Guía completa para usar el Control de temperatura PID

 Un controlador de temperatura PID (proportional-integral-derivada) ofrece un poderoso medio para lograr una regulación de temperatura precisa, estable y sensible. La guía explica los conceptos básicos, cómo usarlos y sus aplicaciones prácticas.

1. Entender el control PID: ¿Cuáles son los fundamentos?

El sistema PID es fundamentalmente un bucle de retroalimentación que ajusta automáticamente un proceso para mantenerlo en un punto de ajuste. Esto se hace calculando un valor de error que representa la diferencia entre una medición actual (variable de proceso), y un valor deseado (setpoint). PID es más sofisticado que los métodos más simples de control. No lo hace#39;t sólo reacciona a los errores actuales, pero también considera su historia y predice tendencias futuras.

2. PID es un acrónimo que significa los tres componentes de PID.

Proporcional (P). El componente produce una corrección proporcional al currenterror. La corrección será mayor si hay una diferencia de temperatura significativa. Esta corrección 's la fuerza está determinada por el ' proporcional gain', que puede ser denotado con Kp. Aunque el control P es efectivo en la implementación de reacciones rápidas, puede dejar un error residual conocido como error de estado estacionario.

Entero (I): el componente Integral está diseñado para eliminar el error en el estado constante causado por las acciones proporcionales. El sistema funciona sumando todos los errores con el tiempo, y luego aplicando correcciones basadas en estos errores acumulados. Este error acumulado está influenciado por el ' tiempo constante Integral#39; (Ti), or 'Reset Time.' Las acciones integrales garantizan que el sistema no se conforma con desviaciones a largo plazo del punto de referencia.

(D) este componente es una mirada hacia adelante. Este componente calcula la tasa de cambio y luego aplica la corrección de acuerdo con este cálculo. Una acción derivada ayudará A ralentizar el proceso si la temperatura se acerca al punto de ajuste A un ritmo rápido. En el caso contrario, es posible amortiguar la temperatura si hay rápidos aumentos de error (indicando un potencial de inestabilidad). Este componente predictivo es controlado por el ' derivada constante de tiempo (Td), or ' ganancia derivada (Kd). La acción derivada es potente, pero también puede ser afectada por ruido.

Combinando estos tres componentes, un control PID puede ofrecer una estrategia de control mati, eficaz y eficiente. Esto es especialmente cierto para los sistemas que tienen inercia, o grandes retrasos. Estos se encuentran a menudo en el control de temperatura.

3. Bloques de construcción: componentes en un sistema PID

Se necesita más que la unidad PID para lograr un control preciso de la temperatura. Se requiere un sistema completo, que incluya varios elementos esenciales.

 Los controladores PID están disponibles para aplicaciones simples. Los sistemas complejos pueden integrar PID en un controlador lógico programable o en un sistema de Control distribuido.

Sensor de proceso: mide la temperatura en el proceso. Los termopares se utilizan comúnmente (tienen un amplio rango de temperatura y pueden soportar temperaturas variables), así como detectores de temperatura de resistencia. Los sensores deben trabajar con controladores (por ejemplo, los tipos de entrada J, K o RTD Pt100 y Pt1000).

El dispositivo de salida: el controlador manipulará este elemento para alterar la temperatura del proceso. Algunos ejemplos incluyen:

Controladores de estado sólido: usados para controlar elementos de calentamiento usando modulación de ancho de pulso (PWM) y otros métodos.

Setpoint: es la temperatura objetivo que el controlador se esfuerza por mantener.

Circuito de retroalimentación: este sistema utiliza mediciones continuas (retroalimentación), para comparar temperaturas reales (variables de proceso) con el punto de ajuste. El control de circuito cerrado es esencial para el control automatizado.

Para usar un controlador PID con éxito, es importante entender estos componentes.

H2 implementation PID control: A Step-byStep Guide (en inglés)

La planificación y ejecución son esenciales para usar un controlador PID. Esta es una guía de aplicación general.

4. Defina los requisitos de su aplicación:

¿Cuál es el rango objetivo de temperatura? ¿Cuál es la precisión requerida (por ejemplo, +-0.1degC o +-1degC?

¿Qué tan rápido puede calentar y enfriel sistema?

Cómo elegir el mejor Hardware de controlador:

Elija el sensor de temperatura adecuado.

Seleccione el actuador adecuado en función de su aplicación (potencia de los elementos de calefacción, tamaños de ventilador, tipos de válvula).

Instalación:

Instalel controlador en un locati0n protegido del calor o de condiciones extremas.

Instale la fuente de alimentación de acuerdo con las especificaciones del fabricante y las instrucciones de seguridad.

Conecte el sensor de termopares con cuidado a los terminales de entrada del controlador, asegurándose de que la polaridad es correcta y la compensación de Unión fría está configurada.

Conecte la salida del controlador al actuador que ha elegido, asegurándose de que la tensión/corriente es compatible. También asegúrese de que el cablesea seguro.

Configuración:

Inicie el controlador, y luego acceda a sus ajustes (normalmente a través de un teclado, botones o una interfaz conectada a un ordenador).

Elija el dispositivo de temperatura adecuado (degC/degF).

Establecer el valor de ajuste deseado (SP).

Ajuste los parámetros de Control:

Modo de Control: seleccione modo de Control. (P, PID, PD o PI). Elija el modo apropiado para su aplicación (a menudo, PID será el objetivo o predeterminado).

Parámetros de ajuste: seleccione la ganancia proporcional (Kp), el tiempo integral (Ti), o el tiempo derivado (Td). Suele ser el paso más complejo y crítico.

Establezca los límites necesarios, incluidos los puntos de alerta alta/baja, los niveles de saturación de salida (por ejemplo, 0-100%) y las cerraduras de seguridad si es necesario.

Ajuste el formato de visualización deseado y todas las opciones de comunicación si es necesario.

Puesta a punto inicial y pruebas:

Más simple: usar sólo el control P. La ganancia proporcional debe ser ajustada hasta que el sistema sea capaz de responder rápidamente y sin oscil. No el valor de Kp.

Acción Integral introducida: después de que se haya logrado un control estable P, introduzca acciones integrales estableciendo gradualmente los valores de Ti (o su equivalente). La acción Integral puede ayudar a reducir los errores de estado estacionario. Un exceso de liquidación integral puede conducir a la inestabilidad. Al ajustar Ti, asegúrese de que el sistema es estable y no hay errores.

Añadir una derivada (opcional, pero útil): una acción derivada mejora la estabilidad y puede reducir el overshoot. Establecer una baja Td y ver la respuesta del sistema. Si es necesario, ajuste Ti y Td. Si la acción derivada es demasiado fuerte o causa problemas, se puede desactivar.

Monitor: preste mucha atención a la respuesta de la temperatura durante el ajuste. Puede utilizar características como 'Bump Testing' O pequeños ajustes manuales del punto de ajuste para evaluar el rendimiento.

Afinación H2: arte y ciencia para hacerlo bien

El paso más importante para afinar un PID es encontrar los ajustes correctos. Los controladores dessintonipueden causar una respuesta lenta, oscilo inestabilidad del sistema. La comprensión y experimentación son necesarias para encontrar los mejores valores de Kp, Td, y Ti. Hay varios métodos, desde prueba y error a las características de autotune a menudo incluidas en los controladores modernos.

5. Métodos de ajuste Manual:

Método de respuesta paso a paso: cambiar la temperatura del proceso o aplicar una perturbación conocida por usted. Anote parámetros como tiempo de subida, rebasy tiempos de sediment. Los valores obtenidos se pueden utilizar para aproximar las constantes de afin(por ejemplo, las fórmulas de Ziegler Nichols).

Ziegler-Nichols (prueba y error): hay dos pasos. Entonces, aumente Kp hasta el punto donde las oscilson constantes. Notate the oscillations& (en inglés)#39; Período (Pu). Use un estándar de tabla (como la regla de ajuste de Ziegler Nichols) para determinar Kp, Td y Ti. Este método es eficaz, pero también puede ser agresivo, lo que lleva a acciones de control agresivas.

Método de Cohen Coon: un método basado empíricamente en datos de respuesta de paso, que A menudo produce buenos resultados cuando se aplica A los procesos que tienen inercia significativa.

Ajuste automático: varios controladores avanzados tienen características de autotune incorporadas. Ellos trabajan haciendo una pequeña perturbcontrolada en el sistema mientras está funcionando normalmente (por ejemplo, un cambio corto a la señal de salida). Este controlador analiza y determina automáticamente los parámetros de ajuste basados en la respuesta. Es más rápido, menos peligroso y no requiere ningún ajuste manual.

No importa qué método usted elija, el ajuste es un proceso en curso. Pruebe la respuesta del sistema con valores conservadores. Haga pequeños ajustes y luego repita. El ruido del proceso, los cambios en la carga, la no linealidad del sistema y otros factores pueden tener un impacto significativo en el rendimiento. Se requiere un ajuste periódico.

H2 aplicaciones comunes de control de temperatura PID

En aplicaciones que requieren un control preciso de la temperatura, los controladores PID se pueden encontrar por todas partes. Algunos ejemplos comunes incluyen:

Calentamiento Industrial: control de temperatura de hornos y hornos, fusión del horno, procesos de tratamiento térmico.

Procesos de producción química: control de temperatura en reactores, mezcla por lotes y columnas de destilación.

Comida y comida Bebidas: pasteuri(hornos y armarios de pruebas), esterili, control de la fermentación, congelación, liofilización, pasteuri.

Producción farmacéutica: recubrimiento de tabletas, ambientes de almacenamiento controlado, liofilización (lioliosecado), incubadoras de laboratorio.

HVAC: climatización para salas limpias, salas de servidores, centros de datos, laboratorios y edificios de alto rendimiento.

Automatización y robótica: gestión de la temperatura de las articulaciones de los robots, de las cabezas de corte/soldadura láser o de los componentes electrónicos sensibles durante el montaje.

Investigación y desarrollo: mantener temperaturas constantes para experimentación, ensayo de materiales y ensayos biológicos.

La capacidad de mantener el valor de ajuste deseado y minimizar las fluctuaciones es esencial en cada uno de estos casos.

6. Solución de problemas: mantenimiento de su sistema &#rendimiento

Los problemas pueden ocurrir incluso con los sistemas mejor ajustados. Estos son algunos problemas comunes y sus posibles soluciones.

Overshoot and Undershoot Persistently: el sistema rebasa o rebaja consistentemente antes de que se asiente. Esto es a menudo una señal de afinación incorrecta. Ajuste el tiempo de derivada (Td) y la ganancia proporcional (Kp). Aumentar Kp para acelerar la respuesta, pero reducir el exceso. El rebrote puede ser causado por demasiada acción integral (Ti no es lo suficientemente grande).

Tiempo de ajuste largo o respuesta lenta: el sistema tarda mucho tiempo en responder a cambios en los puntos de ajuste u otras perturbaciones. Podría ser debido a una ganancia proporcional insuficiente (Kp), o el desajuste de los controlers' Capacidades con la inercia. El aumento de Kp puede ayudar, pero tenga cuidado con la inestabilidad.

Oscilosciloscilde temperatura alrededor del punto de ajuste con regularidad. Suele ser debido a una afinación agresiva. (demasiado Kp, no suficiente D o muy poco Ti) aumenta el tiempo de derivada o tiempo Integral o disminuye la ganancia proporcional (Kp).

Error del estado estacionario: la temperatura se estabiliza a un valor diferente al valor de consigna. Insuficiente insuficiente