Các bộ điều khiển PID: làm chủ áp suất, mức độ và điều khiển nhiệt độ

Các quá trình giới thiệu công nghiệp yêu cầu độ chính xác không dao động, cho dù trong các lò phản ứng tổng hợp hóa học, hệ thống HVAC hoặc dây chuyền sản xuất. Các khiếm khuyết ở mức chất lỏng, áp suất hoặc nhiệt độ có thể ảnh hưởng đến an toàn và hiệu quả sản phẩm. Bộ điều khiển tỷ lệ-tích phân (PID) xuất hiện như những giải pháp không thể thiếu, tận dụng phản hồi thời gian thực để điều chỉnh các thông số quan trọng này. Hướng dẫn này khám phá các điều khiển PID, các phương pháp điều chỉnh, và các ứng dụng công nghiệp để trao quyền cho các kỹ sư.

1. Bộ điều khiển PID là một loại thiết bị điện tử điều khiển nhiệt độ.

Hệ thống điều khiển PID là một vòng phản hồi tiên tiến tính toán các hành động điều chỉnh bằng ba tham số.

Tỷ lệ (P) : tạo ra đầu ra theo tỷ lệ với sai số trực tiếp (khác biệt giữa điểm đặt và biến quá trình). Lợi nhuận cao hơn, nhưng chúng cũng có thể dẫn đến sự vượt trội.

Tích phân: tích lũy các độ lệch lịch sử để giải quyết các lỗi trạng thái ổn định còn lại. Nó là cần thiết cho độ chính xác, nhưng quá điều chỉnh có thể dẫn đến dao động.

Đạo hàm (D) : Dự đoán các lỗi trong tương lai bằng cách sử dụng tốc độ thay đổi. Tiếng nổ của bộ cảm biến giảm, nhưng tiếng ồn của bộ cảm biến lại tăng lên.

2. Kiểm soát áp suất, mức độ và nhiệt độ

Kiểm soát áp suất

Thay đổi áp suất nhanh có thể gây ra vụ nổ trong các hệ thống khí nén và nồi hơi. Bằng cách điều chỉnh máy nén và van trong mili giây, bộ điều khiển PID làm giảm rủi ro.

Thách thức: Động lực học phi tuyến gây ra bởi sự nén của khí.

Để ngăn chặn các dao động, ưu tiên hành động phái sinh (D = 0, 11 giây). Giới hạn thời gian tích phân để tránh giật dây khi xảy ra các gai áp suất.

Kiểm soát mức độ

Bơm và van điều khiển bởi PIDs được sử dụng để quản lý chất lỏng bể trong xử lý hóa học hoặc nước.

Thử thách: Phản ứng chậm của cảm biến, hình học thùng phi tuyến tính.

Để loại bỏ trôi, sử dụng hành động tích phân (I = 10-60 giây) như là chiến lược điều chỉnh. Đối với các điều chỉnh thô, sử dụng lợi nhuận theo tỷ lệ.

Kiểm soát nhiệt độ

Quán tính được thể hiện bằng các quá trình nhiệt, chẳng hạn như trong các lò phản ứng sinh học và lò luyện Kim. Điều này xảy ra khi các phép đo đầu vào nhiệt chậm hơn so với sự thay đổi thực tế về nhiệt độ.

Vấn đề: chậm trễ trong phản ứng nhiệt khối lượng.

Chiến lược điều chỉnh: Một hành động tích phân cao (I = 5-30 phút) sẽ chống lại quán tính. Lọc điểm đặt có thể được sử dụng để giảm cú đá vi phân.

3. Điều chỉnh PID

Chuẩn bị tinh thần cho sự phản hồi.

Phương pháp Ziegler-Nichols:

Tăng P, vô hiệu I và D.

Đặt P = 0.6K_u I = 0.5T_u D = 0.125T_u. (K_u = lãi tới hạn, T_u = các giai đoạn dao động).

Các biện pháp để ngăn chặn sự kết tụ: sử dụng kẹp để ngăn chặn sự tích tụ tích phân khi xảy ra bão hòa.

Công cụ: MATLAB PID Tuner và PLC Autotuning functions Adjusted to dynamic processes.

4. Những ứng dụng trong thế giới thật

Nhà máy kiểm soát Shell' S cascade loop giữ cột chưng cất bên trong các thanh + -0.1, ngăn ngừa rò rỉ hydrocarbon.

Quản lý mực nước thải Veolia sử dụng cảm biến PID tiên đoán và siêu âm để điều chỉnh dòng hồ chứa trong nhu cầu cao điểm.

Điều khiển nhiệt độ dược phẩm Pfizer của lò phản ứng sinh học sử dụng PID với bồi thường nuôi tiến cho ủ vắc-xin (+ / -0.5degC độ chính xác).

5. Những kỹ thuật tiên tiến

Vòng lặp xếp tầng: một vòng điều khiển áp suất và nhiệt độ thứ cấp lồng vào một vòng điều khiển áp suất ban đầu.

Các hệ thống điều khiển vi xử lý PID kỹ thuật số (ví dụ: Siemens PLCs), thực hiện các thuật toán có chương trình độ lợi thích nghi.

Tích hợp AI: Automation& Rockwell#39; Mô hình học máy S điều chỉnh động độ lợi PID để thay đổi tải trọng.

6. Những cạm bẫy phổ biến và những giải pháp

Bắn quá mức: tăng thời gian phái sinh hoặc giảm độ lợi P.

Thiết lập chậm: tăng P hoặc giảm thời gian tích phân.

Khuếch đại nhiễu: Sử dụng các bộ lọc trung bình động trên các biến để tính toán dẫn xuất trước khi tính toán chúng.

Bộ điều khiển PID là nền tảng của tự động hóa công nghiệp hiện đại. Nó biến đổi các thông số bay hơi như áp suất, nhiệt độ, hoặc mức độ thành các quá trình hiệu quả, ổn định. Sự tinh thông của việc điều chỉnh các nguyên tắc phối hợp -- kết hợp với các phép tích hợp trí tuệ nhân tạo mới -- mở ra độ chính xác chưa từng có. Các kỹ sư được khuyến khích sử dụng các công cụ mô phỏng như một cách không rủi ro để thử nghiệm với các thông số và đảm bảo rằng họ có thể chịu được sự gián đoạn thực tế.