Guida alla regolazione del sistema di controllo PID per i circuiti di refrigerazione e di controllo HVAC

Una cella frigorifera impostata a meno 18 gradi Celsius che oscilla tra meno 15 e meno 20, facendo funzionare brevemente il compressore e ghiacciando un'estremità dell'evaporatore, di solito non è a corto di refrigerante. Manca un buon controllo. Il sistema di controllo PID decide quanto si apre la valvola di espansione, quando si chiude il solenoide della linea del liquido e quanto velocemente la stanza si ripristina dopo che una porta viene lasciata aperta. Nessun aggiustamento della carica risolverà un ciclo che si combatte da solo.

Prima la risposta breve. Un sistema di controllo PID è un controller ad anello chiuso che confronta un valore misurato con un valore target e corregge la differenza utilizzando tre termini ponderati: proporzionale, integrale e derivativa. Nei lavori di refrigerazione e condizionamento dell'aria l'aritmetica è la parte semplice. Ciò che decide se il circuito mantiene il suo obiettivo è il sensore, l'attuatore e se la regolazione corrisponde all'inerzia termica del carico.

Come un sistema di controllo PID corregge un errore

Ogni ciclo esegue la stessa sequenza. Il controller legge la variabile di processo, la sottrae dal setpoint per ottenere l'errore, calcola i tre termini, li somma e invia il risultato a un elemento di controllo finale. L'elemento agisce, il processo risponde, il sensore segnala e il ciclo si ripete. Un timer che fa funzionare un compressore per dieci minuti e lo lascia riposare per cinque non fa nulla di tutto ciò, motivo per cui il controllo ad anello aperto non può mantenere una stanza nonostante un carico variabile.

I tre termini e ciò che ciascuno risolve

Azione proporzionale

L'azione proporzionale produce un output proporzionale all'errore presente. Se la stanza si trova 2 K sopra il setpoint e il guadagno è impostato in modo tale che ogni Kelvin apre una valvola modulante dell'8%, la valvola si sposta al 16%. Questo termine svolge la maggior parte del lavoro durante un pull down.

Non può finire il lavoro da solo. Man mano che la stanza si avvicina al setpoint, l'errore si riduce e l'uscita con esso, finché la posizione della valvola non bilancia esattamente il carico. Quel punto di equilibrio si trova lontano dal setpoint e viene chiamato offset o errore di stato stazionario. Il controllo solo proporzionale spesso si stabilizza da 1 a 2 K fuori dal target, il che è tollerabile per un raffreddamento confortevole e non per un congelatore rapido.

Azione integrale

L'azione integrale somma l'errore nel tempo e continua a spingere finché la somma non smette di crescere, rimuovendo così l'offset. Il costo è tempo e, se impostato in modo aggressivo, supera i limiti. Quando la somma si accumula durante un periodo in cui l'uscita non può rispondere, come ad esempio un blocco dello sbrinamento, comanda l'uscita nel momento in cui il blocco viene annullato. Si tratta di un avvolgimento integrale ed è una causa comune di superamento di 5 K della memoria dopo uno sbrinamento.

Azione derivativa

L'azione derivativa risponde al tasso di variazione dell'errore, che smorza un ciclo che tende a superare il limite. Reagisce anche al rumore del sensore, poiché un trasduttore di pressione che si contrae di 0,2 bar per ogni periodo di campionamento sembra un tasso di cambiamento estremamente rapido. La maggior parte dei controllori di refrigerazione applica il termine derivativo alla variabile di processo anziché all'errore e lo accoppia con un filtro da uno a tre secondi. Laddove domina il ritardo di trasporto, ovvero nella maggior parte dei circuiti, la derivata viene lasciata a zero e viene invece utilizzato un anello PI.

Un esempio concreto. Una valvola di espansione elettronica che mantiene il surriscaldamento tra 5 e 8 K si basa sull'azione proporzionale per seguire il carico e sull'azione integrale per eliminare l'errore permanente. Se il surriscaldamento oscilla tra 2 K e 15 K, il termine derivato raramente è il colpevole. Il tempo di risposta del sensore e la risoluzione del gradino della valvola di solito lo sono.

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Metodi di accordatura e numeri realistici

Il tuning è il luogo in cui la teoria incontra la pianta. Tre approcci coprono la maggior parte del lavoro.

1. Sintonizzazione manuale. Azzerare i termini integrale e derivativo, aumentare il guadagno proporzionale finché il loop non oscilla costantemente, quindi dimezzarlo. Aggiungere un'azione integrale finché l'offset non viene annullato entro un tempo accettabile. Aggiungi la derivata solo se il superamento è ancora importante.
2. Ziegler e Nichols. Leggere il guadagno e il periodo definitivi dal test di oscillazione e applicare la tabella pubblicata. Il risultato è veloce e leggermente aggressivo, adatto a cicli di temperatura lenti.
3. Sintonizzazione automatica del relè. Il controller forza un piccolo ciclo limite attorno al setpoint e deriva il modello dalla sua ampiezza e periodo. È comodo, ma sintonizza il loop esattamente come trovato, compreso un sensore mal posizionato.

Punti di riferimento utili. Il ciclo di una stanza si aggiorna una volta al secondo. Un ciclo di surriscaldamento si aggiorna ogni 100-200 ms. Un circuito di acqua refrigerata dovrebbe mantenersi entro 0,5 K e una vetrina entro 1 K. Il campionamento molto più veloce della risposta del processo amplifica per lo più il rumore.

Dove il circuito di controllo incontra l'hardware

Tre decisioni hardware modellano il risultato più di qualsiasi costante di accordatura.

• Posizionamento e velocità del sensore. Una sonda nell'aria di ritorno vede la stanza, mentre una sonda fissata alla batteria vede la batteria. Un loop sintonizzato su uno e azionato sull'altro andrà in caccia.
• Risoluzione dell'attuatore. Un'elettrovalvola di accensione e spegnimento fornisce al circuito due posizioni, quindi il controller può solo variare il ciclo di lavoro. Una valvola modulante gli dà 200 posizioni o più.
• Protezione indipendente. Un controller della pressione di refrigerazione commuta il compressore o la ventola del condensatore a una pressione fissa indipendentemente da ciò che richiede il circuito di temperatura, evitando che un sensore guasto diventi un compressore guasto.

Il comportamento nel tempo conta tanto quanto il comportamento il giorno della messa in servizio. Un solenoide della linea del liquido che esegue un ciclo ogni 40 secondi accumulerà centinaia di migliaia di operazioni in pochi anni, quindi il design della sede, la classe di isolamento della bobina e l'accesso all'azionamento manuale diventano criteri di selezione pratici. Note su mantenendo stabile un'elettrovalvola EVR per una lunga durata vale la pena leggerli prima che venga fissata una tariffa ciclistica.

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Quando il loop si comporta male: sintomi e cause

• Ampio superamento dopo lo sbrinamento: avvolgimento integrale o termine dello sbrinamento impostato in base al tempo anziché alla temperatura della batteria.
• Oscillazione regolare ogni due-cinque minuti: guadagno proporzionale troppo alto o valvola sovradimensionata per il carico.
• Offset costante che non si cancella mai: controllo solo proporzionale o un attuatore che ha raggiunto il limite di corsa.
• Jitter casuale senza causa fisica: azione derivativa che amplifica il rumore del sensore o tasca della sonda allentata.
• Cicli brevi con carico leggero: isteresi impostata al di sotto della banda morta del circuito o una banda morta inferiore alla precisione del sensore.
• Una parte del case è fredda e il resto è caldo: posizione del sensore, non sintonizzazione.

Il controllo in cascata ne elimina una parte. Il circuito esterno legge la temperatura ambiente e scrive un setpoint, mentre il circuito interno legge le condizioni dell'evaporatore o di aspirazione e aziona la valvola. Il circuito interno reagisce in pochi secondi, prima che la stanza si muova, riducendo così il superamento dei sistemi con lunghi ritardi di trasporto.

Cosa controllare prima di effettuare un ordine

1. Quale intervallo di controllo e risoluzione sono richiesti? Una valvola che modula dal 10 al 100% del carico è un prodotto diverso da una che si apre completamente al 20%.
2. Qual è la precisione e il tempo di risposta del sensore e la zona morta del circuito è più ampia dell'errore del sensore?
3. Quale numero di cicli è previsto per tutta la durata di servizio e i materiali della sede e della bobina lo supportano?
4. I raccordi in rame e ottone e i materiali delle valvole sono adatti al refrigerante e all'olio in uso?
5. I ricambi, le tensioni della bobina e le opzioni di comando manuale sono disponibili nella stessa serie, quindi una riparazione non richiede la rielaborazione della staffa?
6. Il fornitore può lavorare partendo da un disegno o da un campione se il circuito necessita di dimensioni della porta o caratteristiche di flusso non standard?

I fornitori che costruiscono i componenti di controllo e comprendono i circuiti in cui si trovano colmano queste lacune più velocemente. Un produttore con un laboratorio di test interno e capacità di sviluppo personalizzato può confermare un coefficiente di flusso o una potenza nominale della bobina dal disegno piuttosto che da una nota a piè di pagina del catalogo.

Punti chiave da ricordare

• Un sistema di controllo PID è un circuito chiuso: misura, confronta, correggi, ripeti.
• L'azione proporzionale reagisce all'errore presente, l'azione integrale cancella il passato, l'azione derivativa anticipa i prossimi secondi.
• La maggior parte dei circuiti di refrigerazione funziona meglio come PI, con la derivata riservata a misurazioni ben filtrate e a risposta rapida.
• La regolazione non può compensare un sensore lento, una valvola sovradimensionata o una sonda nel posto sbagliato.
• La durata del ciclo e la compatibilità dei materiali determinano se il ciclo funzionerà ancora nel terzo anno.

Il vero test di un circuito non è la risposta al gradino il giorno della messa in servizio. Si tratta di verificare se il caso sia ancora valido nel pomeriggio più caldo dell'anno, dopo uno sbrinamento e con la batteria parzialmente bloccata. Progetta l'hardware in base a tale requisito e i numeri di accordatura diventano la parte facile.