Терморегуляторы – это приборы, используемые для управления отопительным оборудованием. Они используются в промышленных и бытовых условиях для поддержания заданной температуры в течение всего времени с минимальными колебаниями. В этой статье мы поговорим о ПИД-регуляторах температуры, о том, как они работают и как их использовать.
Что такое ПИД-регулятор температуры и как он работает?
Давайте поговорим о регуляторах температуры в целом, прежде чем обсуждать ПИД-регуляторы. Терморегуляторы — это устройства, которые могут управлять нагревательными элементами/змеевиками для обеспечения необходимой температуры процесса. Это могут быть электронные или электромеханические устройства, такие как термостаты. Их основная функция заключается в том, чтобы включать нагревательный элемент при температуре ниже минимальной и выключать их при достижении желаемой температуры.
Существует три основных типа регуляторов температуры; двухпозиционный, пропорциональный и ПИД-контур контроллеры типа. ПИД-регулятор является наиболее совершенным типом регулятора температуры. Это самый точный и быстро реагирующий контроллер.
Аббревиатура «ПИД» означает «пропорционально-интегрально-дифференциальное» управление, которое является очень популярным и эффективным методом управления с обратной связью, используемым в быстро меняющихся условиях. Он принадлежит к 'оптимальный' категория теории управления, которая описывает попытку оптимального достижения определенной переменной процесса.
В случае ПИД-регуляторов оптимальной переменной является температура процесса. Устройство должно работать для достижения заданной температуры как можно быстрее и наиболее точным образом без перерегулирования, задержки или помех. Для контроля значения процесса/текущей температуры ПИД-регуляторы температуры используют одну или несколько термопар/термопар.RTD или какая-либо другая форма измерения температуры. Используя это значение в качестве входного значения для уставки, контроллер затем регулирует мощность, подаваемую на привод (нагреватель), для повышения температуры. Если текущая температура выше заданной, отключается питание нагревателя. Разница между значением процесса и заданным значением называется ошибка. Контроллер все время пытается поддерживать ошибку близкой к нулю.
Однако идея реализации ПИД-регулятора заключается в том, чтобы никогда не превышать заданное значение температуры при максимально быстром достижении заданной температуры. Для этого ПИД-регуляторы температуры используют три разных, но взаимосвязанных подхода:
-
- пропорциональный: когда значение процесса (текущее показание температуры) ниже уставки, выход увеличивается пропорционально ошибке. Большая ошибка означает, что на нагреватель подается более высокая мощность для быстрого нагрева. Меньшая ошибка заставляет контроллер снижать мощность.
- Интеграл: Неотъемлемая часть контроллера пытается увеличить выходную мощность нагревателя, чтобы сократить время, необходимое для достижения заданного значения. Если мощности недостаточно для уменьшения ошибки, встроенный контроллер пытается увеличить мощность нагревателя.
- Производная: На производное управление влияет прошедшее время. По мере того, как проходит время и температурная ошибка уменьшается, выходная мощность также уменьшается, чтобы предотвратить перерегулирование.
Эти три контроллера в конечном счете регулируют мощность нагревателя, чтобы получить отклик, как показано на рисунке ниже. установка точка, отмеченная на оси x, является желаемой температурой.
Схема ПИД-регулятора температуры
ПИД-регуляторы температуры доступны во многих конфигурациях. Обычно контроллер только считывает температуру процесса через датчик и управляет внешним устройством управления мощностью, таким как твердотельное реле, для управления мощностью, подаваемой на нагреватель. На изображении ниже показан такой комплект, в который входят ПИД-регулятор температуры, ТТР (твердотельное реле), радиатор и датчик температуры.
Чтобы подключить эту систему, можно следовать следующей схеме. Провода термопары не следует менять местами, так как это мешает контроллеру считывать температуру процесса. Неверное показание температуры может привести к неисправности ПИД-регулятора температуры.
Некоторые контроллеры имеют функции обнаружения ошибок, такие как обнаружение обрыва термопары для дополнительной безопасности. Такие контроллеры могут прекратить работу и отключить питание нагревателя, если обнаружат отсоединение термопары.
В соответствии с внутренними расчетами, выполненными контроллером, он управляет твердотельным реле (ТТР) для контроля средней мощности, подаваемой на нагревательный элемент. Это делается мгновенным включением и выключением устройства управления питанием. При правильной настройке система может достичь желаемой температуры и поддерживать условия даже при внешних возмущениях.
Каковы различные типы устройств контроля температуры?
Как мы уже говорили выше, ПИД-регуляторы температуры являются наиболее точными и быстродействующими промышленными регуляторами температуры. Есть еще два типа устройств контроля температуры, которые менее точны, но полезны в определенных приложениях.
Вкл/выкл регуляторы температуры
Это самая простая форма регуляторов температуры. Двухпозиционный регулятор температуры имеет два параметра: заданное значение и дифференциал. Уставка – это желаемая температура, которую должна иметь система. Дифференциал (также известный как гистерезис) — две крайности, определяющие границы, когда терморегулятор должен включаться и выключаться. Минимум определяет, при какой температуре нагреватель должен включаться и наоборот.
Регуляторы температуры включения / выключения часто проще всего подключить. Для работы им необходимо три внешних соединения:
- Источник питания – Подает питание на регулятор температуры.
- датчик – Температурный датчик, такой как RTD или термопара, для получения текущей температуры от системы.
- Привод – Это может быть реле или твердотельное реле, которое управляет a. нагреватель большой мощности или прямое подключение нагревателя, если устройство имеет встроенное реле
- Пользовательский ввод – Современные терморегуляторы имеют цифровые дисплеи с кнопками для настройки параметров. Некоторые устройства имеют вращающиеся потенциометры для ручной установки пределов.
Регуляторы температуры двухпозиционного типа используются в системах, где изменения температуры очень медленные и не требуется точный контроль.
Пропорциональные регуляторы температуры
Пропорциональные регуляторы температуры представляют собой упрощенную версию ПИД-регуляторов температуры. В отличие от двухпозиционных контроллеров, которые активируются, когда температура падает ниже или поднимается выше пороговых значений, пропорциональные контроллеры почти всегда управляют выходом для поддержания температуры.
Эти типы контроллеров регулируют температуру, изменяя мощность, подаваемую на нагреватель. Это включает в себя твердотельное управление, такое как SSR, для регулировки выходной мощности. Диапазон температур, в котором работает устройство, называется «зоной пропорциональности». Подобно типу включения/выключения, они также имеют верхний и нижний пределы.
При запуске пропорциональные регуляторы температуры ведут себя аналогично двухпозиционным регуляторам. Чтобы привести температуру системы в зону пропорциональности, контроллер включил нагреватель на 100% мощности. Как только температура превышает минимальный порог зоны пропорциональности, мощность снижается для поддержания температуры в требуемом диапазоне.
На приведенной ниже диаграмме коричневый график представляет собой чистый пропорциональный регулятор. Мы можем наблюдать, как температура постоянно меняется в узком диапазоне от 10 до 18 градусов по Цельсию.
Преимущества и недостатки ПИД-регулятора температуры
ПИД-регуляторы температуры очень полезны в динамических системах. Они широко используются в приложениях, где температура часто колеблется. ПИД-регуляторы температуры могут поддерживать заданную температуру независимо от изменяющихся условий системы.
Как и у любого другого промышленного регулятора, у ПИД-регуляторов температуры есть свои преимущества и недостатки.
Преимущества ПИД-регулятора температуры
Вот некоторые из преимуществ использования ПИД-регулятора температуры:
- Простая установка и реализация
- ПИД-регуляторы температуры — это интегрированные устройства, для работы которых требуется всего несколько внешних компонентов.
- Повышенная стабильность системы
- ПИД-регуляторы могут быстро компенсировать внешние возмущения в системе. Это очень важно в приложениях, чувствительных к температуре.
- Снижает установившуюся ошибку
- Обычные контроллеры двухпозиционного типа часто имеют большое перерегулирование. Это означает, что температура системы почти всегда может быть выше желаемого значения, даже если это происходит на долю времени. Правильно настроенный ПИД-регулятор может устранить эту проблему, достигнув заданной температуры без перерегулирования.
- Более быстрый ответ
- В большинстве случаев ПИД-регуляторы достигают уставки быстрее, чем любой другой контроллер. Это очень полезно в высокодинамичных системах для достижения и поддержания требуемой температуры.
Недостатки ПИД-регулятора температуры
ПИД-регуляторы также имеют некоторые присущие недостатки, которые могут быть проблематичными в некоторых ситуациях. Например,
- Сложности первоначальной настройки
- Большинство ПИД-регуляторов требуют ручной настройки пропорциональных, производных и интегральных констант контура управления. Вначале это может быть обременительно, так как может занять много времени, поскольку параметры неизвестны. Чтобы настроить ПИД-регулятор, вы можете выполнить шаги, показанные в этой видео.
- ПИД-регуляторы температуры
- ПИД-регуляторы, как правило, линейны. Это означает, что они лучше всего работают в линейных (предсказуемых) системах. Если система нелинейна, производительность может варьироваться.
ПИД-регулирование — это система управления с обратной связью, основанная на расхождении между заданным значением и значением процесса. Когда возникает внешнее возмущение, увеличивающее ошибку, ПИД-регулятор вмешивается и пытается свести ошибку к нулю. Это хорошо работает для возмущений более высоких величин. Однако для небольших изменений в системе ПИД-контуру может потребоваться больше времени для компенсации, и в некоторых случаях это может быть нежелательно.
Как настроить PID для контроля температуры?
Существует два типа настройки ПИД-регулятора. авто и ручная настройка. Автоматическая настройка следует алгоритму автоматического определения пропорциональных, интегральных и производных констант для контроллера. Ручной процесс требует проб и ошибок для правильной настройки контроллера. Автоматические контроллеры могут облегчить этот процесс, сузив значения конкретных констант.
Чтобы узнать, как настроить константы P, I и D конкретного контроллера, сначала обратитесь к его руководству пользователя. Кроме того, внося любые изменения, убедитесь, что они не окажут серьезного влияния на систему. В идеале вам понадобится контролируемая среда для выполнения процесса настройки.
Настройка ПИД-регулятора обычно начинается с определения пропорционального коэффициента усиления, при этом два других значения остаются постоянными. Установите пропорциональную постоянную на значение, при котором система начинает колебаться вокруг заданного значения. Вы можете увеличить текущее значение P в два раза, а если оно вызывает слишком сильные колебания, уменьшите его на 50% от увеличенного значения.
После достижения достаточно устойчивого колебания интегральный член можно настроить таким же образом. При настройке интегральной константы настраивайте ее так, чтобы система достигла заданного значения за наименьшее время. При настройке интегральной постоянной возможны выбросы и колебания.
Наконец, отрегулируйте постоянную производной, чтобы свести к минимуму колебания при внешних возмущениях.
Если вы используете более продвинутый ПИД-регулятор, такой как ПИД-регуляторы серии Omega Platinum, производитель может предложить специализированное программное обеспечение для более точной настройки системы. Также могут быть дополнительные функции, такие как выходы с фиксацией, аварийные сигналы и интеллектуальные алгоритмы автонастройки.
Применение ПИД-регуляторов температуры
ПИД-регуляторы температуры обычно используются в приложениях, где требуется более быстрое время отклика и более высокая точность.
Одним из таких приложений является шинная промышленность. При подготовке сырья и смешивании компаундов температура резиновой смеси должна поддерживаться на очень низком уровне, чтобы обеспечить надлежащую обработку материала.
В пищевой промышленности и производстве напитков, таких как пастеризация молока, температура должна быть очень точной, чтобы предотвратить рост бактерий и потерю важных питательных веществ. ПИД-регуляторы температуры используются для поддержания температуры молока в процессе пастеризации.
Еще одним применением ПИД-регуляторов является сектор здравоохранения. Такие машины, как испытательное оборудование, медицинские холодильники, инкубаторы и камеры выращивания, должны поддерживать температуру в очень жестких пределах. ПИД-регуляторы температуры почти всегда находят применение в этих системах.
Как выбрать ПИД-регулятор температуры?
При покупке ПИД-регулятора температуры обратите внимание на следующие ключевые характеристики:
- Тип ввода
- Контроллеру температуры требуется подходящий датчик для получения значения процесса. Это делается с помощью датчика температуры. Это может быть термопара (типа K, J, T или любая другая), RTD или даже цифровой датчик температуры в некоторых случаях. Выберите тот, который предназначен для использования в конкретном приложении.
- Диапазон температур
- Важно знать диапазон температур, при которых будет работать система. Учитывайте любые экстремальные ситуации, которым может подвергнуться система во время работы.
- Тип выхода
- Тип выхода может быть электромеханическим (релейным). SSR или цифровой выход.
- Контрольное действие
- Это может быть простое включение/выключение, относительное или ПИД-регулирование.
- Дополнительные возможности
- Проверьте, поддерживает ли устройство расширенную настройку и какие-либо дополнительные функции, такие как выходы сигналов тревоги, программируемые профили и поддержку интеграции с системами SCADA, если этого требует приложение.
Заключение
ПИД-регуляторы температуры используются во многих системах автоматизации для точного контроля и поддержания температуры. Существуют альтернативы ПИД-регуляторам, которые можно использовать в приложениях для контроля температуры, где такая точность и скорость не требуются.
