Dobór nastaw regulatorów temperatury PID

W aplikacjach, w których regulacja temperatury ma kluczowe znaczenie, bardzo często wykorzystuje się regulatory PID. Ich nastawy dobiera się jednak inaczej niż dla innych procesów. Funkcje automatycznego doboru nastaw mogą być pomocne, jeśli rozumie się zasadę ich działania.
Jeśli na co dzień pracujesz z regulatorami temperatury PID, najprawdopodobniej już wiesz, że regulacja temperatury może sama w sobie stanowić wyzwanie, a jest dodatkowo komplikowana przez różne wymagania. Ta dyskusja ma na celu wyjaśnienie, jak działają regulatory i jak rozpocząć pracę z regulatorami temperatury. Staraliśmy się unikać niepotrzebnego żargonu, zastępując go prostą terminologią i definicjami, które będą pomocne podczas studiowania dokumentacji urządzeń. Miej jednak na uwadze, że tak jak same procesy, regulatory różnią się między sobą i byłoby bardzo nieodpowiedzialne twierdzić, że nasze doświadczenie obejmuje wszystkie możliwe przypadki i na pewno się nie mylimy. Jeśli zdecydujesz się na zmiany w systemie sterowania, prosimy o zachowanie ostrożności i wzięcie pod uwagę pesymistycznych scenariuszy wydarzeń.
Po co stroić regulatory?
Regulator PID musi wiedzieć, jak wiele ciepła trzeba dostarczyć, aby osiągnąć zadaną temperaturę i jakie jest opóźnienie między załączeniem grzania a zauważalnym (mierzalnym) wzrostem temperatury. Te zależności mają swoje odbicie w nastawach. Dokładne nazwy parametrów regulatorów (nastaw) zależą od producenta, ale typowe nazwy to: wzmocnienie proporcjonalne, stała całkowania i stała różniczkowania. Sprawdź w dokumentacji, jak nazywano parametry Twojego regulatora. Regulator nie zna właściwych wartości parametrów dla danego procesu, ponieważ każdy proces jest inny.
Źle dobrane nastawy to oscylacje temperatury wokół wartości zadanej, zbyt wolna reakcja na zmianę wartości zadanej lub znaczne przekroczenie wartości zadanej (zwane przeregulowaniem) szczególnie widoczne podczas skokowych zmian wartości zadanej temperatury – np. w fazie uruchamiania. Wpływ działania regulatorów na produktywność jest znaczny – operatorzy muszą czekać, zmniejszać wydajność, pojawiają się również wadliwe produkty.
Jak mam nastroić regulator?
Najprostsza metoda strojenia regulatora to skorzystanie z opcji automatycznego doboru nastaw. Niemal każdy elektroniczny regulator temperatury ma taką funkcję, jednak nie wszystkie z nich pracują w ten sam sposób. Aby dowiedzieć się, w jaki sposób najlepiej z niej skorzystać, przeczytaj instrukcję albo skontaktuj się z producentem. Niektóre z procedur dobierają nastawy, pozwalając obiektowi nagrzewać się od otoczenia. Inne podgrzewają obiekt do zadanej temperatury pracy. Niezależnie od tego, jak działa automatyczny dobór nastaw, parametry regulatorów zostaną znalezione i nie musisz tego robić Ty. Zanim jednak uruchomisz procedurę doboru, rozważ następujące opcje i konsekwencje:

  • Podczas automatycznego doboru nastaw temperatura obiektu może przekroczyć zadaną temperaturę. Niektóre procedury poszukują najlepszych nastaw, oscylując wokół wartości zadanej. Aby ograniczyć temperaturę, nastaw niższą jej wartość zadaną i cały czas obserwuj aktualną temperaturę obiektu. Jeśli w czasie procedury temperatura nie przekraczała limitu, możesz nieco zwiększyć wartość zadaną i uruchomić procedurę doboru nastaw ponownie.
  • Funkcja automatycznego doboru nastaw ma zwykle ograniczenie czasowe, dlatego bardzo powolne procesy mogą sprawiać problemy. Sprawdź nastawy przed uruchomieniem automatycznego ich doboru i po jego zakończeniu. Jeśli nastawy są takie same, oznacza to, że nastawy nie zostały znalezione z powodu błędu. To dobry powód, aby zwrócić się o pomoc do producenta.
  • To, czy otrzymane nastawy są „dobre”, zależy od procesu. Niektóre regulatory mają możliwość parametryzowania funkcji automatycznego doboru nastaw. Na przykład wybrane modele regulatorów Watlow pozwalają użytkownikowi decydować, czy poszukiwane są nastawy dające najszybszą reakcję na zmianę temperatury, ale z pewnym jej przeregulowaniem, czy ważniejszy jest brak przeregulowania.

Aby otrzymać najlepsze rezultaty, upewnij się, że warunki pracy systemu w czasie doboru nastaw są takie same jak późniejsze warunki normalnej pracy. W uzyskaniu dobrych wyników automatycznego doboru nastaw mogą pomóc nasze rady:

  • Ustaw wartość zadaną przed uruchomieniem procedury doboru nastaw.
  • Przed uruchomieniem procedury poczekaj na tyle długo, aby mieć pewność, że temperatura obiektu jest stabilna.
  • Dobieraj nastawy gotowego do pracy systemu zainstalowanego w docelowym miejscu, a nie w warunkach laboratoryjnych.
  • Wartość napięcia zasilania elementu grzejnego musi być taka sama podczas testów i pracy. Jeśli nastawy zostaną dobrane dla napięcia 240 V, a spadki napięć w fabryce obniżą je do 208 V, regulatory najprawdopodobniej trzeba będzie stroić jeszcze raz.
  • Strojnie pieca przeprowadzaj z jego prawdziwym wsadem. Piec pełen metalowych produktów nagrzewa się inaczej niż gdy jest pusty.
  • Dobieraj nastawy dla kompletnego systemu. Maszyna bez osłon może zachowywać się inaczej.
  • Przyjrzyj się zewnętrznym, zakłócającym źródłom ciepła – ich wpływ może być zaskakująco duży.
  • Przeanalizuj wszystkie odbiorniki ciepła. Wydajność wspólnego dla wielu maszyn odprowadzenia ciepła może się zmieniać w zależności od ilości pracujących maszyn.
  • Określ przedział normalnych temperatur pracy dla maszyny. Dobierz nastawy dla skrajów i środka tego zakresu. Jeśli liczba punktów pracy nie jest wielka, uruchom procedurę automatycznego doboru nastaw dla każdego z nich. Zapisuj otrzymane nastawy, ponieważwiększość regulatorów zastępuje stare po dobraniu nowych. Ze wszystkich otrzymanych nastaw wybierz najmniejsze wzmocnienie, największą stałą całkowania (najdłuższy czas zdwojenia) oraz największą stałą różniczkowania – te nastawy zapewniają największą stabilność.
  • Jeśli między obiektami sterowanymi przez różne regulatory może przepływać ciepło, dobieraj nastawy dla każdego obiektu tylko wtedy, gdy pozostałe mają stałą temperaturę.
  • Jeśli produkty i ciepło przepływają między różnymi strefami grzejnymi, dobieraj nastawy po kolei, zgodnie z kierunkiem przepływu.

Po czym poznać właściwe nastawy?
Regulator jest nastrojony właściwie, jeżeli zadana temperatura osiągana jest szybko i bez nadmiernych oscylacji. Oczywiście określenia „szybko” oraz „nadmierne” są względne i tak jak wspomniano wcześniej, niektóre procesy tolerują małe przeregulowanie pozwalające skrócić czas osiągnięcia wartości zadanej, inne nie. Dla systemów dopuszczających przeregulowanie poszukujemy przebiegów pokazanych na wykresie. Ważnym dla nas kryterium oceny doboru nastaw jest nie tylko stabilność temperatury, ale również stabilność sygnału wyjściowego regulatora – oscylacje nie powinny być większe niż kilka procent.
Wykorzystaj oprogramowanie. np. SpecView do sporządzenia wykresów temperatury, wartości zadanych i wykorzystanej mocy grzejnej. Za pomocą wykresów możesz ocenić jakość regulacji, mierząc czas osiągnięcia wartości zadanej, stabilizacji sygnału, amplitudę oscylacji itd. Na tej podstawie będziesz mógł zdecydować, czy dobrane automatycznie nastawy spełniają twoje kryteria.
Automatyczny dobór nastaw nie działa…
Jeśli przebieg temperatury nie jest właściwy, rozważ następujące możliwości:

  • Czy procedura automatycznego doboru nastaw była przeprowadzona w idealnych warunkach? Zapoznaj się z wcześniejszymi wskazówkami. Jeśli z systemem było coś nie tak, popraw to i powtórz procedurę.
  •  Jeśli temperatura osiągnęła wartość zadaną, a moc grzania nie zawiera się w przedziale 1090%, szukaj problemu w postaci braku osłony albo awarii elementu grzejnego. Przyczyną może być też zła konstrukcja albo błąd montażu.
  • Jeśli moc grzania wynosi 100%, a wartość temperatury nie wzrasta albo nigdy nie osiąga wartości zadanej, wyłącz element grzejny i sprawdź, czy czujnik temperatury jest sprawny, dobrze podłączony i znajduje się w odpowiednim miejscu. Jeśli przyczyną nie jest czujnik, ustal, dlaczego nie ma wystarczającej mocy grzejnej albo co zabiera tak dużo ciepła. Dobór nastaw najprawdopodobniej nie jest problemem.
  • Czy ewentualne oscylacje temperatury nie są spowodowane przełączającym elementem mocy? Jeśli częstotliwość oscylacji temperatury jest taka sama jak częstotliwość przełączania stycznika, zwiększ częstotliwość przełączeń, a jeśli to niemożliwe, wymień go na półprzewodnikowy odpowiednik – jest znacznie szybszy.
  • Jeśli jakość regulacji jest niska ze względu na zmienne warunki pracy, rozważ adaptacyjny dobór nastaw – część regulatorów ma tę funkcję.

Tryb ręczny
Jeśli nastawy wypracowane przez automatyczne procedury nadal nie są satysfakcjonujące, możesz spróbować nastroić regulatory ręcznie. Dokładne instrukcje ręcznego strojenia regulatorów PID wykraczają poza ramy tego artykułu, ale istnieją podstawowe reguły takiego strojenia:

  • Jeśli temperatura nie osiąga wartości zadanej wystarczająco szybko, można to poprawić, jednak trzeba się liczyć z przeregulowaniem.
  • Jeśli temperatura nie stabilizuje się w zadanym czasie, można to poprawić kosztem pogorszonej reakcji na zmianę wartości zadanej.
  • Jednocześnie zmieniaj tylko jeden parametr regulatora.
  • Upewnij się, że wiesz, jakzmiana danego parametru wpływa na działanie regulatora.
  • Zmieniaj dany parametr, zwiększając lub zmniejszając jego wartość dwukrotnie. Mniejsze zmiany dla większości regulatorów nie będą zauważalne.
  • Zmieniaj wartość zadaną, aby sprawdzić działanie regulatora w różnych punktach pracy.
  • Zanim zmienisz nastawy i rozpoczniesz kolejny test, poczekaj na tyle długo, aby mieć pewność, że poprzednia próba już się zakończyła. Czas oczekiwania zależy od dynamiki układu. Jeśli pojawiają się oscylacje, poczekaj do ich trzeciego/czwartego cyklu.
  • Sporządzaj wykresy odpowiedzi układu i nanoś na nie nastawy, dla których zostały sporządzone. To pomoże jeszcze lepiej poznać wpływ nastaw na przebieg temperatury.
  • Sporządzaj wykres mocy. Jeśli napięcie wyjściowe oscyluje, mimo że temperatura jest stabilna, system jest najprawdopodobniej niestabilny. Moc wyjściowa jest jak szklana kula – mówi co system chce zrobić, zanim zrobi to element grzejny i przefiltruje czujnik temperatury.

Mamy nadzieję, że te sugestie pomogą zwiększyć jakość regulacji Twoich regulatorów. Więcej informacji o strojeniu regulatorów PID można znaleźć (w języku angielskim) na stronie firmy Watlow.
Jason Beyer jest specjalistą ds. regulatorów i przełączających elementów mocy w Waltow, gdzie pracuje od 32 lat.
Sean Wilkinson jest menedżerem ds. wielopętlowych regulatorów i oprogramowania w Waltow, gdzie pracuje od 15 lat.
CE