Bộ điều khiển PID hoạt động như thế nào? Giải thích theo tỷ lệ, tích phân và đạo hàm

Nếu phòng lạnh tăng 2 K trên điểm đặt, sau đó giảm 3 K xuống dưới và lặp lại chu kỳ đó vài phút một lần, bộ điều khiển sẽ bị đổ lỗi trước cảm biến, van hoặc giao thông cửa. Hầu hết thời gian phần cứng đều ổn còn cài đặt vòng lặp thì không.

Câu trả lời ngắn gọn về cách hoạt động của bộ điều khiển PID: nó đo một biến quy trình, so sánh nó với một điểm đặt và điều khiển bộ truyền động với sự điều chỉnh được xây dựng từ ba số hạng. Số hạng tỉ lệ trả lời cho lỗi hiện có. Thuật ngữ tích phân trả lời lỗi tích lũy theo thời gian. Thuật ngữ đạo hàm trả lời lỗi thay đổi nhanh như thế nào. Khi cộng lại, chúng tạo ra công suất mở van, thay đổi tốc độ quạt hoặc giảm công suất máy nén.

Ý tưởng cốt lõi: Đo lường, so sánh, sửa chữa

Mỗi vòng lặp PID có bốn phần: một cảm biến báo cáo biến quy trình, bộ điều khiển giữ điểm đặt và thực hiện phép toán, bộ truyền động có thể thay đổi quy trình và chính quy trình đó. Cảm biến cung cấp năng lượng cho bộ điều khiển, bộ điều khiển di chuyển bộ truyền động và bộ truyền động thay đổi những gì cảm biến đọc. Vòng tròn đó là vòng khép kín.

Bộ điều khiển lặp lại một phép tính ở một khoảng thời gian cố định, thời gian lấy mẫu. Nó trừ giá trị đo được khỏi điểm đặt và gọi chênh lệch là lỗi. Trong ứng dụng làm mát, giá trị đo được trên điểm đặt sẽ gây ra sai số dương và làm mát nhiều hơn. Định cấu hình vòng lặp sai cách và nó sẽ hoạt động ngược lại khi lẽ ra nó phải hoạt động trực tiếp; nó sẽ chạy đi thay vì lắng xuống và không có sự điều chỉnh nào có thể khắc phục được nó.

Đầu ra phù hợp với bất cứ thứ gì bộ truyền động mong đợi: 0 đến 10 V cho van điều biến, 4 đến 20 mA cho bộ định vị, tiếp điểm rơle cho máy nén hoặc điều chế độ rộng xung cho bộ sưởi. Đầu ra rơle biến phép tính PID thành quyết định ngưỡng, do đó độ phân giải vòng lặp phụ thuộc vào tần suất tiếp điểm được phép chuyển đổi.

Ba điều khoản thực sự làm gì

Mỗi thuật ngữ có một công việc và mỗi thuật ngữ có thể được tắt bằng cách đặt mức tăng của nó về 0. Nhiều vòng làm việc hoạt động như bộ điều khiển PI, vì hoạt động vi phân bổ sung rất ít vào quá trình nhiệt độ chậm.

Thuật ngữ tỷ lệ

Thuật ngữ tỷ lệ nhân sai số hiện tại với mức tăng. Với mức tăng 2 và sai số 3 K, đầu ra di chuyển 6 đơn vị. Tăng nhiều hơn có nghĩa là hiệu chỉnh nhanh hơn, nhưng qua một điểm, vòng lặp sẽ dao động vì bộ điều khiển phản ứng với một phép đo mà quá trình vẫn chưa trả lời xong. Bộ điều khiển chỉ theo tỷ lệ hiếm khi đạt đến điểm đặt chính xác. Nó giải quyết khi lỗi còn lại chỉ đủ lớn để giữ đầu ra mà quá trình cần và phần còn lại đó là phần bù ở trạng thái ổn định.

Thuật ngữ tích phân

Số hạng tích phân tích lũy lỗi theo thời gian và tiếp tục bổ sung hiệu chỉnh trong khi lỗi vẫn tồn tại, thường được biểu thị bằng số lần lặp lại mỗi phút hoặc số giây mỗi lần lặp lại. Nó loại bỏ offset, đó là lý do tại sao vòng PI có thể giữ nhiệt độ nước lạnh chính xác ở nơi bạn muốn. Giá có độ trễ: hành động tích phân dựa trên lịch sử, do đó, nó tiếp tục đẩy sau khi lỗi đã biến mất và tạo ra một dao động chậm xuất hiện lâu hơn nhiều so với dao động tỷ lệ. Nó cũng cuộn lên. Nếu van đã mở hoàn toàn, thuật ngữ này sẽ tiếp tục tích lũy sự điều chỉnh mà nó không thể thực hiện được và vòng lặp sẽ vượt quá mức nghiêm trọng khi lỗi cuối cùng được khắc phục.

Thuật ngữ phái sinh

Số hạng đạo hàm phản ứng với tốc độ thay đổi của sai số và chống lại chuyển động, làm giảm tốc độ vòng lặp và cho phép độ lợi tỷ lệ cao hơn. Nó cũng khuếch đại nhiễu cảm biến, bởi vì chỉ số nhiễu nhỏ trong thời gian lấy mẫu ngắn trông giống như tốc độ thay đổi rất lớn. Trong thực tế, hành động đạo hàm được lọc, tính toán dựa trên phép đo chứ không phải sai số hoặc đơn giản là để ở mức 0.

Một ví dụ về điện lạnh: Kiểm soát quá nhiệt

Lấy một van tiết lưu điện tử trên máy làm lạnh. Biến được điều khiển là quá nhiệt ở đầu ra của thiết bị bay hơi, điểm đặt có thể là 5 K và bộ truyền động là động cơ van hoặc một bộ điện từ tỷ lệ. Khi quá nhiệt tăng lên trên điểm đặt, van sẽ mở để nạp thêm chất làm lạnh. Số hạng tỷ lệ mở nó tỷ lệ với sai số, số hạng tích phân tiếp tục đẩy nó mở cho đến khi quá nhiệt lắng xuống và số hạng đạo hàm, khi nó được sử dụng, làm chậm việc mở khi quá nhiệt bắt đầu giảm để van không vượt quá mức tràn chất lỏng.

Cấu trúc tương tự xuất hiện trên toàn bộ nhà máy điện lạnh. Áp suất ngưng tụ thường được duy trì bằng cách điều chỉnh tốc độ quạt của bình ngưng, tạo thành một vòng áp suất. Công suất máy nén có thể được cắt giảm bằng một vòng lặp chuyển đổi lỗi áp suất hút thành lệnh biến tần. Vòng lặp nhiệt độ phòng và sản phẩm có thời gian chết lâu và thường chạy mà không có tác động phái sinh.

Bộ điều khiển áp suất lạnh với màn hình con trỏ cơ học Cung cấp khả năng giám sát áp suất cao và thấp với khả năng tự động thiết lập lại, giúp bảo vệ máy nén, quạt và van xả trong hệ thống lạnh. Xem sản phẩm →

Điều chỉnh mà không cần phỏng đoán

Các thuật ngữ tương tác với nhau, do đó việc điều chỉnh tuân theo một trật tự cố định:

1. Đặt vòng lặp ở chế độ thủ công và xác nhận bộ truyền động di chuyển hết phạm vi mà không bị kẹt.
2. Đặt tích phân và đạo hàm về 0, sau đó tăng hệ số khuếch đại tỷ lệ cho đến khi phép đo hiển thị một dao động nhỏ, liên tục.
3. Cắt mức tăng tỷ lệ xuống còn khoảng một nửa giá trị đó.
4. Thêm hành động tích phân từ từ cho đến khi phần bù biến mất trong thời gian chấp nhận được.
5. Chỉ thêm đạo hàm nếu độ vọt lố vẫn còn và tín hiệu sạch.

Thời gian chết quyết định mức độ khó của một vòng lặp. Nếu quy trình cần 60 giây để phản ứng với chuyển động của van và hằng số thời gian của nó là 300 giây, tỷ lệ 0,2, thì các quy tắc cổ điển như Ziegler-Nichols hoặc điều chỉnh lambda sẽ tạo ra mức tăng khả thi. Nếu thời gian chết có thể so sánh với hằng số thời gian, ví dụ như một cảm biến được gắn ở xa phía cuối van, thì không có gì có thể làm cho vòng lặp nhanh và cách khắc phục thực sự là di chuyển cảm biến hoặc thêm tiếp liệu về phía trước.

Các vấn đề thực tế trên sàn nhà máy

Hầu hết các vấn đề vận hành rơi vào một số loại:

• Kết thúc tích hợp. Đầu ra bão hòa so với giới hạn trong khi vẫn còn lỗi và vòng lặp vượt quá giới hạn khi lỗi được đảo ngược. Logic chống cuộn dây và kẹp đầu ra giải quyết nó.
• Tiếng ồn cảm biến. Một bộ lọc có hằng số thời gian gần với thời gian mẫu có thể gần gấp đôi thời gian chết của vòng lặp. Lọc đầu vào, không phải đầu ra.
• Dải chết của bộ truyền động. Một van cần thay đổi đầu ra 3 phần trăm trước khi nó di chuyển sẽ đặt ra giới hạn cứng về mức độ chặt của vòng lặp.
• Thời gian mẫu. Vòng lặp được quét một lần mỗi phút không thể kiểm soát quá trình có hằng số thời gian 30 giây.
• Tính phi tuyến tính. Một van hoạt động nhẹ ở gần giữa hành trình và đột ngột ở gần chỗ ngồi có thể cần lập kế hoạch tăng tốc hoặc một đầu ra đặc trưng.

Nơi PID đáp ứng phần cứng điện lạnh và A/C

Đầu ra PID chỉ quan trọng nếu bộ truyền động có thể sử dụng nó. Van điện từ tỷ lệ, van tiết lưu điện tử, bộ truyền động biến tần trên quạt bình ngưng và van ba chiều điều khiển dòng chảy đều chấp nhận tín hiệu liên tục và điều chế. Các thiết bị bật và tắt như van điện từ tiêu chuẩn, van giãn nở nhiệt loại bóng đèn và công tắc áp suất cơ học là các thiết bị ngưỡng, do đó bộ điều khiển PID điều khiển chúng thực sự đang tạo ra một chu kỳ làm việc.

Sự khác biệt đó thay đổi cách đánh giá các thành phần. Van tuân theo tín hiệu điều chỉnh trong nhiều năm sẽ khác với van chuyển đổi vài lần một giờ, đó là lý do tại sao hoạt động lâu dài của van điện từ điều chỉnh xứng đáng được chú ý trước khi vòng lặp được đưa vào vận hành.

Các nhà cung cấp như Dingsen, sản xuất linh kiện điện lạnh và điều hòa không khí ô tô từ năm 2008 , xây dựng bộ điều khiển áp suất, van và phụ kiện bằng đồng nằm ở đầu nhận các tín hiệu đó.

Van điện từ EVR cho máy lạnh và điều hòa không khí Kiểm soát dòng chất làm lạnh trong đường chất lỏng, đường hút và đường khí nóng, với các tùy chọn tác động trực tiếp và vận hành thí điểm cho hệ thống lạnh. Xem sản phẩm →

Van giãn nở nhiệt với khả năng điều khiển quá nhiệt có thể điều chỉnh Điều chỉnh lưu lượng chất làm lạnh để duy trì quá nhiệt, có thân loại H và điều chỉnh quá nhiệt tĩnh 0–8°C cho hệ thống làm mát. Xem sản phẩm →

Chỉ định bộ điều khiển: Những gì cần kiểm tra

• Loại và phạm vi đầu vào, phù hợp với cảm biến thực tế: NTC, PT100, 4 đến 20 mA hoặc 0 đến 10 V.
• Loại đầu ra và độ phân giải: rơle, ổ rơle trạng thái rắn, dòng điện, điện áp hoặc PLC.
• Tốc độ mẫu, đủ nhanh cho quá trình nhưng không nhanh đến mức nhiễu lấn át quá trình tính toán.
• Tự động điều chỉnh, chống lên dây và chuyển đổi trơn tru giữa chế độ thủ công và tự động.
• Giới hạn đầu ra và cảnh báo, bao gồm cả kẹp cao và thấp cho thuật ngữ tích phân.
• Môi trường: lắp bảng điều khiển hoặc thanh ray DIN, xếp hạng IP, nhiệt độ môi trường, độ rung và khả năng chịu điện áp nguồn.

Bộ điều khiển PID là ba phép hiệu chỉnh được cộng lại với nhau và lặp lại trên một đồng hồ: một hiệu chỉnh theo sai số hiện tại, một hiệu chỉnh theo sai số tích lũy và một hiệu chỉnh theo tốc độ thay đổi. Tính chất vật lý của quy trình đặt ra mức trần cho hiệu suất và các cài đặt quyết định mức độ gần của vòng lặp. Đi đúng hướng của bộ truyền động, đo thời gian chết một cách trung thực và giữ mức tăng ở mức khiêm tốn. Sự kết hợp đó giải quyết được nhiều vòng lặp hơn bất kỳ phiên điều chỉnh tích cực nào.