PID Control for Temperature: Principles, Implementation & Tuning (bằng tiếng Anh)

Hiểu rồi.Điều khiển nhiệt độ PID. Học cách PID hoạt động, điều chỉnh và cài đặt nó và cách để khắc phục sự cố. Bao gồm các ví dụ và các tài nguyên khác.

1. Hiểu biết điều khiển PID cho nhiệt độ

Bộ điều khiển PID là một sự cải tiến quan trọng so với các chiến lược điều khiển đơn giản. Một bộ điều khiển PID tính toán sai số như là sự khác biệt của một biến quá trình được đo (ở đây, nhiệt độ) từ một điểm đặt. Bộ điều khiển PID điều chỉnh quá trình đầu vào (như công suất cho thiết bị sưởi hoặc làm mát) theo ba thuật ngữ khác nhau.

Tác dụng tỷ lệ (P) : Thành phần này đáp ứng với độ lớn sai số. Tác động P sẽ làm tăng tín hiệu đầu ra nếu nhiệt độ thấp hơn điểm presetpoint. Các hành động khắc phục là lớn cho một lỗi lớn, nhưng lỗi nhỏ dẫn đến các điều chỉnh nhỏ hơn. Độ lợi tỷ lệ Kp xác định độ nhạy của một hành động như vậy. Mặc dù điều khiển P nhanh chóng đáp ứng, nó có thể để lại một lỗi còn lại được gọi là offset nếu các thành phần khác không được sử dụng.

Hành động tích phân (I) : Phần giải quyết các giới hạn của kiểm soát P bằng cách tính đến lỗi tích lũy theo thời gian. Tích phân tóm tắt các lỗi quá khứ liên tục và có hành động sửa chữa để loại bỏ offset còn lại gây ra bởi tỷ lệ. Hành động I làm tăng sản lượng dần dần nếu nhiệt độ luôn thấp hơn điểm presetpoint. Thời gian tích phân (Ti) xác định tỷ lệ của hành động tích phân này. Mặc dù điều khiển I có hiệu quả trong việc loại bỏ các offset, ban đầu nó có thể chậm phản ứng.

Dẫn xuất (D) Hành động: Thành phần dự đoán các lỗi trong tương lai bằng cách phản ứng trên tốc độ mà tín hiệu lỗi thay đổi. Tác động của D sẽ áp dụng một lực phanh vào tiếp cận nếu nhiệt độ tăng nhanh. Điều này ngăn cản nó vượt quá điểm đặt. Nếu nhiệt độ giảm quá nhanh, tác động của D sẽ cung cấp một sự gia tăng nhỏ để bù lại sự sụt giảm. Hằng số thời gian dẫn xuất Td kiểm soát độ nhạy của hệ thống đối với những thay đổi tỷ lệ. Điều khiển D giúp ổn định hệ thống và giảm sự phóng đại. Nó cũng cải thiện thời gian đáp ứng.

Để kiểm soát nhiệt độ hiệu quả, điều quan trọng là phải cân bằng chính xác ba hành động này. Các kỹ sư có thể điều chỉnh các thông số như Kp, Ti và Td để tối ưu hóa hiệu suất, bất kể bộ điều khiển PID là một thiết bị độc lập, một phần tích hợp của bộ điều khiển Logic có thể lập trình hoặc phần mềm PC. Các nguồn như bài viết của Control Engineering về các nguyên tắc cơ bản PID có thể cung cấp hỗ trợ lý thuyết vững chắc.

2. Lên kế hoạch cho hệ thống kiểm soát nhiệt độ của bạn

Việc thực hiện một hệ thống bắt đầu rất tốt trước khi bất kỳ dây dẫn nào được kết nối.

Chọn một bộ điều khiển phù hợp tìm một bộ điều khiển cho ứng dụng của bạn. Hãy tính đến các yếu tố như:

Các loại đầu vào/đầu ra: nó có thể nhận được tín hiệu cảm biến nhiệt độ (ví dụ như Thermocouple Type K, RTD Pt100)? Nó có thể cung cấp cho bạn kết quả chính xác cho phần tử điều khiển cuối cùng của bạn không?

Thuật toán điều khiển: Có phải thuật toán điều khiển cung cấp các tính năng tiên tiến, như các tùy chọn chống windup hoặc bộ lọc, và giao thức truyền thông, như Modbus?

Trưng bày & Giao diện: Bạn cần theo dõi và cấu hình mức độ nào?

Cân nhắc về an toàn: xác định bất kỳ yêu cầu an toàn nào chẳng hạn như báo động nhiệt độ cao/thấp hoặc điểm tắt khẩn cấp và đảm bảo rằng hệ thống điều khiển có thể thực thi chúng.

Thu thập tài liệu truy cập các hướng dẫn của bộ điều khiển, dữ liệu dữ liệu của cảm biến và tài liệu thiết bị truyền động. Thông tin này rất quan trọng để thực hiện thành công.

3. Thực hiện hệ thống điều khiển PID

Bước này liên quan đến việc kết nối tất cả các bộ phận theo thiết kế của chúng.

Kết nối phần cứng:

Kết nối cảm biến nhiệt độ: Gắn cảm biến lựa chọn của bạn (RTD hoặc Thermocouple), vào các thiết bị đầu vào được chỉ định trên bộ điều khiển PID. Sơ đồ dây trong hướng dẫn của bộ điều khiển nên được theo sau chữ cái.

Kết nối một thiết bị truyền động: nối đến các phần tử điều khiển cuối cùng, chẳng hạn như một rơle, SSR hoặc các thiết bị tương tự khác. Kết nối đầu ra của bộ điều khiển. Kiểm tra xem dữ liệu của bộ truyền động và bộ điều khiển khớp với nhau chưa. Đảm bảo dây chính xác của kết nối tải (không/vị trí NC, ví dụ) là quan trọng đối với RLS và SSRs.

Công suất kết nối: Tham khảo hướng dẫn một lần nữa để chỉ dẫn cách kết nối nguồn công suất cần thiết (thường là AC orDC) tại các đầu cuối đầu vào của bộ điều khiển. Tất cả các kết nối phải được cách nhiệt và bảo mật. Hệ thống dây điện an toàn là điều tối quan trọng.

Sơ đồ dây: Nhấn mạnh tầm quan trọng của sơ đồ nhà sản xuất tư vấn để đảm bảo độ chính xác và an toàn.

4. Điều khiển nhiệt độ PID

Cấu hình chuyển đổi phần cứng thô thành một hệ thống điều khiển hoạt động. Nó đòi hỏi phải chỉnh sửa cẩn thận các thông số.

Cấu hình bộ điều khiển: Nhập chế độ lập trình bằng cách sử dụng bàn phím hoặc các nút trên bộ điều khiển của bạn hoặc thông qua phần mềm giao diện PC-.

Thiết lập điểm đặt: Hãy xác định nhiệt độ bạn muốn hệ thống đạt đến.

Thiết lập kiểu đầu vào: Chọn loại đầu vào bạn muốn (ví dụ: RTD, TC, loại K điện áp), và nếu cần thiết, bất kỳ thanh toán bù đắp hoặc bồi thường kết nối lạnh.

Thiết lập kiểu đầu ra: chọn loại đầu ra (ví dụ: Relay hoặc PWM), và đảm bảo nó tương thích với thiết bị truyền động. Nếu cần thiết, hãy thiết lập phạm vi kiểm soát.

Thiết lập các thông số PID ban đầu: Thường là bước phức tạp và quan trọng nhất. Thông số ban đầu thường được điều chỉnh (" Tuning") Hầu hết các bộ điều khiển đều có một tính năng điều chỉnh tự động. Điều này thực hiện các bài kiểm tra (ví dụ: một thay đổi của điểm đặt trong một bước nhỏ) và tính toán các giá trị P, I, D thích hợp. Tham khảo các phương pháp điều chỉnh thủ công đã được thiết lập nếu cần thiết. Bạn có thể tìm thấy những thông tin giá trị trong các nguồn tài nguyên như điều chỉnh chiến lược cho PID và điều khiển hướng dẫn điều khiển. Bắt đầu với các giá trị bảo thủ, và sau đó điều chỉnh dần dần khi bạn giám sát phản ứng của quy trình của bạn. Các thông số chính là:

Độ lợi tỷ lệ (Kp). Kiểm soát phản ứng với sai số. Một giá trị quá cao có thể gây ra dao động, trong khi một giá trị dưới mức này sẽ dẫn đến một phản ứng chậm và một offset.

Thời gian phân tích (Ti). Xác định tốc độ sửa lỗi. Một thời gian quá ngắn có thể gây ra sự không ổn định; Một thời gian quá dài có thể dẫn đến bù đắp.

Dẫn xuất hằng số thời gian Td: điều chỉnh dự đoán bằng cách phân tích tốc độ thay đổi lỗi. Một hệ thống điều chỉnh kém có thể gây ra tiếng ồn và bất ổn.

Thiết lập các báo động: Cấu hình các báo động giới hạn nhiệt độ cao/thấp cho hành động thông báo hoặc an toàn.

Bộ lọc đầu ra và làm giảm độ ẩm: Những tính năng này có thể được sử dụng để giảm dao động và tiếng ồn cảm biến.

Cấu hình Save để chắc chắn các cài đặt được lưu trong bộ nhớ của bộ điều khiển theo hướng dẫn.

5. Kiểm tra và xác minh nhiệt độ

Điều quan trọng là phải kiểm tra kỹ lưỡng các cấu hình và kết nối vật lý để đảm bảo hiệu suất chính xác và xác nhận hoạt động.

Kiểm tra ban đầu: Kiểm tra tất cả các kết nối và thiết lập, bao gồm điện, dây và thiết lập ban đầu.

Đáp ứng vòng kín: sửa đổi điểm đặt (SP) của hệ thống và quan sát hành vi của nó. Kiểm tra xem:

Thời gian phản ứng: Khi nào nhiệt độ thay đổi bắt đầu?

Độ chính xác: Có đạt đến nhiệt độ và duy trì điểm đặt không?

Nhiệt độ có cao hơn điểm đặt không?

Sự ổn định — Nó ổn định hay dao động?

Xác định sai số trạng thái (Offset). Nhiệt độ có ở mức cao hơn hoặc thấp hơn điểm đặt một chút khi sai số trạng thái ổn định được áp dụng?

Đáp ứng thiết bị chấp hành: Xem thiết bị chấp hành để đảm bảo nó phản ứng chính xác để kiểm soát tín hiệu (rơle nhấp, XÔ viết thay đổi sức mạnh, thay đổi tốc độ của quạt).

Ghi dữ liệu: cho phép ghi dữ liệu nếu bộ điều khiển cho phép nó theo dõi nhiệt độ và kết quả ra theo thời gian. Điều này sẽ cho phép phân tích sâu.

PID Tuning Parameters: Đánh giá lại các thông số điều chỉnh dựa trên hiệu suất ban đầu. Có lẽ bạn cần phải điều chỉnh nhiều lần để đạt kết quả tốt nhất. Nếu có, hãy dùng biểu đồ, máy tính hoặc phần mềm mô phỏng.

Gây sự cố cho các vấn đề thường gặp ở các nhiệt độ khác nhau

Ngay cả khi sắp xếp và điều chỉnh kỹ lưỡng, vấn đề vẫn có thể nảy sinh. Dưới đây là một số vấn đề phổ biến nhất và các giải pháp có thể trong việc kiểm soát nhiệt độ.

Dao động về nhiệt độ/phóng đại:

Gây ra hành động tỷ lệ hoặc phái sinh quá mạnh (quá lớn Kp hoặc Td), không đủ lọc hoặc ổn định quá trình.

Dung dịch giảm Kp hoặc Ti, hoặc giảm Td. Xác minh các thiết lập bộ lọc đầu ra. Kiểm tra xem quy trình isN' T là nguồn của bất kỳ biến động nào.

Lỗi trạng thái ổn định (Offset), phản ứng chậm:

Nguyên nhân hành động tích phân không đầy đủ (Ti là quá lớn) và/hoặc quá bảo thủ tỷ lệ lợi (Kp là quá thấp). Các thiết lập bộ lọc có thể được thiết lập quá mạnh mẽ.

Giải pháp hoặc tăng độ lợi tỷ lệ (tăng Kp) hoặc giảm hành động tích phân. Kiểm tra xem thời gian tích phân tương ứng với thời gian đáp ứng của hệ thống.

Cảm biến đọc lỗi:

Gây ra dây dẫn kém (kết nối bị hỏng hoặc bị hỏng, tiếng ồn từ nhiễu điện, vv), định chuẩn cảm biến và bồi thường kết nối lạnh không chính xác.

Độ phân giải: Kiểm tra cấu hình cảm biến trên bộ điều khiển. Xác minh các kết nối và hệ thống dây điện từ cảm biến. Điều chỉnh lại cảm biến, hoặc Controller' s tham khảo cho giao nhau lạnh. Các nhiệt kế được hiệu chỉnh riêng có thể được sử dụng.

6. Bộ chấp hành không trả lời đúng.

Gây ra dây truyền động không đúng cách, hỏng thiết bị truyền động, tín hiệu đầu ra không tương thích từ bộ điều khiển, rơle khiếm khuyết/XÔ viết.

Giải pháp: tham khảo datasheet của actuator. Kiểm tra xem dây có phù hợp với thông số kỹ thuật không. Hãy kiểm tra đầu ra của bộ điều khiển có khớp với yêu cầu tín hiệu đầu vào đối với bộ truyền động không. Nếu có thể, hãy tự mình kiểm tra bộ truyền động.

Các vấn đề ổn định (dao động).

Gây ra hành động tỷ lệ hoặc dẫn xuất quá tích cực (quá lớn Kp hoặc Td), Windup tích phân (tích hợp).

Giải pháp làm tăng Ti hoặc giảm Kp. Giảm Td. Nếu có, thực hiện hoặc kiểm tra hàm Anti-Windup. Nếu cần thiết, hãy giảm phạm vi đầu ra của bộ điều khiển.

Hãy tra cứu hướng dẫn của bộ điều khiển PID trước khi bắt đầu gây sự. Control.com và các diễn đàn trực tuyến khác có thể là nguồn tài nguyên tuyệt vời để chia sẻ trải nghiệm.