Hướng dẫn điều chỉnh các vòng điều khiển nhiệt độ PID

I. I. Giới thiệu: Điều chỉnh PID trong điều khiển nhiệt độ

Kỹ thuật điều khiển quá trình là thành phần quan trọng của các hệ thống công nghiệp ngày nay, vì nó đảm bảo rằng chúng hoạt động an toàn và hiệu quả. Trong số các chiến lược điều khiển phổ biến nhất là bộ điều khiển tỷ lệ-tích phân (PID). Hiệu quả của các bộ điều khiển PID trong quản lý các quá trình năng động đã được công nhận rộng rãi. Mặc dù các bộ điều khiển PID có thể được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, việc thực hiện các thiết bị này để kiểm soát nhiệt độ cho thấy những cơ hội và thách thức độc đáo. Trong nhiều ứng dụng, chẳng hạn như sản xuất hóa chất, xử lý vật liệu, phòng môi trường, sưởi ấm, thông gió và hệ thống điều hòa không khí, duy trì nhiệt độ chính xác và ổn định là rất cần thiết. Vòng điều khiển PID phải được điều chỉnh thích hợp để đạt được hiệu suất mong muốn - phản ứng nhanh, vượt quá tối thiểu và kiểm soát chặt chẽ điểm đặt. Một hệ thống điều khiển nhiệt độ không được điều chỉnh đúng có thể cho thấy sự bất ổn, độ chính xác thấp và hành vi chậm. Điều này có thể dẫn đến giảm hiệu quả, giảm chất lượng sản phẩm và rủi ro an toàn. Mục đích của bài này là trình bày một hướng dẫn để điều chỉnh các mạch PID, được thiết kế đặc biệt để điều khiển nhiệt độ. Nó dựa trên các nguyên tắc kỹ thuật quy trình đã được thiết lập.

II. Những kiến thức cơ bản của hệ điều khiển nhiệt độ PID

Bộ điều khiển PID tính giá trị lỗi, đó là sự khác biệt trong điểm đặt (SP), điểm đặt mong muốn, và các biến quá trình được đo bằng cảm biến. Bộ điều khiển sau đó thực hiện một sửa dựa trên ba điều khoản sau đây:

Tỷ lệ: đầu ra của bộ điều khiển tỷ lệ thuận với sai số. Đầu ra sẽ thay đổi nhiều hơn nếu sai số lớn hơn. Phương pháp tiếp cận tỷ lệ giúp làm giảm sai số, nhưng để lại một bù ở trạng thái ổn định.

Tích phân: Đầu ra của bộ điều khiển được sửa chữa dựa trên tổng tích lũy theo thời gian. Trạng thái bù ổn định được loại bỏ bởi số hạng này, liên tục điều chỉnh đầu ra đến không.

Dẫn xuất (D) : Đầu ra điều khiển bị ảnh hưởng bởi tỷ lệ thay đổi lỗi. Bộ điều khiển dự đoán các lỗi trong tương lai dựa trên xu hướng hiện tại, giúp cải thiện sự ổn định và giảm dao động, do đó tăng tốc phản ứng.

Một cảm biến, chẳng hạn như thermistor, RTD, hoặc thermocouple (ví dụ), đo nhiệt độ của vòng lặp (PV). Bộ điều khiển PID so sánh phép đo này với nhiệt độ điểm đặt (SP). Bộ điều khiển này tạo ra tín hiệu dựa trên các lỗi được tính toán. Tín hiệu đầu ra thường được sử dụng để điều khiển một thiết bị chấp hành. Đây có thể là một cái lò sưởi, ống lạnh, cái van điều khiển một cái tủ lạnh và một cái tủ lạnh#Dòng chảy s hoặc bất kỳ thiết bị nào khác có khả năng thay đổi các điều kiện nhiệt trong hệ thống để đưa CHIẾC SP gần hơn đến PV.

Các cảm biến nhiệt độ, bộ điều khiển (thường là một phần của một bộ điều khiển Logic lập trình hoặc hệ thống điều khiển phân tán (DCS), bộ truyền động, và quá trình điều khiển (ví dụ lò phản ứng hoặc ovenQiang) là tất cả các thành phần chính trong vòng lặp này. Điều chỉnh hiệu quả đòi hỏi sự hiểu biết về tương tác giữa mỗi thành phần. Chiến lược điều chỉnh bị ảnh hưởng bởi các ứng dụng điều khiển nhiệt độ khác nhau, đòi hỏi các mức độ chính xác và tốc độ khác nhau.

III. Tầm quan trọng của việc điều chỉnh để điều khiển nhiệt độ tối ưu là gì?

Một hệ thống PID phải được điều chỉnh chính xác để thực hiện tối ưu và đáp ứng các nhu cầu đã dự định của một hệ thống điều khiển nhiệt độ. Các vòng điều khiển PID được điều chỉnh kém có thể cho thấy một số hành vi tiêu cực. Một sự phóng đại là khi nhiệt độ của hệ thống vượt quá điểm đặt của nó, trước khi nó ổn định. Điều này có thể hủy hoại các vật liệu nhạy cảm và gây ra mối quan tâm an toàn. Sự bất ổn định thể hiện khi nhiệt độ dao động xung quanh điểm đặt. Điều này làm cho hệ thống khó điều khiển và không thể đoán trước. Phản ứng chậm hoặc thời gian ổn định dài có nghĩa là hệ thống mất quá nhiều thời gian để duy trì và đạt đến điểm đặt nhiệt độ sau khi thay đổi. Điều này dẫn đến giảm hiệu quả và thông lượng. Sai số trạng thái ổn định hoặc sai lệch đề cập đến sự chênh lệch nhiệt độ giữa nhiệt độ cuối cùng và điểm đặt. Điều này chỉ ra rằng khâu tích phân không hoạt động tốt.

Mục tiêu chính của PID là thiết lập độ lợi sao cho vòng điều khiển đạt được sự cân bằng lý tưởng. Vòng lặp nên có thể đáp ứng nhanh chóng với bất kỳ thay đổi nào trong hệ thống, để ổn định gần điểm đặt, với sự phóng đại hoặc dao động nhỏ và để theo dõi chính xác điểm đặt, ngay cả khi có lỗi nhỏ với các cảm biến, chẳng hạn như thay đổi tải. Quá trình chỉnh âm thường bị bỏ qua, dẫn đến hiệu suất kém. Điều này có thể dẫn đến các hậu quả kinh tế và hoạt động đáng kể.

Phương pháp điều chỉnh phổ biến cho các vòng nhiệt độ sử dụng PID

Có nhiều cách để điều chỉnh các bộ điều khiển PID. Những phương pháp này từ các phương pháp thực nghiệm đơn giản đến các phương pháp tiếp cận hiện đại và tinh vi. Việc lựa chọn phương pháp phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm sự phức tạp của các hệ thống, các công cụ có sẵn và chuyên môn của các kỹ sư.

A. A.

Kể từ nhiều thập kỷ, các phương pháp này đã dựa trên các quan sát thực nghiệm của các phản ứng quá trình.

Ziegler Nichols Method: Có lẽ là phương pháp điều chỉnh thủ công phổ biến nhất. Phương pháp này là một cách hệ thống hóa để xác định kết quả PID ban đầu dựa trên một quá trình & quy trình#39; S đáp ứng với tần số. Thủ tục này thường bao gồm hai giai đoạn:

Phương pháp vòng mở: các hành động tích hợp và phái sinh của bộ điều khiển bị vô hiệu hóa (được đặt tại 0). Controller' đầu ra của S được thay đổi theo cách thông thường (thường là trong khi hệ thống đã đạt đến trạng thái ổn định). Điều này được thực hiện bằng cách xác định độ lợi cuối cùng (Ku), đại diện cho độ lợi tối đa mà hệ thống có thể đạt được trước khi nó thể hiện dao động. Sau đó, chu kỳ cuối cùng (Tu), hoặc thời gian của các dao động (chu kỳ), được xác định. Ziegler & Nichols cung cấp các công thức thực nghiệm có thể tính toán độ lợi PID xấp xỉ (Kp) bằng cách sử dụng những giá trị này. Ví dụ, Kp có thể là 0, 6 * Ku với thời gian Ti tích phân 0, 5 * Tu. Điều quan trọng cần lưu ý là các quy tắc này có thể được áp dụng trực tiếp cho các vòng nhiệt độ có thời gian chết đáng kể.

Phương pháp đáp ứng bước: Một lựa chọn thứ hai là áp dụng một bước thay đổi trực tiếp cho các biến trong quá trình (nếu an toàn và có thể) và quan sát đáp ứng của hệ thống. Đường cong bước được sử dụng để ước tính các tham số như quá trình gain Kp, hằng số thời gian T và thời gian chết CÁC công thức L. Ziegler và Nichols một lần nữa áp dụng để rút ra kết quả ban đầu từ các ước tính này. Các phản hồi phải được diễn giải cẩn thận để sử dụng phương pháp này.

Ziegler-Nichols là một điểm khởi đầu tốt. Tuy nhiên, kết quả thu được thường đòi hỏi phải lọc hơn nữa thông qua thử và lỗi hoặc bằng cách xem đáp ứng vòng khép kín.

Phương pháp điểm tới hạn: Trong phương pháp này, điểm tới hạn được xác định bằng cách tìm độ lợi khi hệ thống dừng dao động và trở nên ổn định. Sau đó, công thức được sử dụng để tính các thông số PID có thể được áp dụng. Trong nhiều ứng dụng trong cuộc sống thực, như các hệ thống điều khiển nhiệt độ phức tạp, nó được coi là ít mạnh mẽ và thực tế hơn Ziegler' s-Nichols.

B. B. Phương pháp điều chỉnh hiện đại/Nâng cao:

Kỹ thuật điều chỉnh đã phát triển cùng với lý thuyết điều khiển và năng lượng máy tính.

Phần mềm điều chỉnh (Tuning Software) : Phần lớn các hệ thống điều khiển phân phối hiện đại và các bộ điều khiển Logic lập trình có các tính năng điều chỉnh tự động. Chúng tuân theo một thủ tục tương tự với vòng hở nhưng được tự động hóa. Các công cụ này áp dụng các tín hiệu nhỏ cho quá trình, đo phản ứng của nó, tính toán các thông số chính của quá trình (như độ lợi và thời gian chết), và xác định độ lợi thích hợp cho PID. Nỗ lực điều chỉnh và thời gian cần thiết giảm đáng kể, đặc biệt đối với những nhà điều hành ít quen thuộc với việc điều chỉnh thủ công.

Phân tích đáp ứng tần số: Phương pháp bao gồm phân tích các đặc điểm đáp ứng tần số của một hệ thống (thường bằng cách sử dụng biểu đồ Bode và các đồ thị Nyquist) để tính toán độ lợi PID phù hợp. Phương pháp này đòi hỏi kiến thức tiên tiến hơn về lý thuyết điều khiển, nhưng nó có thể cung cấp một sự hiểu biết tốt hơn về động lực hệ thống.

Điều chỉnh dựa trên một mô hình: cách tiếp cận liên quan đến việc phát triển một biểu diễn toán học của quá trình kiểm soát nhiệt độ. Bạn có thể sử dụng các kĩ thuật như điều khiển tham số tuyến tính hoặc phi tuyến dự đoán mô hình tham số. Phần mềm tiên tiến có thể được sử dụng để tính toán độ lợi PID tối ưu dựa trên mô hình hóa#39; s hiệu suất và các tiêu chí khác. Phương pháp điều chỉnh dựa trên mô hình là chính xác, nhưng nó cũng có thể phức tạp và đòi hỏi nhiều nỗ lực để phát triển.

Điều chỉnh dựa trên tối ưu hóa: Phương pháp điều chỉnh dựa trên tối ưu hóa là một kỹ thuật thiết lập danh sách các tiêu chí hiệu suất, chẳng hạn như giảm thiểu quá cảnh và thời gian giải quyết, hoặc tối thiểu hóa các lỗi tuyệt đối tích hợp, sau đó sử dụng các thuật toán để xác định độ lợi trong PIDs đáp ứng tốt nhất các tiêu chí này. Nó có thể được thực hiện hoặc ngoại tuyến bằng cách sử dụng các mô hình mô phỏng, hoặc trực tuyến bằng cách thực hiện điều chỉnh độ lợi dựa trên phản hồi thời gian thực.

Quyết định giữa hai phương pháp dựa trên sự phức tạp của hệ thống, các công cụ điều chỉnh có sẵn và mức độ hiệu suất cần thiết. Autotuning dựa trên phần mềm, hoặc tinh chỉnh thủ công dựa trên các nguyên tắc Ziegler Nichols thường là lựa chọn tốt nhất cho nhiều ứng dụng tiêu chuẩn điều khiển nhiệt độ.

Không có vấn đề nào được chọn, điều chỉnh PID hiệu quả tuân theo phương pháp tiếp cận được hệ thống hóa. Chuẩn bị và quan sát cẩn thận là điều thiết yếu.

A chuẩn bị.

Điều quan trọng là phải xác định và hiểu các hiệu suất mong muốn trước khi điều chỉnh PID. Điều quan trọng là xác định hằng số thời gian của quá trình (tốc độ thay đổi nhiệt độ phản ứng với bộ điều khiển), thời gian chết giữa bộ điều khiển và thay đổi nhiệt độ, và các đặc tính cuối cùng của hệ thống. Xác định các tiêu chí hiệu suất: hệ thống nên phản ứng nhanh như thế nào với những thay đổi trong điểm đặt (thời gian quyết định), mức độ chấp nhận được của sự phóng đại, và lỗi trạng thái ổn định lớn bao nhiêu? Điều quan trọng là phải đánh giá và hướng dẫn quá trình điều chỉnh. Giai đoạn này cũng bao gồm việc lựa chọn kỹ thuật điều chỉnh tốt nhất dựa trên các công cụ có sẵn và kiến thức chuyên gia.

B. B.

Điều chỉnh bao gồm điều chỉnh P, D và tôi nhận được sự lặp đi lặp lại trong khi xem phản hồi của hệ thống.

Lựa chọn đạt được ban đầu: phần lớn các chiến lược điều chỉnh bắt đầu với một độ lợi nhỏ theo tỷ lệ. Điều quan trọng là hệ thống phải ổn định để cho phép bạn theo dõi phản hồi của nó. Điều quan trọng là chọn một độ lợi mà sẽ gây ra các system' S phản ứng đáng kể, nhưng không quá cao để làm cho nó không ổn định hoặc dao động quá mức khi một sự xáo trộn nhẹ xảy ra. Giai đoạn ban đầu này sẽ được xử lý bởi phần mềm nếu bạn đang sử dụng auto-Tuning.

Chỉ điều chỉnh độ lợi tỷ lệ (P). Thiết lập lợi tích phân và dẫn xuất đến 0 hoặc giá trị mặc định của chúng nếu điều chỉnh tự động được sử dụng. Tăng độ lợi tỉ lệ theo độ tăng. Hãy xem phản ứng của hệ thống đối với bất kỳ thay đổi nào trong điểm đặt. Điều quan trọng là chọn một độ lợi mà cung cấp một thời gian đáp ứng thích hợp mà không tạo ra dao động đáng kể. Nota: Offset trạng thái ổn định (lỗi) được hiển thị. Lợi ích ban đầu P phục vụ như một điểm khởi hành.

Hành động tích phân (I) : Kết hợp hành động tích phân (I), bằng cách tăng dần độ lợi tích phân. Tích hợp terM' S mục tiêu chính là loại bỏ các lỗi ở trạng thái xác định. Windup tích phân có thể xảy ra nếu độ lợi tích phân được tăng quá nhanh. Bộ điều khiển sẽ tích hợp lỗi trong một thời gian rất dài, có thể làm cho đầu ra của bộ điều khiển đạt đến giới hạn của nó (tối đa hoặc tối thiểu) trước khi sửa lỗi. Giảm lãi không thể thiếu. Nếu đầu ra trở nên bão hòa hoặc không ổn định, tăng thời gian tích phân. Nhiều bộ điều khiển hiện đại có các tính năng ngăn chặn hoặc giảm windup tích hợp. Hãy xem hệ thống giải quyết thế nào. Nhắm tới một độ lệch tối thiểu và ổn định có thể chấp nhận được.

Hành động phái sinh (D) : Kết hợp hành động phái sinh (hoặc thời gian đạo hàm, Td) bằng cách điều chỉnh độ lợi đạo hàm một cách cẩn thận. Thuật ngữ phái sinh này có thể giúp dự đoán các lỗi trong tương lai dựa trên tỷ lệ thay đổi. Nó cũng giúp cải thiện thời gian phản ứng bằng cách làm giảm dao động. Thuật ngữ phái sinh có thể làm tăng tiếng ồn đến từ các cảm biến nhiệt độ, có thể làm đầu ra của bộ điều khiển dao động. Bộ điều khiển hiện đại thường bao gồm các bộ lọc phái sinh làm mịn đầu vào của các thuật ngữ phái sinh, do đó giảm nhiễu. Bắt đầu với độ lợi đạo hàm thấp hoặc thời gian đạo hàm lớn và xem các hiệu ứng. Nếu dao động xảy ra, hãy tăng nó từ từ. Hãy cẩn thận đừng gây tiếng động hoặc mất ổn định.

Điều chỉnh cuối cùng: sau khi đạt được một phản hồi cơ bản ổn định, tiếp tục lặp lại mức lợi trong P, I và D. Thường, những điều chỉnh nhỏ sẽ cải thiện hiệu suất. Ví dụ, việc tăng P có thể làm tăng tốc độ phản ứng thời gian nhưng cũng làm tăng sự phóng đại. Tôi sẽ loại bỏ sự điều chỉnh trong khi làm chậm mọi thứ lại. Điều quan trọng là phải đạt được sự cân bằng hợp lý giữa hiệu suất và chi phí. Nếu có, hãy sử dụng các công cụ đồ họa như biểu đồ Bode và sơ đồ Locus gốc (tinh vi hơn) hoặc các phương pháp đơn giản hơn, như kiểm tra vết nứt (thêm các nhiễu nhỏ vào thiết lập hoặc thực hiện các thay đổi cố ý, nhỏ) để tinh chỉnh thêm độ lợi. Điều chỉnh là một chu kỳ liên tục của các điều chỉnh và quan sát.

C. C. Giám sát và điều chỉnh

Hiệu suất của PID vòng nên được kiểm tra trong các điều kiện khác nhau sau khi điều chỉnh ban đầu. Phản ứng của hệ thống là gì đối với sự thay đổi tải, như biến đổi nhiệt độ hoặc nhu cầu? Phản ứng của nó với tiếng ồn của cảm biến và những thăng giáng nhỏ là gì? Để đảm bảo hiệu suất mạnh mẽ trong các tình huống hoạt động khác nhau, việc điều chỉnh tinh vi thường được yêu cầu. Các kỹ thuật điều khiển dự đoán mô hình (MPC) là các phương pháp tiên tiến có thể tính đến sự gián đoạn, tối ưu hóa hiệu suất và cung cấp một thời gian dự đoán dài hơn. Chúng thêm một mức độ tinh vi khác vào những vòng điều chỉnh nhiệt độ phức tạp.

Sự an toàn phải luôn được đặt lên hàng đầu. Thiết lập lợi để tránh dao động nguy hiểm, overshoots có thể phá hủy các quá trình, và bão hòa thiết bị truyền động gây áp lực lên thiết bị. Thực hiện các thủ tục an toàn và thủ tục tắt khẩn cấp.

E. Triển khai: sau khi xác định kết quả đạt được thỏa đáng thông qua các thử nghiệm mô phỏng hoặc offline (nếu điều này là có thể), kết hợp chúng vào hệ thống điều khiển trong thời gian thực. Hãy giám sát vòng lặp trong quá trình hoạt động ban đầu và thực hiện bất kỳ điều chỉnh cần thiết nào.

VI. Nhiệt độ điều khiển hệ thống: Những cân nhắc đặc biệt

Hệ thống điều khiển nhiệt độ có thể đưa ra một thách thức duy nhất có thể ảnh hưởng đến việc điều chỉnh thiết bị và yêu cầu cân nhắc cụ thể.

Chậm trễ thời gian: có thể có sự chậm trễ trong phản ứng của cảm biến, thiết bị truyền động hiệu ứng trên các quá trình, hoặc truyền nhiệt trong một hệ thống. Công thức Ziegler và Nichols có thể yêu cầu điều chỉnh thực nghiệm, đặc biệt là đối với các hệ thống có thời gian chết. Thời gian chết thường được xử lý tốt nhất với các công cụ điều chỉnh phần mềm.

Tính phi tuyến: hiếm khi có một mối quan hệ tuyến tính hoàn hảo giữa các đầu ra bộ điều khiển (ví dụ như công suất máy sưởi) và thay đổi nhiệt độ. Có thể hệ thống sẽ phản ứng khác nhau khi nhiệt độ thấp hoặc cao. Đối với các hệ thống phi tuyến cao, các phương pháp điều chỉnh nâng cao và áp đảo linearisation có thể là cần thiết.