Hướng dẫn điều chỉnh hệ thống điều khiển PID cho vòng điều khiển làm lạnh và HVAC

Một tủ đông không cửa ngăn được đặt ở nhiệt độ âm 18 độ C, dao động trong khoảng từ âm 15 đến âm 20, chạy máy nén trong thời gian ngắn và đóng băng một đầu của thiết bị bay hơi, thường không thiếu chất làm lạnh. Nó thiếu sự kiểm soát tốt. Hệ thống điều khiển PID quyết định van giãn nở mở bao xa, khi nào ống điện từ dòng chất lỏng đóng lại và căn phòng sẽ phục hồi nhanh như thế nào sau khi cửa được mở. Không điều chỉnh phí sẽ khắc phục được vòng lặp đang tự đấu tranh.

Câu trả lời ngắn gọn đầu tiên. Hệ thống điều khiển PID là một bộ điều khiển vòng kín so sánh giá trị đo được với mục tiêu và hiệu chỉnh sự khác biệt bằng cách sử dụng ba thuật ngữ có trọng số: tỷ lệ, tích phân và đạo hàm. Trong công việc làm lạnh và điều hòa không khí, số học là phần đơn giản. Điều quyết định liệu vòng lặp có giữ được mục tiêu hay không là cảm biến, bộ truyền động và liệu việc điều chỉnh có phù hợp với quán tính nhiệt của tải hay không.

Hệ thống điều khiển PID sửa lỗi như thế nào

Mỗi vòng lặp chạy theo cùng một trình tự. Bộ điều khiển đọc biến quy trình, trừ nó khỏi điểm đặt để nhận lỗi, tính toán ba số hạng, cộng chúng lại với nhau và gửi kết quả đến phần tử điều khiển cuối cùng. Phần tử hoạt động, quá trình phản hồi, cảm biến báo cáo và chu trình lặp lại. Bộ hẹn giờ chạy máy nén trong mười phút và nghỉ trong năm phút không thực hiện điều nào trong số này, đó là lý do tại sao điều khiển vòng hở không thể giữ phòng khi tải thay đổi.

Ba điều khoản và những gì mỗi điều khoản sửa chữa

Hành động tỷ lệ

Hành động tỷ lệ tạo ra đầu ra tỷ lệ với lỗi hiện tại. Nếu phòng nằm cao hơn điểm đặt 2 K và mức tăng được đặt sao cho mỗi kelvin sẽ mở van điều chỉnh 8 phần trăm, thì van sẽ di chuyển đến 16 phần trăm. Thuật ngữ này thực hiện hầu hết công việc trong quá trình kéo xuống.

Nó không thể hoàn thành công việc một mình. Khi phòng tiến đến điểm đặt, sai số sẽ giảm và đầu ra cũng giảm theo, cho đến khi vị trí van cân bằng chính xác với tải. Điểm cân bằng đó nằm cách xa điểm đặt và được gọi là lỗi bù hoặc lỗi trạng thái ổn định. Kiểm soát chỉ theo tỷ lệ thường làm lệch mục tiêu từ 1 đến 2 K, mức này có thể chấp nhận được để làm mát thoải mái chứ không phải cho máy cấp đông nhanh.

Hành động tích hợp

Hành động tích phân sẽ tính tổng lỗi theo thời gian và tiếp tục đẩy cho đến khi tổng đó ngừng tăng, điều này sẽ loại bỏ phần bù. Cái giá phải trả là thời gian và nếu nó được đặt ra quá mức thì sẽ vượt quá mức. Khi tổng tích lũy trong khoảng thời gian mà đầu ra không thể phản hồi, chẳng hạn như khóa rã đông, nó sẽ khiến đầu ra gặp khó khăn ngay thời điểm khóa bị xóa. Đó là sự cố không thể thiếu và là nguyên nhân phổ biến khiến cửa hàng tăng vọt lên 5 K sau khi rã đông.

Hành động phái sinh

Hành động phái sinh phản ứng với tốc độ thay đổi của sai số, làm giảm tốc độ vòng lặp có xu hướng vượt quá giới hạn. Nó cũng phản ứng với tiếng ồn của cảm biến, bởi vì bộ chuyển đổi áp suất co giật 0,2 bar trong mỗi giai đoạn lấy mẫu trông giống như tốc độ thay đổi cực nhanh. Hầu hết các bộ điều khiển làm lạnh áp dụng thuật ngữ đạo hàm cho biến quy trình thay vì lỗi và ghép nó với bộ lọc từ một đến ba giây. Khi độ trễ vận chuyển chiếm ưu thế, tức là hầu hết các mạch, đạo hàm được giữ ở mức 0 và vòng PI được sử dụng thay thế.

Một ví dụ cụ thể. Một van giãn nở điện tử giữ quá nhiệt ở mức 5 đến 8 K dựa vào tác động tỷ lệ để theo dõi tải và tác động tích phân để xóa lỗi đứng. Nếu quá nhiệt dao động trong khoảng từ 2 K đến 15 K thì số hạng đạo hàm hiếm khi là thủ phạm. Thời gian đáp ứng của cảm biến và độ phân giải bước van thường là như vậy.

Van giãn nở nhiệt để kiểm soát quá nhiệt cho tủ lạnh Van bằng đồng hoặc thép không gỉ nhỏ gọn có khả năng điều chỉnh quá nhiệt tĩnh 0–8°C cho các ứng dụng làm lạnh thương mại và công nghiệp. Xem sản phẩm →

Phương pháp điều chỉnh và số thực tế

Điều chỉnh là nơi lý thuyết gặp gỡ thực vật. Ba cách tiếp cận bao gồm hầu hết công việc.

1. Điều chỉnh thủ công. Bằng 0 các số hạng tích phân và đạo hàm, tăng hệ số khuếch đại tỷ lệ cho đến khi vòng lặp dao động ổn định, sau đó giảm đi một nửa. Thêm hành động tích phân cho đến khi xóa phần bù trong thời gian chấp nhận được. Chỉ thêm đạo hàm nếu độ vọt lố vẫn còn quan trọng.
2. Ziegler và Nichols. Đọc mức tăng và chu kỳ cuối cùng từ bài kiểm tra dao động và áp dụng bảng đã công bố. Kết quả là nhanh và hơi mạnh, phù hợp với các vòng lặp nhiệt độ chậm.
3. Chuyển tiếp điều chỉnh tự động. Bộ điều khiển tạo ra một chu kỳ giới hạn nhỏ xung quanh điểm đặt và lấy mô hình từ biên độ và chu kỳ của nó. Nó rất tiện lợi nhưng nó điều chỉnh vòng lặp chính xác như được tìm thấy, bao gồm cả cảm biến được đặt ở vị trí không đúng.

Điểm tham khảo hữu ích. Vòng lặp phòng cập nhật một lần mỗi giây. Vòng lặp quá nhiệt cập nhật cứ sau 100 đến 200 ms. Vòng lặp nước lạnh phải giữ trong khoảng 0,5 K và hộp hiển thị trong khoảng 1 K. Lấy mẫu nhanh hơn nhiều so với khả năng phản hồi của quy trình, chủ yếu là khuếch đại nhiễu.

Nơi vòng điều khiển đáp ứng phần cứng

Ba quyết định phần cứng định hình kết quả nhiều hơn bất kỳ hằng số điều chỉnh nào.

• Vị trí và tốc độ cảm biến. Một đầu dò trong không khí quay trở lại sẽ nhìn thấy căn phòng, trong khi một đầu dò gắn vào cuộn dây sẽ nhìn thấy cuộn dây. Một vòng lặp được điều chỉnh trên một cái và vận hành trên cái kia sẽ săn lùng.
• Độ phân giải của bộ truyền động. Van điện từ bật và tắt cung cấp cho vòng lặp hai vị trí, do đó bộ điều khiển chỉ có thể thay đổi chu kỳ hoạt động. Một van điều chỉnh cung cấp cho nó 200 vị trí trở lên.
• Bảo vệ độc lập. Bộ điều khiển áp suất làm lạnh chuyển đổi máy nén hoặc quạt ngưng tụ ở áp suất cố định bất kể vòng nhiệt độ yêu cầu như thế nào, giúp cảm biến bị hỏng không trở thành máy nén bị hỏng.

Hành vi theo thời gian cũng quan trọng như hành vi vào ngày vận hành. Một dòng điện từ chất lỏng hoạt động cứ sau 40 giây sẽ tích lũy hàng trăm nghìn hoạt động trong vòng vài năm, do đó, thiết kế chỗ ngồi, lớp cách điện cuộn dây và quyền truy cập ghi đè thủ công trở thành tiêu chí lựa chọn thực tế. Ghi chú trên giữ cho van điện từ EVR ổn định trong thời gian sử dụng lâu dài đáng đọc trước khi tỷ lệ đi xe đạp được cố định.

Van điện từ EVR để kiểm soát lưu lượng lạnh Van điện từ EVR dành cho đường ống chất lỏng, đường hút hoặc đường khí nóng, với các tùy chọn cuộn dây AC/DC và độ kín bền cho hệ thống lạnh. Xem sản phẩm →

Bộ điều khiển áp suất cao/thấp làm lạnh với tính năng tự động thiết lập lại Bộ điều khiển áp suất cao/thấp cơ học với đồng hồ đo con trỏ và thiết lập lại tự động, được liên kết với máy nén, quạt và van xả để bảo vệ hệ thống. Xem sản phẩm →

Khi vòng lặp hoạt động sai: Triệu chứng và nguyên nhân

• Độ vọt lố lớn sau khi xả băng: cuộn dây tích hợp hoặc kết thúc xả băng được thiết lập theo thời gian thay vì theo nhiệt độ cuộn dây.
• Dao động đều đặn từ hai đến năm phút một lần: mức tăng tỷ lệ quá cao hoặc van quá khổ so với tải.
• Độ lệch ổn định không bao giờ xóa: chỉ điều khiển theo tỷ lệ hoặc bộ truyền động đã đạt đến giới hạn hành trình.
• Giật giật ngẫu nhiên không có nguyên nhân vật lý: nhiễu cảm biến khuếch đại hành động vi phân hoặc túi đầu dò bị lỏng.
• Chu kỳ ngắn ở mức tải nhẹ: độ trễ được đặt dưới dải chết của vòng lặp hoặc dải chết hẹp hơn độ chính xác của cảm biến.
• Một phần của thùng máy lạnh và phần còn lại ấm: vị trí cảm biến, không điều chỉnh.

Kiểm soát tầng loại bỏ một phần của điều này. Vòng ngoài đọc nhiệt độ phòng và ghi điểm đặt, trong khi vòng trong đọc điều kiện bay hơi hoặc hút và điều khiển van. Vòng lặp bên trong phản ứng trong vài giây, trước khi căn phòng di chuyển, giúp cắt giảm tình trạng vượt mức trên các hệ thống có độ trễ truyền tải dài.

Những điều cần kiểm tra trước khi đặt hàng

1. Phạm vi kiểm soát và độ phân giải được yêu cầu là gì? Một van điều chỉnh từ 10 đến 100 phần trăm tải là một sản phẩm khác với một sản phẩm mở hoàn toàn ở mức 20 phần trăm.
2. Độ chính xác và thời gian phản hồi của cảm biến là bao nhiêu và dải chết của vòng lặp có rộng hơn lỗi cảm biến không?
3. Số chu kỳ dự kiến ​​​​trong thời gian sử dụng là bao nhiêu và vật liệu ghế và cuộn dây có hỗ trợ nó không?
4. Các phụ kiện bằng đồng, đồng thau và vật liệu van có phù hợp với chất làm lạnh và dầu đang sử dụng không?
5. Các phụ tùng, điện áp cuộn dây và các tùy chọn ghi đè thủ công có sẵn trong cùng một dòng sản phẩm để việc sửa chữa không yêu cầu phải làm lại giá đỡ không?
6. Nhà cung cấp có thể làm việc từ bản vẽ hoặc mẫu nếu vòng lặp cần kích thước cổng hoặc đặc tính dòng không chuẩn không?

Các nhà cung cấp vừa xây dựng các thành phần điều khiển vừa hiểu rõ các vòng lặp mà họ sử dụng sẽ thu hẹp những khoảng trống này nhanh hơn. Một nhà sản xuất với phòng thí nghiệm thử nghiệm nội bộ và khả năng phát triển tùy chỉnh có thể xác nhận hệ số dòng chảy hoặc xếp hạng cuộn dây từ bản vẽ thay vì từ chú thích cuối danh mục.

Những điểm chính cần nhớ

• Hệ thống điều khiển PID là một hệ thống khép kín: đo, so sánh, hiệu chỉnh, lặp lại.
• Hành động tỷ lệ phản ứng với lỗi hiện tại, hành động tích phân xóa quá khứ, hành động đạo hàm dự đoán vài giây tiếp theo.
• Hầu hết các vòng lặp làm lạnh hoạt động tốt nhất ở dạng PI, với đạo hàm dành riêng cho các phép đo được lọc tốt và phản hồi nhanh.
• Việc điều chỉnh không thể bù đắp cho cảm biến chậm, van quá khổ hoặc đầu dò đặt sai vị trí.
• Vòng đời và khả năng tương thích của vật liệu quyết định liệu vòng lặp có còn hoạt động trong năm thứ ba hay không.

Thử nghiệm thực tế của một vòng lặp không phải là phản hồi từng bước vào ngày vận hành thử. Vấn đề là liệu vụ việc có còn giữ được mục tiêu vào buổi chiều nóng nhất trong năm, sau khi rã đông và cuộn dây bị tắc một phần hay không. Thiết kế phần cứng xung quanh yêu cầu đó và các con số điều chỉnh trở thành phần dễ dàng.