كيف تعمل وحدة التحكم PID؟ شرح النسبي والتكاملي والمشتق

إذا انجرفت غرفة باردة بمقدار 2 كيلو فوق النقطة المحددة لها، ثم 3 كيلو تحتها، وتكررت هذه الدورة كل بضع دقائق، فسيتم إلقاء اللوم على وحدة التحكم قبل أن يقوم المستشعر أو الصمام أو حركة مرور الباب. في معظم الأحيان، يكون الجهاز جيدًا وإعدادات الحلقة ليست كذلك.

الإجابة المختصرة لكيفية عمل وحدة التحكم PID: فهي تقيس متغير العملية، وتقارنه بنقطة ضبط، وتدير مشغلًا بتصحيح مبني على ثلاثة مصطلحات. يجيب المصطلح المتناسب على الخطأ الموجود الآن. يجيب المصطلح المتكامل على الخطأ الذي تراكم مع مرور الوقت. يجيب المصطلح المشتق على مدى سرعة تغير الخطأ. عند إضافتها معًا، فإنها تنتج الإخراج الذي يفتح الصمام، أو يغير سرعة المروحة، أو يقلل من قدرة الضاغط.

الفكرة الأساسية: القياس والمقارنة والتصحيح

تتكون كل حلقة PID من أربعة أجزاء: مستشعر يقوم بالإبلاغ عن متغير العملية، ووحدة تحكم تحمل نقطة الضبط وتقوم بالحسابات، ومشغل يمكنه تغيير العملية، والعملية نفسها. يقوم المستشعر بتغذية وحدة التحكم، وتقوم وحدة التحكم بتحريك المشغل، ويغير المشغل ما يقرأه المستشعر. تلك الدائرة هي الحلقة المغلقة.

تقوم وحدة التحكم بتكرار عملية حسابية واحدة في فترة زمنية محددة، وهي وقت العينة. فهو يطرح القيمة المقاسة من نقطة الضبط ويسمي الفرق بالخطأ. في تطبيق التبريد، القيمة المقاسة أعلى من نقطة الضبط تعطي خطأً إيجابيًا ومزيدًا من التبريد. قم بتكوين الحلقة بطريقة خاطئة وستصبح ذات تأثير عكسي في حين أنها يجب أن تعمل بشكل مباشر؛ سوف يهرب بدلاً من أن يستقر، ولن يتمكن أي قدر من الضبط من إصلاحه.

يتطابق الإخراج مع ما يتوقعه المشغل: من 0 إلى 10 فولت لصمام التعديل، أو من 4 إلى 20 مللي أمبير لجهاز تحديد الموضع، أو جهة اتصال مرحل للضاغط، أو تعديل عرض النبض للسخان. يقوم مخرج الترحيل بتحويل حساب PID إلى قرار عتبة، لذا فإن دقة الحلقة تعتمد على عدد المرات التي يُسمح فيها لجهة الاتصال بالتبديل.

ما تفعله المصطلحات الثلاثة في الواقع

كل مصطلح له وظيفة، ويمكن إيقاف تشغيل كل مصطلح عن طريق ضبط ربحه على الصفر. تعمل العديد من حلقات العمل كوحدات تحكم PI، لأن الإجراء المشتق لا يضيف سوى القليل إلى عملية درجة الحرارة البطيئة.

مصطلح النسبي

المصطلح التناسبي يضاعف الخطأ الحالي بالربح. مع ربح قدره 2 وخطأ قدره 3 K، يتحرك الخرج 6 وحدات. المزيد من الكسب يعني تصحيحًا أسرع، ولكن بعد نقطة تتأرجح الحلقة، لأن وحدة التحكم تتفاعل مع قياس لم تنته العملية من الإجابة عليه. نادرًا ما تصل وحدة التحكم التناسبية فقط إلى نقطة الضبط تمامًا. إنه يستقر عندما يكون الخطأ المتبقي كبيرًا بما يكفي للاحتفاظ بالمخرجات التي تحتاجها العملية، ويتم تعويض هذا المتبقي في الحالة المستقرة.

مصطلح متكامل

يتراكم المصطلح المتكامل الخطأ بمرور الوقت ويستمر في إضافة التصحيح أثناء استمرار الخطأ، ويتم التعبير عنه عادةً بالتكرار في الدقيقة أو الثواني لكل تكرار. إنه يزيل الإزاحة، وهذا هو السبب في أن حلقة PI يمكنها الاحتفاظ بدرجة حرارة الماء المبرد في المكان الذي تريده بالضبط. والثمن هو التأخر: فالفعل المتكامل يعتمد على التاريخ، لذا فهو يستمر في الدفع بعد انتهاء الخطأ وينتج تذبذبًا بطيئًا يستغرق ظهوره وقتًا أطول بكثير من التذبذب المتناسب. وينتهي الأمر أيضًا. إذا كان الصمام مفتوحًا بالكامل بالفعل، فإن المصطلح يستمر في تراكم التصحيح الذي لا يمكن تحقيقه، وتتجاوز الحلقة بشكل سيئ عندما ينعكس الخطأ أخيرًا.

مصطلح مشتق

يستجيب المصطلح المشتق لمعدل تغير الخطأ ويقاوم الحركة، مما يثبط الحلقة ويسمح بكسب نسبي أعلى. كما أنه يعمل على تضخيم ضوضاء المستشعر، لأن القراءة الصغيرة المزعجة خلال فترة زمنية قصيرة للعينة تبدو وكأنها معدل تغيير كبير. ومن الناحية العملية، تتم تصفية الإجراء المشتق، أو حسابه على أساس القياس بدلاً من الخطأ، أو ببساطة تركه عند الصفر.

مثال على التبريد: التحكم في الحرارة الزائدة

خذ صمام التوسع الإلكتروني على المبرد. المتغير الذي يتم التحكم فيه هو ارتفاع درجة الحرارة عند مخرج المبخر، وقد تكون نقطة الضبط 5 K، والمشغل هو محرك الصمام أو الملف اللولبي المتناسب. عندما ترتفع درجة الحرارة فوق نقطة الضبط، يفتح الصمام لإدخال المزيد من مادة التبريد. يفتح الحد التناسبي الصمام بما يتناسب مع الخطأ، ويستمر الحد التكاملي في دفعه مفتوحًا حتى تستقر الحرارة الزائدة، ويؤدي الحد المشتق، حيث يتم استخدامه، إلى إبطاء الفتح عندما تبدأ الحرارة الزائدة في الانخفاض حتى لا يتجاوز الصمام غمره السائل.

يظهر نفس الهيكل عبر مصنع التبريد. غالبًا ما يتم التحكم في ضغط التكثيف عن طريق تعديل سرعة مروحة المكثف، مما يجعلها حلقة ضغط. يمكن تقليص سعة الضاغط بواسطة حلقة تحول خطأ ضغط الشفط إلى أمر عاكس. تتمتع حلقات درجة حرارة الغرفة والمنتج بوقت طويل وعادة ما تعمل بدون إجراء مشتق.

جهاز التحكم في ضغط التبريد مع عرض المؤشر الميكانيكي يوفر مراقبة الضغط المرتفع والمنخفض مع إعادة الضبط التلقائي، مما يساعد على حماية الضواغط والمراوح وصمامات الصرف في أنظمة التبريد. عرض المنتج →

ضبط دون التخمين

تتفاعل المصطلحات، لذلك يتبع الضبط ترتيبًا ثابتًا:

1. ضع الحلقة يدويًا وتأكد من أن المشغل يتحرك في نطاقه الكامل دون أن يلتصق.
2. اضبط التكامل والمشتق على الصفر، ثم ارفع الكسب النسبي حتى يُظهر القياس تذبذبًا صغيرًا ومستمرًا.
3. خفض الربح النسبي إلى حوالي نصف تلك القيمة.
4. أضف الإجراء المتكامل ببطء حتى يختفي الإزاحة خلال فترة زمنية مقبولة.
5. أضف مشتقًا فقط إذا بقي التجاوز وكانت الإشارة نظيفة.

الوقت الميت يقرر مدى صعوبة دفع الحلقة. إذا كانت العملية تحتاج إلى 60 ثانية للاستجابة لحركة الصمام وكان ثابت وقتها 300 ثانية، أي بنسبة 0.2، فإن القواعد الكلاسيكية مثل زيجلر نيكولز أو ضبط لامدا تنتج مكاسب قابلة للتطبيق. إذا كان الوقت الميت مشابهًا لثابت الوقت، على سبيل المثال، جهاز استشعار مثبت بعيدًا أسفل الصمام، فلن يؤدي أي شيء إلى جعل الحلقة سريعة، والإصلاح الحقيقي هو تحريك المستشعر أو إضافة تغذية للأمام.

مشاكل عملية على أرضية المصنع

تنقسم معظم مشكلات التشغيل إلى عدة فئات:

• إنهاء متكامل. يتشبع الإخراج مقابل الحد بينما يظل الخطأ، وتتجاوز الحلقة عندما ينعكس الخطأ. المنطق المضاد للرياح ولقط الإخراج يحلها.
• ضجيج الاستشعار. يمكن للمرشح الذي يكون ثابته الزمني قريبًا من وقت العينة أن يضاعف الوقت الميت للحلقة تقريبًا. تصفية المدخلات وليس المخرجات.
• المحرك مسدود. إن الصمام الذي يحتاج إلى تغيير في الإخراج بنسبة 3 بالمائة قبل أن يتحرك يضع حدًا صارمًا لمدى إحكام الحلقة.
• وقت العينة. لا يمكن للحلقة التي يتم فحصها مرة واحدة في الدقيقة التحكم في عملية ذات وقت ثابت قدره 30 ثانية.
• عدم الخطية. قد يحتاج الصمام الذي يكون لطيفًا بالقرب من منتصف السير ومفاجئًا بالقرب من المقعد إلى جدولة الربح أو الإخراج المميز.

حيث يلتقي PID مع أجهزة التبريد والتكييف

لا يهم إخراج PID إلا إذا كان المشغل يمكنه استخدامه. تقبل صمامات الملف اللولبي النسبي، وصمامات التمدد الإلكترونية، ومحركات التردد المتغير على مراوح المكثف، وصمامات التحكم في التدفق ثلاثية الاتجاه، إشارة مستمرة وتعديلها. إن أجهزة التشغيل والإيقاف مثل صمامات الملف اللولبي القياسية، وصمامات التمدد الحراري من نوع اللمبة، ومفاتيح الضغط الميكانيكية هي أجهزة عتبة، لذا فإن وحدة التحكم PID التي تقودها تولد بالفعل دورة عمل.

يغير هذا الاختلاف كيفية الحكم على المكونات. الصمام الذي يتبع إشارة التعديل لسنوات يتآكل بشكل مختلف عن الصمام الذي يتحول عدة مرات في الساعة، ولهذا السبب التشغيل طويل الأمد لصمام الملف اللولبي المعدل يستحق الاهتمام قبل تشغيل الحلقة.

الموردين مثل Dingsen، تصنيع قطع غيار التبريد وتكييف الهواء للسيارات منذ عام 2008 ، قم ببناء وحدات التحكم في الضغط، والصمامات، والتجهيزات النحاسية الموجودة في الطرف المتلقي لتلك الإشارات.

صمام الملف اللولبي EVR للتبريد وتكييف الهواء يتحكم في تدفق غاز التبريد في خطوط السائل والشفط والغاز الساخن، مع خيارات التشغيل المباشر والتشغيل التجريبي لأنظمة التبريد. عرض المنتج →

صمام التمدد الحراري مع تحكم في الحرارة الزائدة قابل للتعديل ينظم تدفق سائل التبريد للحفاظ على الحرارة الفائقة، ويتميز بجسم من النوع H وإمكانية ضبط الحرارة الثابتة من 0 إلى 8 درجات مئوية لأنظمة التبريد. عرض المنتج →

تحديد وحدة التحكم: ما الذي يجب التحقق منه

• نوع الإدخال ونطاقه، المطابقان للمستشعر الفعلي: NTC، PT100، من 4 إلى 20 مللي أمبير، أو من 0 إلى 10 فولت.
• نوع الإخراج والدقة: مرحل، محرك مرحل الحالة الصلبة، التيار، الجهد، أو PWM.
• معدل العينة، سريع بما يكفي للعملية ولكن ليس بالسرعة التي تهيمن فيها الضوضاء على الحساب.
• ضبط تلقائي، ومضاد للرياح، ونقل بدون نتوءات بين الوضعين اليدوي والتلقائي.
• حدود الإخراج والإنذارات، بما في ذلك المشابك العالية والمنخفضة للمصطلح المتكامل.
• البيئة: تركيب اللوحة أو سكة DIN، وتصنيف IP، ودرجة الحرارة المحيطة، والاهتزاز، وتحمل جهد الإمداد.

وحدة التحكم PID عبارة عن ثلاثة تصحيحات يتم جمعها معًا وتكرارها على مدار الساعة: واحد ضد الخطأ الحالي، وواحد ضد الخطأ المتراكم، وواحد ضد سرعة التغيير. تحدد فيزياء العملية سقف الأداء، وتقرر الإعدادات مدى قرب الحلقة من الأداء. احصل على اتجاه المشغل الصحيح، وقم بقياس الوقت الميت بأمانة، وحافظ على المكاسب متواضعة. يحل هذا المزيج حلقات أكثر من أي جلسة ضبط قوية.