A Guide to Tuning PID loops for Temperature Control

I. I. مقدمة: ضبط PID في ضبط درجة الحرارة

هندسة التحكم في العملية هي عنصر رئيسي في الأنظمة الصناعية اليوم، كما أنها تضمن أنها تعمل بأمان وكفاءة. ومن بين استراتيجيات السيطرة الأكثر انتشارا هو المتحكم التناسبي -الاشتقاقي المتكامل (PID). وقد تم الاعتراف على نطاق واسع بفعالية وحدات التحكم في تعريف المنتج في إدارة العمليات الديناميكية. على الرغم من أنه يمكن استخدام أجهزة التحكم في تعريف المنتج في العديد من المجالات المختلفة، إلا أن تطبيق هذه الأجهزة للتحكم في درجة الحرارة يقدم فرصًا وتحديات فريدة. وفي كثير من التطبيقات، مثل التصنيع الكيميائي، وتجهيز المواد، والحجرات البيئية، ونظم التدفئة والتهوية وتكييف الهواء، لا بد من الحفاظ على درجات حرارة دقيقة وثابتة. يجب ضبط الحلقة بشكل صحيح لتحقيق الأداء المطلوب -الاستجابة السريعة والحد الأدنى من تجاوز الحد والتحكم المحكم في النقطة المحددة. إن نظام التحكم في درجة الحرارة الذي لا يتم ضبطه بشكل صحيح قد يظهر عدم الاستقرار وانخفاض الدقة وبطء السلوك. وهذا يمكن أن يؤدي إلى انخفاض الكفاءة، وانخفاض جودة المنتج ومخاطر السلامة. الغرض من هذه المقالة هو تقديم دليل لضبط دوائر تعريف المعلمات، مصممة خصيصا للتحكم في درجة الحرارة. وهي تعتمد على مبادئ هندسة العمليات الراسخة.

ص. أساسيات أنظمة تحديد الهوية الشخصية والتحكم في درجة الحرارة

يقوم جهاز التحكم في تعريف المعلمات بحساب قيمة الخطأ وهي الفرق في نقطة Setpoint (SP)، والنقطة المحددة المطلوبة، ومتغير العملية الذي يقيسه المستشعر. ثم تقوم وحدة التحكم بإجراء التصحيح استنادًا إلى المصطلحات الثلاثة التالية:

نسبي: مخرجات المراقب تتناسب مع الخطأ. سيتغير الناتج أكثر إذا كان الخطأ أكبر. النهج التناسبي يساعد على تقليل الخطأ، ولكنه يترك معاوضة في حالة ثابتة.

التكاملية: يتم تصحيح إخراج وحدة التحكم على أساس مجموع تراكمي مع مرور الوقت. يتم التخلص من تعويض الحالة الثابتة بواسطة هذا الحد، الذي يقوم بتصحيح الخرج باستمرار إلى الصفر.

المشتقة (D): يتأثر ناتج المراقب بمعدل التغير في الخطأ. يتنبأ المراقب بالأخطاء في المستقبل بناءً على الاتجاهات الحالية، مما يساعد على تحسين الاستقرار وتخفيف التذبذبات، وبالتالي تسريع الاستجابة.

يقيس المستشعر، مثل ثرمستور، أو RTD، أو المزدوجة الحرارية (على سبيل المثال)، درجة حرارة الحلقة (PV). ويقارن جهاز التحكم PID هذا القياس بدرجة الحرارة المحددة (SP). هذا المتحكم يولد إشارة على أساس الخطأ المحسوب. وعادة ما تستخدم إشارة الخرج لتشغيل المحرك. قد يكون هذا مدفأة، ملف تبريد صمام يتحكم في المبرد#تدفق 39;s أو أي جهاز آخر قادر على تغيير الظروف الحرارية في النظام لجعل SP أقرب إلى PV.

مجس درجة الحرارة، وحدة التحكم (غالبا ما تكون جزءا من وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة أو أنظمة التحكم الموزعة (DCS)، والمشغل، وعملية التحكم (على سبيل المثال المفاعل أو أوفينجيانغ) كلها مكونات رئيسية في هذه الحلقة. يتطلب الضبط الفعال فهمًا للتفاعلات بين كل مكون. وتتأثر استراتيجيات الضبط باختلاف تطبيقات التحكم في درجة الحرارة، والتي تتطلب درجات متفاوتة من الدقة والسرعة.

الثالث. ما أهمية الضبط للتحكم الأمثل في درجة الحرارة؟

يجب ضبط نظام تعريف الهوية المسبق بشكل صحيح لأداء أفضل وتلبية الاحتياجات المطلوبة لنظام التحكم في درجة الحرارة. يمكن لحلقات اضطراب الهوية التعرضي سيئة الضبط أن تظهر العديد من السلوكيات السلبية. تجاوز الحد هو عندما تتجاوز درجة حرارة النظام نقطته المحددة، قبل أن يستقر. وهذا يمكن أن يلحق الضرر بالمواد الحساسة ويتسبب في مخاوف تتعلق بالسلامة. ويظهر عدم الاستقرار كتذبذب في درجة الحرارة حول النقطة المحددة. وهذا يجعل من الصعب السيطرة على النظام ولا يمكن التنبؤ به. تعني الاستجابة البطيئة أو أوقات الترسيب الطويلة أن النظام يستغرق الكثير من الوقت للحفاظ على درجة الحرارة المحددة والوصول إليها بعد التغيير. وهذا يؤدي إلى انخفاض الكفاءة والإنتاجية. يشير خطأ الحالة الثابتة أو الإزاحة إلى الفرق في درجة الحرارة بين درجات الحرارة النهائية ودرجات الحرارة المحددة. وهذا يشير إلى أن المصطلح المتكامل لا يؤدي بشكل جيد.

إن الهدف الأساسي لـ PID هو إعداد المكاسب بحيث تحقق الحلقة توازناً مثالياً. يجب أن تكون الحلقة قادرة على الاستجابة بسرعة لأي تغييرات في النظام، والاستقرار بالقرب من النقطة المحددة، مع تجاوز طفيف أو تذبذب وتتبع بدقة النقطة المحددة، حتى عندما تكون هناك أخطاء طفيفة مع أجهزة الاستشعار، مثل تغيير الحمل. وغالبا ما يتم تجاهل عملية الضبط، مما يؤدي إلى ضعف الأداء. وهذا يمكن أن يؤدي إلى عواقب تشغيلية واقتصادية كبيرة.

طرق ضبط شائعة لحلقات درجة الحرارة باستخدام معرِّف المعلمات

هناك العديد من الطرق لضبط أجهزة التحكم في تعريف المنتج. وتتراوح هذه الأساليب بين الأساليب التجريبية البسيطة والنهج المتطورة والحديثة. ويعتمد اختيار هذه الطريقة على العديد من العوامل، بما في ذلك تعقيد الأنظمة والأدوات المتاحة وخبرة المهندسين.

أ.

منذ عقود، اعتمدت هذه الأساليب على الملاحظة التجريبية لاستجابات العملية.

طريقة زيغلر نيكولز: من المحتمل أنها الطريقة الأكثر شعبية للضبط اليدوي. هذه الطريقة هي طريقة منهجية لتحديد مكاسب تعريف الهوية الشخصية الأولي على أساس العملية#استجابة 39;s للتردد. وينطوي هذا الإجراء عادة على مرحلتين:

طريقة الحلقة المفتوحة: يتم تعطيل الإجراءات المتكاملة والمشتقة لوحدة التحكم (يتم تعيينها عند الصفر). المراقب#يتم تغيير ناتج 39;s بطريقة تدريجية (عادة في حين أن النظام قد وصل إلى حالة ثابتة). ويتم ذلك عن طريق تحديد الربح النهائي (Ku)، الذي يمثل أقصى ربح يمكن للنظام تحقيقه قبل أن يظهر التذبذبات. ثم، يتم تحديد الفترة النهائية (Tu)، أو مدة التذبذبات (الفترة). زيغلر & يقدم نيكولز الصيغ التجريبية التي يمكن أن تحسب المكسب التقريبي لمعرفات المعلمات (Kp) باستخدام هذه القيم. على سبيل المثال، يمكن تعيين Kp إلى 0.6*Ku مع الوقت التكاملي Ti يساوي 0.5*Tu ومن المهم ملاحظة أن هذه القواعد يمكن تطبيقها مباشرة لحلقة درجة الحرارة التي لها أوقات ميتة كبيرة.

طريقة الاستجابة للخطوة: البديل الثاني هو تطبيق تغيير الخطوة مباشرة على المتغير في العملية (إذا كان آمنا وممكنا) ومراقبة استجابة النظام. يتم استخدام منحنى الخطوة لتقدير معاملات مثل اكتساب العملية Kp و الثابت الزمني T و الوقت الثابت L. Ziegler و Nichols يتم تطبيقها مرة أخرى لاستخلاص المكاسب الأولية من هذه التقديرات. يجب تفسير الرد بعناية لاستخدام هذه الطريقة.

زيغلر -نيكولز هي نقطة بداية جيدة. ومع ذلك، غالبًا ما تتطلب المكاسب الناتجة المزيد من التحسين من خلال التجربة والخطأ أو من خلال مراقبة استجابة الحلقة المغلقة.

طريقة النقطة الحرجة: في هذه الطريقة، يتم تحديد النقطة الحرجة عن طريق إيجاد المكسب حيث يتوقف النظام عن التذبذب ويصبح مستقرا. ثم، يمكن تطبيق الصيغة المستخدمة لحساب معلمات تعريف المعلمات. في العديد من التطبيقات في الحياة الواقعية، مثل أنظمة التحكم في درجة الحرارة المعقدة، يعتبر أقل قوة وعملية من زيغلر#39; س نيكولز.

أساليب التوليف الحديثة/المتقدمة

تطورت تقنيات الضبط جنبا إلى جنب مع نظرية التحكم وقوة الكمبيوتر.

برامج الضبط: تحتوي غالبية أنظمة التحكم الموزعة الحديثة ووحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة على ميزات الضبط الذاتي المدمجة فيها. وهي تتبع إجراءً مشابهًا للحلقة المفتوحة ولكنها تتم أتمتة. تطبق هذه الأدوات إشارات صغيرة على العملية، وقياس استجابتها، وحساب المعلمات الرئيسية للعملية (مثل الكسب ووقت التوقف)، وتحديد المكاسب المناسبة ل PID. يتم تقليل جهد الموالفة والوقت المطلوب بشكل كبير، وخاصة بالنسبة للمشغلين الذين هم أقل دراية بالموالفة اليدوية.

تحليل استجابة التردد: تتكون الطريقة من تحليل خصائص استجابة التردد لنظام ما (غالبًا باستخدام مخططات بودي والرسوم البيانية نايكويست) من أجل حساب المكاسب المناسبة لمعرفات الهوية الشخصية. تتطلب هذه الطريقة معرفة أكثر تقدمًا بنظرية التحكم، ولكنها يمكن أن تعطي فهمًا أفضل لديناميكيات النظام.

الضبط على أساس نموذج: ينطوي النهج على تطوير تمثيل رياضي لعملية التحكم في درجة الحرارة. يمكنك استخدام تقنيات مثل المعادل الخطي المتغير أو النموذج غير الخطي التحكم التنبؤي. يمكن استخدام البرمجيات المتقدمة لحساب المكسب الأمثل لنموذج تعريف المنتج بناءً على نموذج#39; أداء وغيرها من المعايير. طريقة الضبط القائمة على النموذج دقيقة، ولكن يمكن أيضا أن تكون معقدة وتتطلب الكثير من الجهد لتطويرها.

الموالفة المعتمدة على التحسين: طريقة الموالفة القائمة على التحسين هي تقنية تتضمن إعداد قائمة من معايير الأداء، مثل تقليل تجاوز الحد وأوقات التسوية، أو تقليل الأخطاء المطلقة المتكاملة، ثم استخدام الخوارزميات لتحديد المكاسب في معرفات المعلمات التي تلبي هذه المعايير على أفضل وجه. ويمكن القيام به إما دون اتصال باستخدام نماذج المحاكاة، أو عبر الإنترنت عن طريق إجراء تعديلات المكاسب على أساس ردود الفعل في الوقت الحقيقي.

ويستند القرار بين الطريقتين على تعقيد النظام وأدوات الضبط المتاحة ومستوى الأداء المطلوب. البرمجيات القائمة على الضبط التلقائي، أو الضبط اليدوي على أساس مبادئ زيغلر نيكولز غالبا ما يكون الخيار الأفضل للعديد من تطبيقات التحكم في درجة الحرارة القياسية.

وبغض النظر عن الطريقة التي يتم اختيارها، فإن الضبط الفعال لاضطراب الهوية الشخصية يتبع مقاربة منهجية. الاستعداد والمراقبة الدقيقة ضروريان.

ألف -الإعداد:

من المهم تحديد وفهم الأداء المطلوب قبل ضبط معرِّف المعلمات. من المهم تحديد الثوابت الزمنية للعملية (مدى سرعة تغير درجة الحرارة استجابة لجهاز التحكم)، والوقت الميت بين جهاز التحكم وتغير درجة الحرارة، والخصائص النهائية للنظام. تحديد معايير الأداء: ما هي سرعة استجابة النظام للتغيرات في النقطة المحددة (وقت التسوية)، وما هو المستوى المقبول للتجاوز، وما هو حجم خطأ حالة الثبات؟ من المهم تقييم وتوجيه عملية الضبط. وتشمل هذه المرحلة أيضا اختيار أفضل تقنية الضبط على أساس الأدوات المتاحة والمعرفة الخبيرة.

بي بي.

ويتضمن الضبط ضبط P و D و I بشكل متكرر أثناء مراقبة استجابة النظام.

اختيار الكسب الأولي: تبدأ غالبية استراتيجيات الضبط بكسب نسبي صغير. من المهم أن يكون النظام مستقراً ليسمح لك بمراقبة استجابته ومن المهم اختيار المكسب الذي سيتسبب في النظام#استجابة 39 لتكون كبيرة، ولكن ليست عالية جدا لجعلها غير مستقرة أو تذبذب بشكل مفرط عند حدوث اضطراب طفيف. سيتم التعامل مع هذه المرحلة الأولية بواسطة البرنامج إذا كنت تستخدم الضبط التلقائي.

قم فقط بتعديل المكاسب النسبية (P). تعيين المكاسب المتكاملة والمشتقة إلى صفر أو قيمتها الافتراضية في حالة استخدام الموالفة التلقائية. زيادة الزيادة النسبية في الزيادات. راقبوا إستجابة النظام لأي تغييرات في النقطة المحددة ومن المهم اختيار المكسب الذي يوفر وقت استجابة كافية دون خلق تذبذبات كبيرة. ملاحظة: يتم عرض إزاحة الحالة الثابتة (الخطأ). يعتبر المكسب الأولي P بمثابة نقطة انطلاق.

العمل المتكامل (I): دمج العمل المتكامل (I)، عن طريق زيادة المكاسب المتكاملة تدريجيًا. المصطلح المتكامل#الهدف الأساسي ل 39; هو القضاء على أخطاء الحالة الثابتة. يمكن أن يحدث التصلب المتكامل إذا تم زيادة المكاسب المتكاملة بسرعة كبيرة. سيقوم جهاز التحكم بدمج الخطأ لفترة طويلة جدًا، مما قد يتسبب في وصول مخرجات جهاز التحكم إلى الحد الأقصى أو الأدنى قبل تصحيح الخطأ. تقليل مكسب التكامل. إذا أصبح الناتج مشبعا أو غير مستقر، زيادة وقت التكامل. العديد من وحدات التحكم الحديثة لديها ميزات تمنع أو تقلل من التصفيف المتكامل. انظر كيف يستقر النظام الهدف هو تحقيق الحد الأدنى من التوازن والاستقرار المقبول.

العمل المشتق (D): دمج العمل المشتق (أو توقيت المشتق، Td) عن طريق تعديل بعناية المكاسب المشتقة. يمكن أن يساعد هذا المصطلح المشتق في التنبؤ بالأخطاء في المستقبل على أساس معدل التغير. كما يساعد على تحسين وقت الاستجابة عن طريق تخفيف التذبذبات. يمكن أن يزيد المصطلح المشتق من الضوضاء الصادرة من أجهزة استشعار درجة الحرارة، والتي يمكن أن تتسبب في تذبذب مخرجات جهاز التحكم. وغالبًا ما تتضمن وحدات التحكم الحديثة مرشحات مشتقة تعمل على تسهيل مدخلات شروط المشتقة، وبالتالي تقلل من الضوضاء. ابدأ مع كسب مشتقة منخفضة أو وقت مشتقة كبيرة ورؤية الآثار. إذا حدث تذبذب، زده ببطء. احرص ألا تسبب ضوضاء أو عدم استقرار.

الضبط النهائي: بعد تحقيق استجابة أساسية مستقرة، استمر في تكرار المكاسب في P و I و D. في كثير من الأحيان، ستؤدي التعديلات الصغيرة إلى تحسين الأداء. على سبيل المثال، زيادة P يمكن أن تسرع من وقت الاستجابة ولكن أيضا زيادة تجاوز الهدف. والتعديل الذي أقوم به من شأنه أن يزيل التعويض بينما يبطئ الأمور. ومن المهم تحقيق التوازن الصحيح بين الأداء والتكلفة. إذا كانت متاحة، استخدام الأدوات الرسومية مثل مخططات Bode ومخططات موضع الجذر (أكثر تعقيدا) أو أساليب أبسط، مثل اختبارات bump (إضافة اضطرابات صغيرة إلى الإعداد أو إجراء تغييرات متعمدة وصغيرة) لمزيد من صقل المكاسب. الضبط هو دورة مستمرة من التعديلات والملاحظات.

جيم -الرصد والتكييف

يجب التحقق من أداء PID الحلقي تحت ظروف مختلفة بعد الضبط الأولي. ما هي استجابة النظام للتغيرات في الحمل، مثل التغيرات في درجة الحرارة أو الطلب؟ ما هي استجابته لضجيج المستشعر والتقلبات الطفيفة؟ لضمان الأداء القوي في حالات التشغيل المختلفة، غالبا ما يكون الضبط الدقيق مطلوبًا. تقنيات التحكم التنبؤي النموذجي (MPC) هي أساليب متقدمة يمكن أن تأخذ في الاعتبار الاضطرابات، وتحسين الأداء وتوفير فترة تنبؤ أطول. إنها تضيف مستوى آخر من التطور إلى حلقات درجة الحرارة المعقدة.

السلامة يجب أن تأتي أولاً تعيين المكاسب لتجنب التذبذبات الخطيرة، وزيادة في سرعة الدفع التي يمكن أن تلحق الضرر العمليات، والتشبع المشغل التي تسبب الضغط على المعدات. إتبعوا إجراءات السلامة وبروتوكولات إيقاف الطوارئ

هاء -التنفيذ: بعد تحديد المكاسب المرضية من خلال عمليات المحاكاة أو الاختبارات خارج الشبكة (إذا كان ذلك ممكنا)، يتم إدماجها في نظام التحكم في الوقت الحقيقي. راقبوا الحلقة عن كثب خلال تشغيلها الأولي وأجروا أي تعديلات ضرورية.

سادساً -نظم التحكم في درجة الحرارة: اعتبارات خاصة

يمكن أن يمثل نظام التحكم في درجة الحرارة تحديًا فريدًا قد يؤثر على ضبط الجهاز ويتطلب اعتبارات محددة.

التأخير الزمني: يمكن أن يكون هناك تأخير في استجابات المستشعر، وتأثيرات المشغل على العمليات، أو نقل الحرارة داخل النظام. قد تتطلب صيغ زيغلر ونيكولز تعديلاً تجريبيًا، خاصة بالنسبة للأنظمة التي لديها زمن ميت. غالبًا ما يكون من الأفضل التعامل مع زمن النفاد باستخدام أدوات ضبط البرامج.

عدم الخطية: نادرًا ما تكون هناك علاقة خطية مثالية بين مخرجات وحدة التحكم (مثل طاقة التسخين) وتغيرات درجة الحرارة. ومن الممكن أن يستجيب النظام بشكل مختلف عندما تكون درجات الحرارة منخفضة أو مرتفعة. بالنسبة للأنظمة غير الخطية، قد تكون هناك حاجة إلى أساليب ضبط متقدمة وخط متقطع حكيم.