Sıcaklık Kontrolü için PID döngülerini ayarlama kılavuzu

I. I. Giriş: Sıcaklık kontrolünde PID ayarı

Proses Kontrol Mühendisliği, güvenli ve verimli bir şekilde çalışmalarını sağladığı için günümüzde endüstriyel sistemlerin önemli bir bileşenidir. En yaygın kontrol stratejileri arasında Oransal-İntegral-Türev (PID) kontrolörü bulunur. PID kontrolörlerinin dinamik süreçleri yönetmedeki etkinliği geniş çapta kabul görmüştür. PID kontrolörleri birçok farklı alanda kullanılabilse de, bu cihazların sıcaklık kontrolü için uygulanması benzersiz fırsatlar ve zorluklar sunar. Kimyasal üretim, malzeme işleme, çevre odaları, ısıtma, havalandırma ve iklimlendirme sistemleri gibi birçok uygulamada, hassas ve sabit sıcaklıkların korunması esastır. İstenen performansı elde etmek için PID döngüsü uygun şekilde ayarlanmalıdır - hızlı yanıt, minimum aşma ve ayar noktasının sıkı kontrolü. Düzgün ayarlanmamış bir sıcaklık kontrol sistemi kararsızlık, düşük doğruluk ve yavaş davranış gösterebilir. Bu, verimliliğin azalmasına, ürün kalitesinin düşmesine ve güvenlik risklerine yol açabilir. Bu makalenin amacı, sıcaklığı kontrol etmek için özel olarak tasarlanmış PID devrelerinin ayarlanması için bir kılavuz sunmaktır. Yerleşik proses mühendisliği ilkelerinden yararlanır.

II. PID Sistemlerinin Temelleri ve Sıcaklık Kontrolü

PID kontrolörü, Ayar Noktası (SP), istenen ayar noktası ve sensör tarafından ölçülen Proses Değişkeni arasındaki fark olan bir hata değeri hesaplar. Kontrolör daha sonra aşağıdaki üç terime dayalı olarak bir düzeltme yapar:

Orantılı: Denetleyici çıkışı hata ile orantılıdır. Hata daha büyükse çıktı daha fazla değişecektir. Orantılı yaklaşım, hatayı azaltmaya yardımcı olur, ancak sabit durumda bir ofset bırakır.

İntegral: Kontrolörün çıktısı, zaman içindeki kümülatif toplama göre düzeltilir. Kararlı durum ofseti, çıktıyı sürekli olarak sıfıra düzelten bu terim tarafından elimine edilir.

Türetilmiş (D): Denetleyici çıkışı, hata oranı değişiminden etkilenir. Kontrolör, mevcut eğilimlere dayalı olarak gelecekteki hataları tahmin eder, bu da kararlılığı artırmaya ve salınımları azaltmaya yardımcı olur, böylece yanıtı hızlandırır.

Termistör, RTD veya termokupl (örnek olarak) gibi bir sensör, döngünün (PV) sıcaklığını ölçer. PID kontrolörü bu ölçümü ayar noktası sıcaklığı (SP) ile karşılaştırır. Bu kontrolör, hesaplanan hataya dayalı olarak bir sinyal üretir. Çıkış sinyali genellikle bir aktüatörü sürmek için kullanılır. Bu bir ısıtıcı, soğutma bobini, bir soğutucuyu kontrol eden bir valf olabilir.#39; s akışı veya SP'yi PV'ye yaklaştırmak için sistemdeki termal koşulları değiştirebilen başka herhangi bir cihaz.

Sıcaklık sensörü, kontrolör (genellikle Programlanabilir Mantık Denetleyicisinin veya Dağıtılmış Kontrol Sistemlerinin (DCS) bir parçası), aktüatör ve kontrol süreci (örneğin reaktör veya fırınQiang) bu döngünün temel bileşenleridir. Etkili ayarlama, her bir bileşen arasındaki etkileşimlerin anlaşılmasını gerektirir. Ayarlama stratejileri, farklı derecelerde hassasiyet ve hız gerektiren farklı sıcaklık kontrol uygulamalarından etkilenir.

III. Optimum sıcaklık kontrolü için ayarlamanın önemi nedir?

Bir PID sistemi, en iyi şekilde çalışması ve bir sıcaklık kontrol sisteminin amaçlanan ihtiyaçlarını karşılaması için doğru şekilde ayarlanmalıdır. Kötü ayarlanmış PID döngüleri çeşitli olumsuz davranışlar sergileyebilir. Aşma, sistemin sıcaklığının stabilize olmadan önce ayar noktasını aşmasıdır. Bu, hassas malzemelere zarar verebilir ve güvenlik endişelerine neden olabilir. Kararsızlık, ayar noktası etrafında dalgalanan bir sıcaklık olarak ortaya çıkar. Bu, sistemi kontrol etmeyi zorlaştırır ve öngörülemez hale getirir. Yavaş yanıt veya uzun yerleşme süreleri, sistemin bir değişiklikten sonra sıcaklık ayar noktasını korumak ve bu sıcaklığa ulaşmak için çok fazla zaman harcadığı anlamına gelir. Bu, verimliliğin ve verimin azalmasına yol açar. Kararlı durum hatası veya ofset, nihai ve ayar noktası sıcaklıkları arasındaki sıcaklık farkını ifade eder. Bu, integral teriminin iyi performans göstermediğini gösterir.

Döngünün ideal bir dengeye ulaşması için kazanımları ayarlamak PID'nin birincil amacıdır. Döngü, sistemdeki herhangi bir değişikliğe hızlı bir şekilde yanıt verebilmeli, çok az aşma veya salınım ile ayar noktasının yakınına yerleşebilmeli ve sensörlerde yük değişikliği gibi küçük hatalar olduğunda bile ayar noktasını doğru bir şekilde izleyebilmelidir. Ayarlama işlemi genellikle ihmal edilir ve bu da performansın düşmesine neden olur. Bu, önemli operasyonel ve ekonomik sonuçlara yol açabilir.

IV. PID kullanarak sıcaklık döngüleri için ortak ayarlama yöntemleri

PID denetleyicilerini ayarlamanın birçok yolu vardır. Bunlar basit ampirik yöntemlerden sofistike, modern yaklaşımlara kadar uzanır. Yöntemin seçimi, sistemlerin karmaşıklığı, mevcut araçlar ve mühendislerin uzmanlığı dahil olmak üzere birçok faktöre bağlıdır.

A. A.

On yıllardan beri, bu yöntemler süreç tepkilerinin ampirik gözlemine dayanıyordu.

Ziegler Nichols Yöntemi: Muhtemelen en popüler manuel ayarlama yöntemi. Bu yöntem, bir prosese dayalı olarak ilk PID kazancını belirlemenin sistematik bir yoludur.#39; frekansa tepkisi. Bu prosedür genellikle iki aşamadan oluşur:

Açık Döngü Yöntemi: Kontrolörün integral ve türev eylemleri devre dışı bırakılır (sıfıra ayarlanır). Kontrolör ve#39; S çıkışı adım adım değiştirilir (genellikle sistem kararlı duruma ulaştığında). Bu, sistemin salınımlar sergilemeden önce elde edebileceği maksimum kazancı temsil eden nihai kazancı (Ku) belirleyerek yapılır. Daha sonra, nihai periyot (Tu) veya salınımların süresi (periyot) belirlenir. Ziegler & Nichols, bu değerleri kullanarak yaklaşık PID kazancını (Kp) hesaplayabilen ampirik formüller sağlar. Örnek olarak, Kp 0.6* Ku olarak ayarlanabilir ve integral zaman Ti 0.5* Tu'ya eşittir. Bu kuralların, önemli ölü zamanlara sahip sıcaklık döngüleri için doğrudan uygulanabileceğine dikkat etmek önemlidir.

Adım-Yanıt Yöntemi: İkinci bir alternatif, süreçteki değişkene doğrudan bir adım değişikliği uygulamak (güvenli ve mümkünse) ve sistemin yanıtını gözlemlemektir. Adım eğrisi, süreç kazancı Kp, zaman sabiti T ve ölü zaman L. Ziegler ve Nichols formülleri gibi parametreleri tahmin etmek için kullanılır, bu tahminlerden ilk kazançları elde etmek için tekrar uygulanabilir. Bu yöntemi kullanmak için yanıtın dikkatli bir şekilde yorumlanması gerekir.

Ziegler-Nichols iyi bir başlangıç noktası. Bununla birlikte, ortaya çıkan kazanımlar genellikle deneme yanılma yoluyla veya kapalı döngü yanıtını izleyerek daha fazla iyileştirme gerektirir.

Kritik Nokta Yöntemi: Bu yöntemde sistemin salınımı durdurduğu ve kararlı hale geldiği yerdeki kazanç bulunarak kritik nokta belirlenir. Daha sonra PID parametrelerini hesaplamak için kullanılan formül uygulanabilir. Karmaşık sıcaklık kontrol sistemleri gibi gerçek hayattaki birçok uygulamada, Ziegler' s-Nichols.

B. B. Modern/Gelişmiş ayarlama yöntemleri:

Ayarlama teknikleri, kontrol teorisi ve bilgisayar gücü ile birlikte gelişmiştir.

Ayarlama Yazılımı: Modern Dağıtılmış Kontrol Sistemlerinin ve Programlanabilir Mantık Denetleyicilerinin çoğunda yerleşik otomatik ayar özellikleri bulunur. Açık döngüye benzer bir prosedür izlerler, ancak otomatiktirler. Bu araçlar prosese küçük sinyaller uygular, tepkisini ölçer, prosesin temel parametrelerini (kazanç ve ölü zaman gibi) hesaplar ve PID için uygun kazançları belirler. Özellikle manuel ayarlamaya daha az aşina olan operatörler için gereken ayarlama çabası ve süresi önemli ölçüde azaltılır.

Frekans tepkisi analizi: Yöntem, uygun PID kazancını hesaplamak için bir sistemin frekans tepkisi özelliklerinin (genellikle Bode grafikleri ve Nyquist grafikleri kullanılarak) analiz edilmesinden oluşur. Bu yöntem, kontrol teorisi hakkında daha ileri düzeyde bilgi gerektirir, ancak sistem dinamiğinin daha iyi anlaşılmasını sağlayabilir.

Bir modele dayalı ayarlama: Yaklaşım, sıcaklık kontrolü için sürecin matematiksel bir temsilini geliştirmeyi içerir. Doğrusal Parametre Değiştirme veya Doğrusal Olmayan Model Tahmine Dayalı Kontrol gibi teknikleri kullanabilirsiniz. Bir modele dayalı olarak en uygun PID kazancını hesaplamak için gelişmiş yazılım kullanılabilir.#39; s performansı ve diğer kriterler. Model tabanlı ayarlama yöntemi doğrudur, ancak aynı zamanda karmaşık olabilir ve geliştirilmesi çok çaba gerektirebilir.

Optimizasyona Dayalı Ayarlama: Optimizasyona dayalı ayarlama yöntemi, aşma ve yerleşme sürelerini en aza indirmek veya integral mutlak hataları en aza indirmek gibi bir performans kriterleri listesinin oluşturulmasını ve ardından bu kriterleri en iyi karşılayan PID'lerdeki kazançları belirlemek için algoritmaların kullanılmasını içeren bir tekniktir. Simülasyon modelleri kullanılarak çevrimdışı olarak veya gerçek zamanlı geri bildirime dayalı kazanç ayarlamaları yapılarak çevrimiçi olarak yapılabilir.

İki yöntem arasındaki karar, sistemin karmaşıklığına, mevcut ayar araçlarına ve gerekli performans seviyesine bağlıdır. Yazılım tabanlı otomatik ayarlama veya Ziegler Nichols ilkelerine dayalı manuel ince ayar, birçok sıcaklık kontrol standardı uygulaması için genellikle en iyi seçenektir.

Hangi yöntem seçilirse seçilsin, etkili PID ayarı sistematik bir yaklaşım izler. Hazırlık ve dikkatli gözlem şarttır.

A. Hazırlık:

Bir PID'yi ayarlamadan önce istenen performansı tanımlamak ve anlamak önemlidir. Prosesin zaman sabitlerini (kontrolöre yanıt olarak sıcaklığın ne kadar hızlı değiştiğini), kontrolör ile sıcaklık değişimi arasındaki ölü süreyi ve sistemin nihai özelliklerini belirlemek önemlidir. Performans kriterlerini tanımlayın: Sistemin ayar noktasındaki değişikliklere ne kadar hızlı yanıt vermesi gerektiği (yerleşme süresi), kabul edilebilir aşma seviyesi nedir ve kararlı durum hatası ne kadar büyük? Ayarlama sürecini değerlendirmek ve yönlendirmek önemlidir. Bu aşama aynı zamanda mevcut araçlara ve uzman bilgisine dayalı olarak en iyi akort tekniğinin seçilmesini de içerir.

B. B.

Ayarlama, sistemin yanıtını izlerken P, D ve I kazanımlarını yinelemeli olarak ayarlamayı içerir.

İlk kazanç seçimi: Ayarlama stratejilerinin çoğu küçük bir orantılı kazançla başlar. Yanıtını izlemenize izin vermek için sistemin kararlı olması önemlidir. Sisteme neden olacak bir kazancın seçilmesi önemlidir.#39; tepkisi önemli olmalı, ancak kararsız hale getirecek veya hafif bir rahatsızlık meydana geldiğinde aşırı salınım yapacak kadar yüksek olmamalı. Bu ilk aşama, otomatik ayarlama kullanıyorsanız yazılım tarafından gerçekleştirilecektir.

Yalnızca orantılı kazançları (P) ayarlayın. İntegral ve türev kazançlarını sıfıra veya otomatik ayarlama kullanılıyorsa varsayılan değerlerine ayarlayın. Orantılı kazancı artışlarla artırın. Sistemin ayar noktasındaki herhangi bir değişikliğe verdiği yanıtı izleyin. Önemli salınımlar oluşturmadan yeterli bir tepki süresi sağlayan bir kazanç seçmek önemlidir. Not: kararlı durum ofseti (hata) gösterilir. İlk kazanç P, bir çıkış noktası olarak hizmet eder.

İntegral eylem (I): İntegral kazancı kademeli olarak artırarak integral eylemi (I) dahil edin. İntegral terim' Öncelikli hedefi kararlı durum hatalarını ortadan kaldırmaktır. İntegral kazancı çok hızlı bir şekilde arttırılırsa integral sargısı meydana gelebilir. Denetleyici hatayı çok uzun bir süre boyunca entegre edecektir, bu da hata düzeltilmeden önce denetleyicinin çıkışının sınırına (maksimum veya minimum) ulaşmasına neden olabilir. İntegral kazancını azaltın. Çıktı doygun hale gelirse veya kararsız hale gelirse, integral süresini artırın. Birçok modern kontrolör, entegre sargıyı önleyen veya azaltan özelliklere sahiptir. Sistemin nasıl oturduğunu izleyin. Minimum sapma ve kabul edilebilir bir stabilite hedefleyin.

Türev Eylemi (D): Türev kazancını dikkatli bir şekilde ayarlayarak türev eylemini (veya türev zamanlamasını, Td) dahil edin. Bu türev terim, değişim oranına bağlı olarak gelecekteki hataları tahmin etmeye yardımcı olabilir. Ayrıca salınımları sönümleyerek tepki süresinin iyileştirilmesine yardımcı olur. Türev terimi, sıcaklık sensörlerinden gelen gürültüyü artırabilir ve bu da kontrolörün çıkışının dalgalanmasına neden olabilir. Modern kontrolörler genellikle türev terimlerin girişini yumuşatan ve böylece gürültüyü azaltan türev filtreleri içerir. Düşük bir türev kazancı veya büyük bir türev süresi ile başlayın ve etkilerini görün. Salınımlar meydana gelirse, yavaşça artırın. Gürültüye veya dengesizliğe neden olmamaya dikkat edin.

Son ayar: İstikrarlı bir temel yanıt elde ettikten sonra, P, I ve D'deki kazanımları yinelemeye devam edin. Genellikle, küçük ayarlamalar performansı artıracaktır. Örneğin, P'yi artırmak tepki süresini hızlandırabilir, ancak aynı zamanda aşmayı da artırabilir. Ayarlama yaparken, işleri yavaşlatırken ofseti ortadan kaldırırdım. Performans ve maliyet arasında doğru dengeyi sağlamak önemlidir. Varsa, kazançları daha da hassaslaştırmak için Bode grafikleri ve Kök Yer Diyagramları (daha sofistike) gibi grafik araçları veya çarpma testleri (ayara küçük bozukluklar eklemek veya kasıtlı, küçük değişiklikler yapmak) gibi daha basit yöntemler kullanın. Ayarlama, devam eden bir ayarlama ve gözlem döngüsüdür.

C. C. İzleme ve Ayarlama

Döngü PID'sinin performansı, ilk ayarlamadan sonra farklı koşullar altında kontrol edilmelidir. Sıcaklık veya talepteki değişiklikler gibi yükteki değişikliklere sistemin tepkisi nedir? Sensör gürültüsüne ve küçük dalgalanmalara tepkisi nedir? Farklı çalışma durumlarında sağlam performans sağlamak için genellikle ince ayar yapılması gerekir. Model Kestirimci Kontrol teknikleri (MPC), kesintileri hesaba katabilen, performansı optimize edebilen ve daha uzun bir tahmin süresi sağlayabilen gelişmiş yöntemlerdir. Karmaşık sıcaklık döngülerine başka bir karmaşıklık düzeyi eklerler.

D. Güvenlik her zaman önce gelmelidir. Tehlikeli salınımları, süreçlere zarar verebilecek aşmaları ve ekipman üzerinde strese neden olan aktüatör doygunluklarını önlemek için kazançları ayarlayın. Güvenlik prosedürlerini ve acil kapatma protokollerini takip edin.

E. Uygulama: Simülasyonlar veya çevrimdışı testler yoluyla tatmin edici kazanımları belirledikten sonra (mümkünse), bunları gerçek zamanlı olarak kontrol sistemine dahil edin. İlk çalışma sırasında döngüyü yakından izleyin ve gerekli ayarlamaları yapın.

VI. Sıcaklık Kontrol Sistemleri: Özel hususlar

Sıcaklık kontrol sistemi, cihazın ayarını etkileyebilecek ve özel hususlar gerektiren benzersiz bir zorluk ortaya çıkarabilir.

Zaman gecikmeleri: Sensör tepkilerinde, aktüatörlerin prosesler üzerindeki etkilerinde veya bir sistem içinde ısı transferinde gecikmeler olabilir. Ziegler ve Nichols formülleri, özellikle ölü zamanı olan sistemler için ampirik ayarlama gerektirebilir. Ölü zaman genellikle en iyi yazılım ayarlama araçlarıyla ele alınır.

Doğrusal olmama: Kontrolör çıkışları (örn. ısıtıcı gücü) ve sıcaklık değişiklikleri arasında nadiren mükemmel bir doğrusal ilişki vardır. Sıcaklıklar düşük veya yüksek olduğunda sistemin farklı tepki vermesi mümkündür. Yüksek derecede doğrusal olmayan sistemler için, gelişmiş ayarlama yöntemleri ve parçalı doğrusallaştırma gerekebilir.