ตัวควบคุม PID ทำงานอย่างไร? อธิบายสัดส่วน อินทิกรัล และอนุพันธ์

หากห้องเย็นลอยอยู่เหนือจุดที่ตั้งไว้ 2 K จากนั้นอยู่ต่ำกว่า 3 K และวนซ้ำทุกๆ สองสามนาที ตัวควบคุมจะถูกตำหนิก่อนที่เซ็นเซอร์ วาล์ว หรือการจราจรที่ประตูจะเกิดขึ้น ฮาร์ดแวร์ส่วนใหญ่ใช้งานได้ดีและการตั้งค่าลูปกลับไม่ได้ผล

คำตอบสั้นๆ เกี่ยวกับวิธีการทำงานของตัวควบคุม PID: วัดตัวแปรกระบวนการ เปรียบเทียบกับค่าที่ตั้งไว้ และขับเคลื่อนแอคทูเอเตอร์ด้วยการแก้ไขที่สร้างขึ้นจากสามเทอม คำสัดส่วนตอบข้อผิดพลาดที่มีอยู่ในขณะนี้ คำสำคัญตอบข้อผิดพลาดที่สะสมอยู่ตลอดเวลา คำที่เป็นอนุพันธ์จะตอบว่าข้อผิดพลาดมีการเปลี่ยนแปลงเร็วแค่ไหน เมื่อรวมเข้าด้วยกัน พวกมันจะสร้างเอาท์พุตที่เปิดวาล์ว เปลี่ยนความเร็วพัดลม หรือลดความจุของคอมเพรสเซอร์

แนวคิดหลัก: วัดผล เปรียบเทียบ แก้ไข

PID แต่ละลูปมีสี่ส่วน: เซ็นเซอร์รายงานตัวแปรกระบวนการ ตัวควบคุมที่ถือค่าเซ็ตพอยต์และการคำนวณ แอคชูเอเตอร์ที่สามารถเปลี่ยนกระบวนการ และตัวกระบวนการเอง เซ็นเซอร์จะป้อนตัวควบคุม ตัวควบคุมจะเคลื่อนแอคชูเอเตอร์ และแอคทูเอเตอร์จะเปลี่ยนสิ่งที่เซ็นเซอร์อ่าน วงกลมนั้นเป็นวงปิด

ตัวควบคุมจะทำซ้ำการคำนวณหนึ่งครั้งในช่วงเวลาที่กำหนด ซึ่งก็คือเวลาตัวอย่าง โดยจะลบค่าที่วัดได้จากค่าที่ตั้งไว้และเรียกค่าความแตกต่างว่าเกิดข้อผิดพลาด ในแอปพลิเคชันการทำความเย็น ค่าที่วัดได้เหนือค่าที่ตั้งไว้จะให้ข้อผิดพลาดเชิงบวกและการทำความเย็นที่มากขึ้น กำหนดค่าลูปผิดวิธีและจะกลายเป็นการแสดงย้อนกลับเมื่อควรแสดงโดยตรง มันจะวิ่งหนีแทนที่จะตกลงไป และไม่มีการปรับแต่งใดๆ ที่จะแก้ไขได้

เอาต์พุตตรงกับสิ่งที่แอคชูเอเตอร์คาดหวัง: 0 ถึง 10 V สำหรับมอดูเลตวาล์ว, 4 ถึง 20 mA สำหรับตัวกำหนดตำแหน่ง, หน้าสัมผัสรีเลย์สำหรับคอมเพรสเซอร์ หรือการมอดูเลตความกว้างพัลส์สำหรับฮีตเตอร์ เอาต์พุตรีเลย์จะเปลี่ยนการคำนวณ PID ​​ให้เป็นการตัดสินใจตามเกณฑ์ ดังนั้นความละเอียดของลูปจึงขึ้นอยู่กับความถี่ที่ผู้ติดต่อได้รับอนุญาตให้สลับ

เงื่อนไขทั้งสามข้อนี้ทำอะไรได้จริง

แต่ละเทอมมีงาน และแต่ละเทอมสามารถปิดได้โดยการตั้งค่าเกนให้เป็นศูนย์ ลูปการทำงานจำนวนมากทำงานเป็นตัวควบคุม PI เนื่องจากการกระทำที่เป็นอนุพันธ์จะเพิ่มกระบวนการอุณหภูมิที่ช้าเพียงเล็กน้อย

ระยะเวลาตามสัดส่วน

คำตามสัดส่วนจะคูณค่าคลาดเคลื่อนปัจจุบันด้วยค่าเกน ด้วยอัตราขยาย 2 และข้อผิดพลาด 3 K เอาต์พุตจะเคลื่อนที่ 6 หน่วย อัตราขยายที่มากขึ้นหมายถึงการแก้ไขที่เร็วขึ้น แต่เมื่อผ่านจุดหนึ่งไปแล้ว ลูปจะสั่น เนื่องจากตัวควบคุมตอบสนองต่อการวัดที่กระบวนการยังตอบไม่เสร็จ ตัวควบคุมแบบสัดส่วนเท่านั้นไม่ค่อยจะลงสู่จุดที่ตั้งไว้เป๊ะๆ โดยจะตัดสินว่าข้อผิดพลาดที่เหลืออยู่นั้นใหญ่พอที่จะรักษาเอาต์พุตที่กระบวนการต้องการได้อย่างไร และส่วนที่เหลือจะเป็นออฟเซ็ตในสถานะคงตัว

ระยะอินทิกรัล

คำสำคัญจะสะสมข้อผิดพลาดเมื่อเวลาผ่านไปและเพิ่มการแก้ไขต่อไปในขณะที่ข้อผิดพลาดยังคงมีอยู่ โดยปกติจะแสดงเป็นจำนวนครั้งต่อนาทีหรือวินาทีต่อการทำซ้ำ โดยจะลบออฟเซ็ตออก ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมลูป PI จึงสามารถรักษาอุณหภูมิน้ำเย็นได้ตรงจุดที่คุณต้องการ ราคาล่าช้า: การดำเนินการแบบรวมขึ้นอยู่กับประวัติ ดังนั้นจึงจะผลักดันต่อไปหลังจากข้อผิดพลาดหายไป และทำให้เกิดการแกว่งที่ช้าซึ่งใช้เวลานานกว่าการแกว่งตามสัดส่วนมาก มันยังลมขึ้น หากวาล์วเปิดจนสุดแล้ว คำนี้จะสะสมการแก้ไขที่ไม่สามารถส่งมอบได้ต่อไป และการวนซ้ำจะเกินขนาดอย่างเลวร้ายเมื่อข้อผิดพลาดกลับคืนในที่สุด

เงื่อนไขอนุพันธ์

คำที่เป็นอนุพันธ์ตอบสนองต่ออัตราการเปลี่ยนแปลงของข้อผิดพลาดและต่อต้านการเคลื่อนไหว ซึ่งทำให้ลูปลดลงและช่วยให้ได้รับสัดส่วนที่สูงกว่า นอกจากนี้ยังขยายสัญญาณรบกวนของเซ็นเซอร์ด้วย เนื่องจากการอ่านค่าที่มีสัญญาณรบกวนเล็กน้อยในช่วงเวลาตัวอย่างสั้นๆ ดูเหมือนจะมีการเปลี่ยนแปลงในอัตรามหาศาล ในทางปฏิบัติ การดำเนินการอนุพันธ์จะถูกกรอง คำนวณจากการวัดมากกว่าข้อผิดพลาด หรือปล่อยทิ้งไว้ที่ศูนย์

ตัวอย่างการทำความเย็น: การควบคุมความร้อนยวดยิ่ง

นำวาล์วขยายตัวแบบอิเล็กทรอนิกส์ไปใช้กับเครื่องทำความเย็น ตัวแปรควบคุมคือความร้อนยวดยิ่งที่ทางออกของคอยล์เย็น ค่าที่ตั้งไว้อาจเป็น 5 K และแอคทูเอเตอร์คือมอเตอร์วาล์วหรือโซลินอยด์ตามสัดส่วน เมื่อความร้อนยวดยิ่งสูงเกินค่าที่ตั้งไว้ วาล์วจะเปิดขึ้นเพื่อรับสารทำความเย็นมากขึ้น คำตามสัดส่วนจะเปิดตามสัดส่วนของข้อผิดพลาด คำสำคัญจะคอยดันเปิดจนกว่าความร้อนยวดยิ่งจะคงที่ และคำอนุพันธ์ที่ใช้ จะทำให้การเปิดช้าลงเมื่อความร้อนยิ่งยวดเริ่มลดลง ดังนั้นวาล์วจะไม่พุ่งเกินเข้าไปในของเหลวที่ไหลย้อน

โครงสร้างเดียวกันนี้ปรากฏทั่วโรงงานทำความเย็น แรงดันการควบแน่นมักถูกควบคุมโดยการปรับความเร็วพัดลมคอนเดนเซอร์ ซึ่งทำให้แรงดันควบแน่น ความสามารถของคอมเพรสเซอร์สามารถตัดออกได้โดยใช้ลูปที่แปลงข้อผิดพลาดของแรงดันในการดูดเป็นคำสั่งอินเวอร์เตอร์ ลูปอุณหภูมิห้องและผลิตภัณฑ์มีเวลาตายนาน และมักจะทำงานโดยไม่มีการดำเนินการอนุพันธ์

ตัวควบคุมความดันทำความเย็นพร้อมจอแสดงผลตัวชี้แบบกลไก ให้การตรวจสอบแรงดันสูงและต่ำด้วยการรีเซ็ตอัตโนมัติ ช่วยปกป้องคอมเพรสเซอร์ พัดลม และวาล์วระบายน้ำในระบบทำความเย็น ดูผลิตภัณฑ์ →

การปรับแต่งโดยไม่ต้องคาดเดา

เงื่อนไขมีการโต้ตอบกัน ดังนั้นการปรับจึงเป็นไปตามลำดับคงที่:

1. ใส่ลูปในแบบแมนนวลและยืนยันว่าแอคชูเอเตอร์เคลื่อนที่เต็มช่วงโดยไม่ติดขัด
2. ตั้งค่าอินทิกรัลและอนุพันธ์ให้เป็นศูนย์ จากนั้นเพิ่มเกนตามสัดส่วนจนกระทั่งการวัดแสดงการแกว่งเล็กน้อยต่อเนื่องกัน
3. ลดอัตราขยายตามสัดส่วนลงเหลือประมาณครึ่งหนึ่งของค่านั้น
4. เพิ่มการดำเนินการแบบอินทิกรัลอย่างช้าๆ จนกว่าออฟเซ็ตจะหายไปภายในเวลาที่ยอมรับได้
5. เพิ่มอนุพันธ์เฉพาะในกรณีที่ยังคงมีการโอเวอร์ชูตและสัญญาณสะอาด

เวลาตายเป็นตัวกำหนดว่าจะสามารถผลักดันวงวนได้หนักแค่ไหน หากกระบวนการต้องใช้เวลา 60 วินาทีเพื่อตอบสนองต่อการเคลื่อนไหวของวาล์วและค่าคงที่ของเวลาคือ 300 วินาที อัตราส่วน 0.2 กฎคลาสสิก เช่น Ziegler-Nichols หรือการปรับแต่งแลมบ์ดาจะให้ผลกำไรที่สามารถทำได้ หากเวลาตายเทียบได้กับเวลาคงที่ เช่น เซ็นเซอร์ที่ติดตั้งอยู่ด้านล่างสุดของวาล์ว ไม่มีอะไรจะทำให้ลูปเร็วขึ้น และวิธีแก้ปัญหาที่แท้จริงคือการขยับเซ็นเซอร์หรือเพิ่มฟีดไปข้างหน้า

ปัญหาเชิงปฏิบัติบนพื้นโรงงาน

ปัญหาการว่าจ้างส่วนใหญ่แบ่งออกเป็นไม่กี่ประเภท:

• การสิ้นสุดที่สมบูรณ์ เอาต์พุตจะอิ่มตัวกับขีดจำกัดในขณะที่ยังมีข้อผิดพลาดอยู่ และลูปจะเกินขีดจำกัดเมื่อข้อผิดพลาดย้อนกลับ ตรรกะป้องกันการไขลานและการหนีบเอาต์พุตช่วยแก้ปัญหาได้
• เสียงเซ็นเซอร์ ตัวกรองที่มีค่าคงที่เวลาใกล้เคียงกับเวลาตัวอย่างสามารถเกือบสองเท่าของ dead time ของลูปได้ กรองอินพุต ไม่ใช่เอาต์พุต
• แอคชูเอเตอร์เดดแบนด์ วาล์วที่ต้องการการเปลี่ยนแปลงเอาท์พุต 3 เปอร์เซ็นต์ก่อนที่จะเคลื่อนที่จะกำหนดขีดจำกัดอย่างหนักเกี่ยวกับความแน่นของลูป
• เวลาตัวอย่าง การสแกนแบบวนซ้ำหนึ่งครั้งต่อนาทีไม่สามารถควบคุมกระบวนการที่มีค่าคงที่เวลา 30 วินาทีได้
• ความไม่เชิงเส้น วาล์วที่นุ่มนวลใกล้กับระยะเคลื่อนที่ปานกลางและกะทันหันใกล้กับเบาะนั่งอาจต้องมีการกำหนดตารางเวลาเพิ่มขึ้นหรือเอาท์พุตที่เป็นลักษณะเฉพาะ

โดยที่ PID ตรงกับการทำความเย็นและฮาร์ดแวร์ A/C

เอาต์พุต PID จะมีความสำคัญก็ต่อเมื่อแอคชูเอเตอร์สามารถใช้งานได้ โซลินอยด์วาล์วแบบสัดส่วน วาล์วขยายตัวแบบอิเล็กทรอนิกส์ ไดรฟ์ความถี่แปรผันบนพัดลมคอนเดนเซอร์ และวาล์วสามทางควบคุมการไหล ล้วนรับสัญญาณและมอดูเลตอย่างต่อเนื่อง อุปกรณ์เปิดและปิด เช่น โซลินอยด์วาล์วมาตรฐาน วาล์วขยายความร้อนแบบกระเปาะ และสวิตช์แรงดันเชิงกลเป็นอุปกรณ์เกณฑ์ ดังนั้นตัวควบคุม PID ที่ขับเคลื่อนอุปกรณ์เหล่านี้จึงสร้างรอบการทำงานอย่างแท้จริง

ความแตกต่างดังกล่าวจะเปลี่ยนวิธีการตัดสินส่วนประกอบต่างๆ วาล์วที่ติดตามสัญญาณมอดูเลตเป็นเวลาหลายปีจะสึกหรอแตกต่างจากวาล์วที่เปลี่ยนสองสามครั้งต่อชั่วโมง ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไม การทำงานระยะยาวของโซลินอยด์วาล์วแบบมอดูเลต สมควรได้รับความสนใจก่อนที่จะเริ่มการวนซ้ำ

ซัพพลายเออร์ เช่น Dingsen ผลิตชิ้นส่วนเครื่องทำความเย็นและเครื่องปรับอากาศรถยนต์ตั้งแต่ปี 2551 สร้างตัวควบคุมความดัน วาล์ว และข้อต่อทองแดงที่อยู่ตรงปลายรับสัญญาณเหล่านั้น

โซลินอยด์วาล์ว EVR สำหรับการทำความเย็นและการปรับอากาศ ควบคุมการไหลของสารทำความเย็นในท่อของเหลว การดูด และก๊าซร้อน พร้อมตัวเลือกที่ออกฤทธิ์โดยตรงและดำเนินการนำร่องสำหรับระบบทำความเย็น ดูผลิตภัณฑ์ →

วาล์วขยายตัวทางความร้อนพร้อมระบบควบคุมความร้อนยวดยิ่งแบบปรับได้ ควบคุมการไหลของสารทำความเย็นเพื่อรักษาความร้อนยวดยิ่ง โดยมีตัวเครื่องประเภท H และการปรับความร้อนยวดยิ่งคงที่ 0–8°C สำหรับระบบทำความเย็น ดูผลิตภัณฑ์ →

การระบุตัวควบคุม: สิ่งที่ต้องตรวจสอบ

• ประเภทและช่วงอินพุตที่ตรงกับเซนเซอร์จริง: NTC, PT100, 4 ถึง 20 mA หรือ 0 ถึง 10 V
• ประเภทเอาต์พุตและความละเอียด: รีเลย์, โซลิดสเตตรีเลย์ไดรฟ์, กระแส, แรงดันไฟฟ้า หรือ PWM
• อัตราตัวอย่าง เร็วเพียงพอสำหรับกระบวนการ แต่ไม่เร็วจนสัญญาณรบกวนครอบงำการคำนวณ
• ปรับแต่งอัตโนมัติ ป้องกันการหมุน และถ่ายโอนข้อมูลระหว่างโหมดแมนนวลและอัตโนมัติ
• ขีดจำกัดเอาต์พุตและสัญญาณเตือน รวมถึงแคลมป์สูงและต่ำสำหรับเงื่อนไขอินทิกรัล
• สภาพแวดล้อม: การติดตั้งบนแผงหรือราง DIN, ระดับ IP, อุณหภูมิแวดล้อม, การสั่นสะเทือน และความทนทานต่อแรงดันไฟฟ้าของแหล่งจ่ายไฟ

ตัวควบคุม PID คือการแก้ไขสามรายการรวมกันและทำซ้ำในนาฬิกา: หนึ่งรายการเทียบกับข้อผิดพลาดปัจจุบัน หนึ่งรายการเทียบกับข้อผิดพลาดสะสม และอีกรายการหนึ่งเทียบกับความเร็วของการเปลี่ยนแปลง ฟิสิกส์ของกระบวนการกำหนดเพดานของประสิทธิภาพ และการตั้งค่าจะตัดสินว่าลูปเข้าใกล้มันแค่ไหน หาทิศทางของแอคชูเอเตอร์ให้ถูกต้อง วัดเวลาตายอย่างตรงไปตรงมา และรักษาค่าเกนให้พอประมาณ การรวมกันดังกล่าวช่วยแก้ปัญหาการวนซ้ำได้มากกว่าเซสชันการปรับแต่งเชิงรุกใดๆ