправления, пока ошибка сохраняется, обычно выражается в повторениях в минуту или секундах на повтор. Он удаляет смещение, поэтому контур ПИ может поддерживать температуру охлажденной воды именно там, где вы хотите. Цена — задержка: интегральное действие основано на истории, поэтому оно продолжает действовать после того, как ошибка исчезла, и вызывает медленные колебания, появление которых занимает гораздо больше времени, чем пропорциональное колебание. Это тоже заводится. Если клапан уже полностью открыт, член продолжает накапливать поправку, которую он не может обеспечить, и контур сильно промахивается, когда ошибка наконец меняется на противоположную.

Производный термин

Производная часть реагирует на скорость изменения ошибки и противодействует движению, что демпфирует контур и обеспечивает более высокий пропорциональный коэффициент усиления. Это также усиливает шум датчика, поскольку небольшое зашумленное показание за короткий период выборки выглядит как огромная скорость изменения. На практике производное действие фильтруется, рассчитывается на основе измерения, а не на ошибке, или просто оставляется на нуле.

Пример охлаждения: контроль перегрева

Возьмите электронный расширительный клапан на охладителе. Управляемой переменной является перегрев на выходе испарителя, уставка может составлять 5 К, а приводом является электродвигатель клапана или пропорциональный соленоид. Когда перегрев превышает заданное значение, клапан открывается, чтобы впустить больше хладагента. Пропорциональный член открывает его пропорционально ошибке, интегральный член продолжает подталкивать его к открытию до тех пор, пока не установится перегрев, а производный член, где он используется, замедляет открытие, когда перегрев начинает падать, чтобы клапан не перешел в обратный поток жидкости.

Такая же структура наблюдается и на холодильной установке. Давление конденсации часто поддерживается за счет регулирования скорости вентилятора конденсатора, что делает его контуром давления. Производительность компрессора можно регулировать с помощью контура, который преобразует ошибку давления всасывания в команду инвертора. Контуры комнатной температуры и температуры продукта имеют длительное время простоя и обычно работают без производных действий.

Регулятор давления холодильного оборудования с механическим указателем Обеспечивает мониторинг высокого и низкого давления с автоматическим сбросом, помогая защитить компрессоры, вентиляторы и сливные клапаны в холодильных системах. Посмотреть продукт →

Настройка без догадок

Условия взаимодействуют, поэтому настройка выполняется в фиксированном порядке:

1. Переведите петлю в ручной режим и убедитесь, что привод перемещается на весь диапазон без заедания.
2. Установите интеграл и производную на ноль, затем увеличивайте пропорциональный коэффициент усиления до тех пор, пока измерение не покажет небольшое непрерывное колебание.
3. Уменьшите пропорциональное усиление примерно до половины этого значения.
4. Добавляйте интегральное действие медленно, пока смещение не исчезнет в течение приемлемого времени.
5. Добавляйте производную только в том случае, если перерегулирование остается и сигнал чистый.

Мертвое время определяет, насколько сильно можно продвинуть цикл. Если процессу требуется 60 секунд, чтобы отреагировать на движение клапана, а его постоянная времени равна 300 секундам, то есть коэффициенту 0,2, то классические правила, такие как Циглера-Николса или настройка лямбды, дают реальный выигрыш. Если мертвое время сравнимо с постоянной времени, например, датчик установлен далеко за клапаном, ничто не сделает контур быстрым, и реальное решение состоит в том, чтобы переместить датчик или добавить упреждающую связь.

Практические проблемы на заводе

Большинство проблем при вводе в эксплуатацию можно разделить на несколько категорий:

• Интегральный запуск. Выходной сигнал насыщается до предела, пока сохраняется ошибка, и цикл выходит за пределы при изменении ошибки. Эту проблему решают антизавершающая логика и ограничение выходного сигнала.
• Шум датчика. Фильтр, чья постоянная времени близка к времени выборки, может почти удвоить мертвое время контура. Фильтруйте вход, а не выход.
• Зона нечувствительности привода. Клапан, которому требуется изменение выходного сигнала на 3 процента, прежде чем он начнет двигаться, устанавливает жесткий предел того, насколько туго может удерживаться контур.
• Время выборки. Контур, сканируемый раз в минуту, не может управлять процессом с постоянной времени 30 секунд.
• Нелинейность. Клапану, плавному в середине хода и резкому вблизи седла, возможно, потребуется планирование усиления или определенная производительность.

Где PID встречается с оборудованием для охлаждения и кондиционирования воздуха

Выход ПИД-регулятора имеет значение только в том случае, если привод может его использовать. Пропорциональные электромагнитные клапаны, электронные расширительные клапаны, частотно-регулируемые приводы вентиляторов конденсатора и трехходовые клапаны управления расходом принимают непрерывный сигнал и модулируют его. Устройства включения и выключения, такие как стандартные электромагнитные клапаны, терморасширительные клапаны баллонного типа и механические реле давления, являются пороговыми устройствами, поэтому управляющий ими ПИД-регулятор действительно генерирует рабочий цикл.

Эта разница меняет способ оценки компонентов. Клапан, который годами следует модулирующему сигналу, изнашивается иначе, чем тот, который переключается несколько раз в час, поэтому длительная работа модулирующего электромагнитного клапана заслуживает внимания до того, как шлейф будет введен в эксплуатацию.

Такие поставщики, как Dingsen, Производство деталей для холодильного оборудования и автомобильных кондиционеров с 2008 года. , создайте контроллеры давления, клапаны и медные фитинги, которые будут принимать эти сигналы.

Электромагнитный клапан EVR для систем охлаждения и кондиционирования воздуха Контролирует поток хладагента в линиях жидкости, всасывания и горячего газа, используя опции прямого и пилотного действия для холодильных систем. Посмотреть продукт →

Терморасширительный клапан с регулируемым контролем перегрева Регулирует поток хладагента для поддержания перегрева, имеет корпус H-типа и статическую регулировку перегрева 0–8°C для систем охлаждения. Посмотреть продукт →

Указание контроллера: что проверить

• Тип и диапазон входа, соответствующие реальному датчику: NTC, PT100, от 4 до 20 мА или от 0 до 10 В.
• Тип и разрешение выхода: реле, твердотельное реле, ток, напряжение или ШИМ.
• Частота дискретизации, достаточно высокая для процесса, но не настолько высокая, чтобы при расчетах доминировал шум.
• Автоматическая настройка, защита от зависаний и плавный переход между ручным и автоматическим режимами.
• Выходные пределы и сигналы тревоги, включая ограничение верхнего и нижнего пределов для интегрального члена.
• Окружающая среда: монтаж на панели или на DIN-рейке, класс IP, температура окружающей среды, вибрация и допуск напряжения питания.

ПИД-регулятор представляет собой три поправки, сложенные вместе и повторяющиеся по такту: одну против текущей ошибки, одну против накопленной ошибки и одну против скорости изменения. Физика процесса устанавливает потолок производительности, а настройки определяют, насколько близко к нему приближается цикл. Установите правильное направление привода, честно измеряйте время простоя и сохраняйте скромный выигрыш. Эта комбинация решает больше циклов, чем любая агрессивная настройка.