Hướng dẫn toàn diện sử dụng điều khiển nhiệt độ PID

 Bộ điều khiển nhiệt độ PID (tỉ lệ-tích phân) cung cấp một phương tiện mạnh mẽ để đạt được điều chỉnh nhiệt độ chính xác, ổn định và đáp ứng. Sách Hướng dẫn giải thích những điều cơ bản, cách sử dụng chúng và những ứng dụng thực tiễn của chúng.

1. Hiểu điều khiển PID: Các nguyên tắc cơ bản là gì?

Hệ thống PID về cơ bản là một vòng phản hồi tự động điều chỉnh một quá trình để giữ cho nó ở điểm đặt. Điều này được thực hiện bằng cách tính toán một giá trị lỗi đại diện cho sự khác biệt giữa một phép đo hiện tại (biến quá trình) và một giá trị mong muốn (điểm đặt). PID phức tạp hơn các phương pháp điều khiển đơn giản hơn. Thế thì được.#39; T chỉ phản ứng với các lỗi hiện tại, nhưng cũng xem xét lịch sử và dự báo xu hướng tương lai của chúng.

2. PID là một từ viết tắt của ba thành phần của PID.

Tỷ lệ (P). Thành phần tạo ra một sự điều chỉnh tỷ lệ thuận với cơn thịnh hành. Sự điều chỉnh sẽ lớn hơn nếu có sự chênh lệch nhiệt độ đáng kể. Điều chỉnh và trừng phạt#39; sức mạnh s được xác định bởi ' tỷ lệ thuận & tỷ lệ#39; có thể được ký hiệu là Kp. Mặc dù điều khiển P có hiệu quả trong việc thực hiện các phản ứng nhanh, nó có thể để lại một lỗi còn lại được gọi là lỗi trạng thái ổn định.

Nguyên (I) : Thành phần nguyên được thiết kế để loại bỏ sai số trong trạng thái ổn định gây ra bởi hành động tỷ lệ. Hệ thống hoạt động bằng cách cộng tất cả các lỗi theo thời gian, và sau đó áp dụng các sửa chữa dựa trên các lỗi tích lũy này. Lỗi tích lũy này bị ảnh hưởng bởi ' Tích hợp hằng số thời gian#39; (Ti), hoặc ' khởi động lại thời gian.' Các hành động tích phân đảm bảo rằng hệ thống không ổn định cho các độ lệch dài hạn từ điểm đặt.

Dẫn xuất (D) Thành phần này là một viễn cảnh phía trước. Thành phần này tính toán tốc độ thay đổi và áp dụng hiệu chỉnh theo phép tính này. Một hành động phái sinh sẽ giúp làm chậm quá trình nếu nhiệt độ tiếp cận điểm đặt với tốc độ nhanh. Trong trường hợp ngược lại, có thể làm giảm nhiệt độ nếu có sự gia tăng lỗi nhanh chóng (cho thấy khả năng bất ổn). Thành phần dự đoán này được điều khiển bởi ' hằng số thời gian dẫn xuất (Td), hoặc ' lợi nhuận phái sinh (Kd). Hành động phái sinh rất mạnh mẽ, nhưng nó cũng có thể bị ảnh hưởng bởi tiếng ồn.

Kết hợp ba thành phần này, một điều khiển PID có thể tạo ra một chiến lược kiểm soát hiệu quả và tinh tế. Điều này đặc biệt đúng với các hệ thống có quán tính, hoặc độ trễ lớn. Chúng thường được tìm thấy trong việc kiểm soát nhiệt độ.

3. Khối xây dựng: các thành phần trong một hệ thống PID

Nó cần nhiều hơn đơn vị PID để đạt được sự kiểm soát nhiệt độ chính xác. Một hệ thống hoàn chỉnh là cần thiết, bao gồm một số yếu tố thiết yếu.

 Các bộ điều khiển PID có sẵn cho các ứng dụng đơn giản. Các hệ thống phức hợp có thể tích hợp PID vào một bộ điều khiển Logic có thể lập trình được hoặc hệ thống điều khiển phân tán.

Cảm biến quá trình: đo nhiệt độ trong quá trình. Các cặp nhiệt điện thường được sử dụng (chúng có phạm vi nhiệt độ rộng và có thể chịu được nhiệt độ khác nhau) cũng như máy dò nhiệt độ kháng. Các cảm biến phải làm việc với các bộ điều khiển (ví dụ như các loại đầu vào J, K hoặc RTD Pt100 và Pt1000).

Thiết bị đầu ra: bộ điều khiển sẽ thao tác yếu tố này để thay đổi nhiệt độ của quá trình. Các ví dụ bao gồm:

Điều khiển trạng thái rắn: được sử dụng để điều khiển các yếu tố làm nóng bằng cách sử dụng điều chế độ rộng xung (PWM) và các phương pháp khác.

Điểm đặt: Đó là nhiệt độ mục tiêu mà bộ điều khiển cố gắng duy trì.

Vòng phản hồi: Hệ thống này sử dụng các phép đo liên tục (phản hồi), để so sánh nhiệt độ thực tế (biến quá trình) với điểm đặt. Điều khiển vòng kín rất cần thiết cho điều khiển tự động.

Để sử dụng thành công bộ điều khiển PID, điều quan trọng là phải hiểu được các thành phần này.

H2 Thực hiện điều khiển PID: HƯỚNG dẫn bước đi

Lập kế hoạch và thực hiện rất cần thiết để sử dụng bộ điều khiển PID. Đây là hướng dẫn thực thi chung.

4. Xác định yêu cầu của bạn về đơn:

Nhiệt độ đo được bao nhiêu? Độ chính xác cần thiết là gì (ví dụ: + -0.1degC hoặc + -1degC?

Hệ thống có thể nóng và nguội nhanh đến mức nào?

Cách chọn phần cứng điều khiển tốt nhất:

Chọn một bộ cảm biến nhiệt độ phù hợp.

Chọn bộ chấp hành thích hợp tùy thuộc vào ứng dụng của bạn (làm nóng các yếu tố điện, kích thước quạt, các loại van).

Sự lắp đặt:

Cài đặt bộ điều khiển tại một locati0N được bảo vệ khỏi nhiệt hoặc điều kiện khắc nghiệt.

Cài đặt nguồn điện theo các thông số kỹ thuật của nhà sản xuất và hướng dẫn an toàn.

Dây cảm biến cặp nhiệt chăm sóc các đầu vào của bộ điều khiển, đảm bảo rằng độ phân cực là chính xác và độ bồi thường đường nối lạnh được thiết lập.

Kết nối đầu ra của bộ điều khiển với bộ truyền động mà bạn đã chọn, đảm bảo rằng điện áp/hiện tại xếp hạng là tương thích. Và đảm bảo an toàn hệ thống dây điện.

Cấu hình:

Khởi động bộ điều khiển rồi truy cập các thiết lập của nó (thông thường thông qua bàn phím, các nút hoặc giao diện được kết nối với máy tính).

Chọn đơn vị nhiệt độ thích hợp (degC/degF).

Đặt giá trị điểm đặt mong muốn (SP).

Thiết lập các thông số điều khiển:

Chế độ điều khiển: Chọn chế độ điều khiển. (P, PID, PD hoặc PI). Chọn chế độ thích hợp cho ứng dụng của bạn (thông thường, PID sẽ là mục tiêu hoặc mặc định).

Thông số điều chỉnh: chọn độ lợi tỷ lệ (Kp), thời gian tích phân (Ti), hoặc thời gian phái sinh (Td). Nó thường là bước quan trọng và phức tạp nhất.

Thiết lập bất kỳ giới hạn cần thiết, bao gồm các điểm cảnh báo cao/thấp, mức độ bão hòa đầu ra (ví dụ 0-100%) và khóa an toàn nếu cần.

Thiết lập định dạng hiển thị mong muốn và tất cả các tùy chọn truyền thông nếu cần thiết.

Sự điều chỉnh và thử nghiệm ban đầu:

Đơn giản nhất: chỉ sử dụng điều khiển P. Độ lợi tỷ lệ nên được điều chỉnh cho đến khi hệ thống có thể phản ứng nhanh và không có dao động. Không phải là giá trị của Kp.

Hành động tích phân được giới thiệu: sau khi kiểm soát P ổn định đã đạt được, giới thiệu các hành động tích phân bằng cách dần dần thiết lập các giá trị Ti (hoặc tương đương). Hành động tích hợp có thể giúp giảm các lỗi trạng thái ổn định. Việc tích hợp quá nhiều nẹp có thể dẫn đến sự bất ổn. Khi bạn điều chỉnh Ti, đảm bảo rằng hệ thống ổn định và không có lỗi.

Thêm một dẫn xuất (tùy chọn, nhưng hữu ích) : Một hành động phái sinh cải thiện sự ổn định và có thể giảm sự vượt mức. Lặn xuống và theo dõi sự đáp ứng của hệ thống. Nếu cần, chỉnh lại đoạn Ti và Td. Nếu hành động phái sinh quá lớn hoặc gây ra vấn đề, nó có thể được tắt.

Màn hình: Chú ý kỹ phản ứng nhiệt độ trong khi điều chỉnh. Bạn có thể sử dụng các tính năng như tháng 3 năm 2010. ^ "Bump Testing&"#39; Hoặc các điều chỉnh điểm đặt bằng tay nhỏ để đánh giá hiệu suất.

H2 Điều chỉnh: Nghệ thuật và khoa học để làm cho nó đúng

Bước quan trọng nhất trong việc điều chỉnh PID là tìm ra các thiết lập đúng. Bộ điều khiển không điều chỉnh có thể gây ra đáp ứng chậm chạp, dao động hoặc bất ổn của hệ thống. Cần hiểu và thử nghiệm để tìm các giá trị Kp, Td và Ti tốt nhất. Có một số phương pháp, từ thử và lỗi đến autotune tính năng thường được bao gồm trong bộ điều khiển hiện đại.

5. Các phương pháp điều chỉnh thủ công:

Phương pháp phản ứng từng bước: thay đổi nhiệt độ của quá trình hoặc áp dụng một sự xáo trộn mà bạn biết. Lưu ý các thông số như thời gian tăng, thời gian vượt quá và thời gian quyết toán. Các giá trị thu được có thể được sử dụng để điều chỉnh các hằng số một cách xấp xỉ (ví dụ công thức Ziegler Nichols).

Ziegler-Nichols (kiểm thử và lỗi) : có hai bước. Sau đó, tăng Kp đến điểm dao động ổn định. Ký hiệu: Dao động ký#39; Thời kỳ (Pu). Sử dụng một tiêu chuẩn bảng (như quy tắc điều chỉnh Ziegler Nichols) để xác định Kp, Td và Ti. Phương pháp này có hiệu quả nhưng cũng có thể hung hăng, dẫn đến hành động kiểm soát hung hăng.

Cohen Coon Method: Một phương pháp thực nghiệm dựa trên dữ liệu từ bước phản ứng, thường tạo ra kết quả tốt khi áp dụng cho các quá trình có quán tính đáng kể.

Điều chỉnh tự động: Một số bộ điều khiển tiên tiến có tính năng autotune được xây dựng. Chúng hoạt động bằng cách tạo ra một sự nhiễu loạn nhỏ, được kiểm soát trong hệ thống trong khi nó đang chạy bình thường (ví dụ: một thay đổi ngắn đối với tín hiệu đầu ra). Bộ điều khiển này phân tích và xác định các thông số điều chỉnh tự động dựa trên phản hồi. Nó nhanh hơn, ít nguy hiểm và không cần điều chỉnh thủ công.

Bất kể bạn chọn phương pháp nào, việc điều chỉnh là một quá trình liên tục. Kiểm tra phản ứng của hệ thống với những giá trị bảo thủ. Thực hiện những điều chỉnh nhỏ và sau đó lặp lại. Quá trình nhiễu, thay đổi tải, tính phi tuyến của hệ thống và các yếu tố khác có thể có tác động đáng kể đến hiệu suất. Điều chỉnh định kỳ là cần thiết.

H2 Các ứng dụng phổ biến của điều khiển nhiệt độ PID

Trong các ứng dụng đòi hỏi kiểm soát nhiệt độ chính xác, các bộ điều khiển PID có thể được tìm thấy ở khắp mọi nơi. Một số ví dụ thông thường bao gồm:

Sưởi ấm công nghiệp: Điều khiển nhiệt độ của lò và lò nung, lò nung, quy trình xử lý nhiệt.

Các quá trình sản xuất hóa học: Kiểm soát nhiệt độ trong các lò phản ứng, pha trộn hàng loạt và cột chưng cất.

Thực phẩm & Đồ uống: tiệt trùng (lò và tủ phủ), khử trùng, kiểm soát lên men, đông lạnh, đông khô, tiệt trùng.

Sản xuất dược phẩm: sơn phủ máy tính bảng, môi trường lưu trữ có kiểm soát, Lyophilization (sấy lạnh), incubators phòng thí nghiệm.

HVAC: Kiểm soát khí hậu cho phòng sạch, phòng máy chủ, trung tâm dữ liệu, phòng thí nghiệm và các tòa nhà hiệu suất cao.

Tự động hóa và robot: Quản lý nhiệt độ của khớp robot, hàn/cắt laser hoặc linh kiện điện tử nhạy cảm khi lắp ráp.

Nghiên cứu và phát triển: duy trì nhiệt độ ổn định để thử nghiệm, thử nghiệm vật liệu và thử nghiệm sinh học.

Khả năng duy trì điểm đặt mong muốn và giảm thiểu biến động là rất cần thiết trong từng trường hợp.

6. Khắc phục vấn đề: Duy trì hệ thống và hệ thống của bạn#39; S Hiệu suất

Các vấn đề có thể xảy ra với ngay cả các hệ thống điều chỉnh tốt nhất. Đây là một vài vấn đề phổ biến và những giải pháp tiềm năng của họ.

Vượt trội và thấp hơn liên tục: hệ thống luôn vượt qua hoặc gạch dưới trước khi nó ổn định. Đây thường là dấu hiệu của sự điều chỉnh sai. Điều chỉnh thời gian phái sinh (Td) và độ lợi tỷ lệ (Kp). Tăng Kp để tăng tốc độ phản ứng, nhưng giảm sự phóng đại. Sự phóng đại có thể được gây ra bởi quá nhiều hành động tích hợp (Ti là không đủ lớn).

Thời gian thiết lập dài hoặc đáp ứng chậm: hệ thống mất một thời gian rất dài để đáp ứng với những thay đổi trong điểm đặt hoặc các rối loạn khác. Nó có thể là do độ lợi tỷ lệ không đủ (Kp), hoặc sự không phù hợp của Controllers' Khả năng của quán tính. Tăng Kp có thể giúp nhưng theo dõi sự bất ổn định.

Dao động nhiệt độ dao động xung quanh điểm đặt thường xuyên. Nó thường là do một sự điều chỉnh mạnh mẽ. (Quá nhiều Kp, không đủ D hoặc quá ít Ti) làm tăng thời gian vi phân hoặc thời gian tích phân hoặc giảm độ lợi tỷ lệ (Kp).

Sai số của trạng thái ổn định: Nhiệt độ ổn định đến một giá trị khác so với điểm đặt. Không đủ