Afstemmingsgids voor PID-regelsystemen voor koel- en HVAC-regelcircuits

Een inloopvriezer die is ingesteld op min 18 graden Celsius en die schommelt tussen min 15 en min 20, waarbij de compressor kort wordt aangezet en één uiteinde van de verdamper bevriest, heeft meestal geen tekort aan koelmiddel. Het ontbreekt aan een goede controle. Het PID-regelsysteem bepaalt hoe ver de expansieklep opent, wanneer de solenoïde van de vloeistofleiding sluit en hoe snel de kamer zich herstelt nadat een deur open is gelaten. Geen enkele aanpassing van de lading zal een lus repareren die zichzelf bestrijdt.

Eerst het korte antwoord. Een PID-regelsysteem is een closed-loop-controller die een gemeten waarde vergelijkt met een doelwaarde en het verschil corrigeert met behulp van drie gewogen termen: proportioneel, integraal en afgeleide. Bij koel- en airconditioningwerkzaamheden is de rekenkunde het eenvoudige gedeelte. Wat bepaalt of de lus zijn doel bereikt, zijn de sensor en de actuator, en of de afstemming overeenkomt met de thermische traagheid van de belasting.

Hoe een PID-regelsysteem een fout corrigeert

Elke lus heeft dezelfde volgorde. De controller leest de procesvariabele, trekt deze af van het instelpunt om de fout te verkrijgen, berekent de drie termen, telt ze bij elkaar op en stuurt het resultaat naar een laatste controle-element. Het element handelt, het proces reageert, de sensor rapporteert en de cyclus herhaalt zich. Een timer die een compressor tien minuten laat draaien en vijf minuten laat rusten, doet dit allemaal niet. Daarom kan een open-lusregeling een kamer niet tegen een veranderende belasting houden.

De drie termen en wat ze allemaal oplossen

Proportionele actie

Proportionele actie produceert een uitvoer die evenredig is met de huidige fout. Als de kamer 2 K boven het instelpunt ligt en de versterking zo wordt ingesteld dat elke Kelvin een modulerende klep met 8 procent opent, beweegt de klep naar 16 procent. Deze term doet het meeste werk tijdens een pull-down.

Het kan de klus niet alleen klaren. Naarmate de kamer het instelpunt nadert, wordt de fout kleiner, en de output kleiner, totdat de kleppositie de belasting precies in evenwicht brengt. Dat balanspunt bevindt zich weg van het instelpunt en wordt offset of steady-state-fout genoemd. Alleen proportionele regeling wijkt vaak 1 tot 2 K af van het doel, wat aanvaardbaar is voor comfortkoeling en niet voor een snelvriezer.

Integrale actie

Integrale actie somt de fout op in de loop van de tijd en blijft pushen totdat die som niet meer groeit, waardoor de compensatie wordt opgeheven. De kosten zijn tijd en, als deze agressief worden ingesteld, overschrijding. Wanneer de som zich ophoopt gedurende een periode waarin de uitgang niet kan reageren, zoals bij een ontdooiblokkering, stuurt deze de uitgang hard aan op het moment dat de blokkering wordt opgeheven. Dat is een integrale opwinding, en het is een veelvoorkomende oorzaak van een overschrijding van de opslag met 5 K na een ontdooiing.

Afgeleide actie

Afgeleide actie reageert op de snelheid waarmee de fout verandert, waardoor een lus wordt gedempt die de neiging heeft door te schieten. Het reageert ook op sensorruis, omdat een druktransducer die elke bemonsteringsperiode met 0,2 bar trilt, lijkt op een extreem snelle verandering. De meeste koelregelaars passen de afgeleide term toe op de procesvariabele in plaats van op de fout en koppelen deze aan een filter van één tot drie seconden. Waar transportvertraging domineert, wat bij de meeste circuits het geval is, wordt de afgeleide op nul gelaten en wordt in plaats daarvan een PI-lus gebruikt.

Eén concreet voorbeeld. Een elektronische expansieklep die de oververhitting op 5 tot 8 K houdt, vertrouwt op proportionele actie om de belasting te volgen en integrale actie om de staande fout op te heffen. Als de oververhitting tussen 2 K en 15 K schommelt, is de afgeleide term zelden de boosdoener. De responstijd van de sensor en de resolutie van de klepstappen zijn meestal hetzelfde.

Thermisch expansieventiel voor oververhittingsregeling bij koeling Compacte klep van messing of roestvrij staal met instelbare statische oververhitting van 0–8°C voor commerciële en industriële koeltoepassingen. Bekijk Product →

Afstemmethoden en realistische cijfers

Bij afstemming ontmoeten theorie en plant elkaar. Drie benaderingen bestrijken het grootste deel van het werk.

1. Handmatig afstemmen. Nul de integrale en afgeleide termen, verhoog de proportionele versterking totdat de lus gestaag oscilleert en halveer deze vervolgens. Voeg integrale actie toe totdat de offset binnen een acceptabele tijd verdwijnt. Voeg de afgeleide alleen toe als overschrijding er nog steeds toe doet.
2. Ziegler en Nichols. Lees de uiteindelijke winst en periode van de oscillatietest af en pas de gepubliceerde tabel toe. Het resultaat is snel en enigszins agressief, wat past bij langzame temperatuurlussen.
3. Automatische afstemming van relais. De controller forceert een kleine limietcyclus rond het instelpunt en leidt het model af uit de amplitude en periode ervan. Het is handig, maar het stemt de lus precies af zoals gevonden, inclusief een slecht geplaatste sensor.

Nuttige referentiepunten. Een kamerlus wordt één keer per seconde bijgewerkt. Een oververhittingslus wordt elke 100 tot 200 ms bijgewerkt. Een gekoeldwatercircuit zou binnen 0,5 K moeten houden en een vitrine binnen 1 K. Bemonstering veel sneller dan het proces kan reageren, versterkt meestal de ruis.

Waar de regellus hardware ontmoet

Drie hardwarebeslissingen bepalen het resultaat meer dan welke afstemmingsconstante dan ook.

• Sensorplaatsing en snelheid. Een sonde in de retourlucht ziet de kamer, terwijl een sonde die aan de spoel is vastgemaakt, de spoel ziet. Een lus die op de ene is afgestemd en op de andere wordt bediend, zal jagen.
• Resolutie van de actuator. Een aan en uit-magneetventiel geeft de lus twee posities, zodat de controller alleen de werkcyclus kan variëren. Een modulerende klep geeft hem 200 posities of meer.
• Onafhankelijke bescherming. Een koeldrukregelaar schakelt de compressor of condensorventilator op een vaste druk, ongeacht wat de temperatuurlus vraagt, waardoor wordt voorkomen dat een defecte sensor een defecte compressor wordt.

Gedrag in de loop van de tijd is net zo belangrijk als gedrag op de dag van inbedrijfstelling. Als een solenoïde in de vloeistofleiding elke 40 seconden ronddraait, zullen er binnen een paar jaar honderdduizenden handelingen plaatsvinden, dus het ontwerp van de stoel, de isolatieklasse van de spoel en de toegang tot handmatige override worden praktische selectiecriteria. Opmerkingen over het stabiel houden van een EVR-magneetklep gedurende een lange levensduur zijn de moeite waard om te lezen voordat er een fietstarief wordt vastgesteld.

EVR-magneetventiel voor koelstroomregeling EVR-magneetventiel voor vloeistof-, zuig- of heetgasleidingen, met AC/DC-spiraalopties en duurzame afdichting voor koelsystemen. Bekijk Product →

Koeling hoge/lage drukregelaar met automatische reset Mechanische hoge-/lagedrukregelaar met wijzers en automatische reset, gekoppeld aan compressoren, ventilatoren en aftapkleppen voor systeembescherming. Bekijk Product →

Wanneer de lus zich misdraagt: symptomen en oorzaken

• Grote overschrijding na ontdooiing: integrale opwinding of beëindiging van de ontdooiing ingesteld op tijd in plaats van op spoeltemperatuur.
• Regelmatige oscillatie elke twee tot vijf minuten: proportionele versterking te hoog of een klep die te groot is voor de belasting.
• Stabiele offset die nooit verdwijnt: alleen proportionele besturing, of een actuator die zijn slaglimiet heeft bereikt.
• Willekeurige jitter zonder fysieke oorzaak: afgeleide actie die sensorruis versterkt, of een losse sondezak.
• Korte cycli bij lichte belasting: hysteresis ingesteld onder de dode band van de lus, of een dode band die smaller is dan de nauwkeurigheid van de sensor.
• Eén deel van de behuizing koud en de rest warm: sensorlocatie, niet afstemming.

Cascaderegeling neemt een deel hiervan weg. De buitenste lus leest de kamertemperatuur en schrijft een instelpunt, terwijl de binnenste lus de verdamper- of zuigomstandigheden leest en de klep aanstuurt. De binnenste lus reageert binnen enkele seconden, voordat de kamer in beweging is gekomen, waardoor overshooting bij systemen met een lange transportvertraging wordt voorkomen.

Wat u moet controleren voordat u een bestelling plaatst

1. Welk regelbereik en resolutie is vereist? Een klep die over 10 tot 100 procent van de belasting moduleert, is een ander product dan een klep die bij 20 procent volledig opengaat.
2. Wat is de nauwkeurigheid en responstijd van de sensor, en is de dode band van de lus breder dan de sensorfout?
3. Welk aantal cycli wordt verwacht gedurende de levensduur, en ondersteunen de materialen van de zitting en de spoel dit?
4. Zijn de koperen en messing fittingen en de klepmaterialen geschikt voor het gebruikte koelmiddel en de gebruikte olie?
5. Zijn er reserveonderdelen, spoelspanningen en handmatige override-opties verkrijgbaar in dezelfde serie, zodat voor een reparatie de beugel niet opnieuw hoeft te worden bewerkt?
6. Kan de leverancier werken vanaf een tekening of een monster als de lus een niet-standaard poortgrootte of stroomkarakteristiek nodig heeft?

Leveranciers die zowel de controlecomponenten bouwen als de lussen waarin ze zich bevinden begrijpen, kunnen deze gaten sneller dichten. Een fabrikant met een in-house testlaboratorium en ontwikkelingsmogelijkheden op maat kan een stroomcoëfficiënt of een batterijvermogen bevestigen op basis van de tekening in plaats van op basis van een voetnoot in de catalogus.

Belangrijke punten om te onthouden

• Een PID-regelsysteem is een gesloten lus: meten, vergelijken, corrigeren, herhalen.
• Proportionele actie reageert op de huidige fout, integrale actie ruimt het verleden op, afgeleide actie anticipeert op de volgende paar seconden.
• De meeste koelcircuits werken het beste als PI, waarbij de afgeleide is gereserveerd voor goed gefilterde en snel reagerende metingen.
• Afstemming kan een trage sensor, een te grote klep of een sonde op de verkeerde plaats niet compenseren.
• De levensduur van de cyclus en de materiaalcompatibiliteit bepalen of de lus in jaar drie nog steeds presteert.

De echte test van een lus is niet de stapreactie op de dag van inbedrijfstelling. Het gaat erom of de zaak nog steeds stand houdt op de heetste middag van het jaar, na een ontdooiing en met een gedeeltelijk geblokkeerde spoel. Ontwerp de hardware rond die vereiste en de afstemmingsnummers worden het gemakkelijke onderdeel.