The PID control for temperature: principles, implementation & tuning (en inglés)

Entender el control de temperatura PID. Aprenda cómo funciona PID, cómo afinarlo e implementarlo y cómo solucionar problemas. Se incluyen ejemplos y otros recursos.

1. Entender el control PID para la temperatura

El controlador PID representa una mejora importante sobre las estrategias de control simples. Un controlador PID calcula el error como la diferencia de una variable de proceso medida (aquí, temperatura) desde un punto de ajuste. El controlador PID ajusta la entrada de proceso (como la alimentación de un dispositivo de calefacción o refrigeración) de acuerdo a tres términos diferentes.

La acción proporcional (P): este componente responde a la magnitud del error. La acción P aumentará la señal de salida si la temperatura cae por debajo del preajuste. Las acciones correcson grandes para un error grande, pero los errores pequeños resultan en ajustes más pequeños. La ganancia proporcional Kp determina la sensibilidad de tal acción. Aunque el control P es rápido para responder, puede dejar un error residual conocido como un offset si no se utilizan otros componentes.

Acción Integral (I): la parte que aborda las limitaciones del Control P teniendo en cuenta el error acumulado en el tiempo. Integral resume errores pasados continuamente y toma acciones correcpara eliminar el desplazamiento residual causado por proporcional. La acción I aumenta la salida gradualmente si la temperatura está constantemente por debajo del punto de ajuste. El tiempo Integral (Ti) determina la velocidad de esta acción Integral. Aunque I control es eficaz en la eliminación de compensaciones, inicialmente puede ser lento para reaccionar.

Acción derivada (D) : el componente predice errores en el futuro al reaccionar a la velocidad a la que cambia la señal de error. La acción D aplicará una fuerza de freno a la aproximación si la temperatura aumenta rápidamente. Esto evita que se exceda el valor de consigna. Si la temperatura baja demasiado rápido, la acción D proporcionará un pequeño impulso con el fin de compensar la caída. La constante de tiempo derivada Td controla la sensibilidad del sistema a los cambios de velocidad. El D-control ayuda a estabilizar el sistema y reducir el overshoot. También mejora el tiempo de respuesta.

Para un control efectivo de la temperatura, es importante equilibrar estas tres acciones con precisión. Los ingenieros pueden ajustar parámetros como Kp, Ti y Td para optimizar el rendimiento, independientemente de si el controlador PID es un dispositivo independiente, una parte integrada de los controladores lógicos programables o software de PC. Fuentes como el artículo de Control Engineering sobre PID fundamentals pueden proporcionar un sólido soporte teórico.

2. Planifique su sistema de Control de temperatura

La implementación de un sistema comienza mucho antes de que los cables estén conectados.

Elija el controlador adecuado encuentre un controlador para su aplicación. Tenga en cuenta factores como:

Tipos de entrada/salida: ¿Puede recibir las señales del sensor de temperatura (por ejemplo, termopar tipo k, RTD Pt100)? ¿Es capaz de proporcionarle la salida correcta para su elemento de control final?

Algoritmo de Control: ¿El algoritmo de Control ofrece características avanzadas, como anti-windup o opciones de filtro, y protocolos de comunicación, como Modbus?

Display & Interfaz: ¿Qué nivel de interfaz necesita para la supervisión y configuración?

Consideraciones de seguridad: definir cualquier requisito de seguridad como alarmas para altas/bajas temperaturas o puntos de parada de emergencia y asegurar que el sistema de control sea capaz de aplicarlos.

Recopilar documentación acceder al manual del controlador, hojas de datos del sensor, y la documentación del actuador. Esta información es esencial para una implementación exitosa.

3. Implementación del sistema de Control PID

Este paso consiste en conectar todas las partes de acuerdo a su diseño.

Conectividad de Hardware:

Conexión de un Sensor de temperatura: conecte el Sensor de su elección (RTD o termopar), a los terminales de entrada designados en el controlador PID. El diagrama de cableen el manual del controlador debe ser seguido al pie de la letra.

Conectando un actuador: conecte el elemento de control final, como un relé, SSR u otro dispositivo similar. Conectar los terminales de salida del controlador. Comprobar que la hoja de datos del actuador y la coincidencia controlador. Asegurar el cablecorrecto de las conexiones de carga (sin contactos NC, por ejemplo) es importante para relés y SSR.

Alimentación de conexión: consulte el manual de nuevo para las instrucciones sobre cómo conectar la fuente de alimentación necesaria (normalmente AC orDC) en los terminales de entrada del controlador. Todas las conexiones deben estar aisladas y seguras. La seguridad del cablees es de suma importancia.

Diagramas de cableeléctrico: destacar la importancia de consultar los diagramas del fabricante para garantizar la precisión y la seguridad.

4. Configurar el controlador PID de temperatura

La configuración transforma el hardware crudo en un sistema de control operacional. Requiere el ajuste cuidadoso de parámetros.

Configurar el controlador: entra en el modo de programación usando el teclado o botones en tu controlador o a través de un software de interfaz de PC.

Establecer el punto de ajuste: definir la temperatura que desea que el sistema alcance.

Ajuste tipo de entrada: seleccione el tipo de entrada que desee (por ejemplo, RTD, TC, voltatipo K), y si es necesario, cualquier compensación de escala o compensación de Unión fría.

Ajuste tipo de salida: seleccione el tipo de salida (por ejemplo, relé o PWM), y asegúrese de que es compatible con el actuador. Si es necesario, ajuste el rango de control.

Configuración de parámetros PID iniciales: a menudo el paso más complejo y crucial. Los parámetros iniciales se ajustan a menudo (" ajuste ") La mayoría de los controladores tienen una característica de ajuste automático. Esto realiza pruebas (por ejemplo, un cambio de valor de ajuste en un pequeño paso) y calcula los valores apropiados P, I, D. Consulte los métodos de afinación establecidos si es necesario el ajuste manual. Puede encontrar información valiosa en recursos como Tuning Strategies for PID y Control Engineering's Tuning Guide. Comience con valores conservadores, y luego ajustincrementalmente a medida que monitorea la respuesta de su proceso. Los parámetros clave son:

Ganancia proporcional (Kp). Controla la respuesta al error. Un valor que es demasiado alto puede causar oscilación, mientras que un valor por debajo de este nivel dará lugar A una reacción lenta y un desplazamiento.

Tiempo Integral (Ti). Determina la velocidad a la que se corrige el error. Un tiempo demasiado corto puede causar inestabilidades; Un tiempo que es excesivamente largo puede resultar en compensación.

La constante de tiempo derivada Td: regula la anticipación mediante el análisis de la tasa de cambio de error. Un sistema mal ajustado puede causar ruido e inestabilidad.

Configurar alarmas: configurar las alarmas de límite de temperaturas altas/bajas para notificaciones o acciones de seguridad.

Filtro de salida y amortigu: estas características se pueden utilizar para reducir las oscily el ruido del sensor.

Guardar configuración asegúrese de que la configuración se almacena en la memoria del controlador de acuerdo con las instrucciones.

5. Prueba y verificación de Control de temperatura

Es importante probar a fondo después de la configuración física y la conexión con el fin de garantizar el correcto funcionamiento y confirmar el funcionamiento.

Comprobación inicial: comprueba todas las conexiones y configuraciones, incluyendo la alimentación, el cabley la configuración inicial.

Respuesta en bucle cerrado: modificar el Setpoint (SP) del sistema y observar su comportamiento. Comprobar:

Tiempo de respuesta: ¿Cuándo comienza el cambio de temperatura?

Precisión: ¿La temperatura alcanza y mantiene el valor de consigna?

Overshoot: ¿Es la temperatura significativamente más alta que el valor límite?

Estabilidad - ¿Es estable o oscil?

Error de estado estable (Offset). ¿La temperatura se mantiene constante ligeramente por encima o por debajo del valor de consigna cuando se aplica el error de estado estacionario?

Respuesta del actuador: observe el actuador para asegurarse de que responde correctamente a las señales de control (relhaciendo clic, SSR cambios en el poder, cambios en la velocidad del ventilador).

Registro de datos: habilitar registro de datos si el controlador le permite realizar un seguimiento de la temperatura y salidas en el tiempo. Esto permitirá un análisis en profundidad.

Parámetros de ajuste del PID: reevaluar los parámetros de ajuste basados en el rendimiento inicial. Es posible que tenga que hacer ajustes repetidamente con el fin de obtener los mejores resultados. Si está disponible, utilice gráficos, calculadoras o software de simulación.

Solución de problemas comunes a diferentes temperaturas

Incluso con una cuidadosa planificación y ajuste puede haber problemas. Aquí están algunos de los problemas más comunes y posibles soluciones en el control de temperatura.

Fluctuaciones de temperatura/excesos:

Causa acción proporcional o derivada demasiado agresiva (demasiado grande Kp o Td), filtrado insuficiente o estabilidad del proceso.

Solución Reduce Kp o Ti, o Reduce Td. Verifique la configuración del filtro de salida. Compruebe que el proceso es n't la fuente de cualquier fluctuación.

Error de estado estacionario (Offset), respuesta lenta:

Causa una acción Integral insuficiente (Ti es demasiado grande) y /o una ganancia proporcional demasiado conservadora (Kp es demasiado baja). La configuración del filtro podría ser demasiado agresiva.

La solución puede aumentar la ganancia proporcional (incrementar Kp) o disminuir la acción Integral. Comprobar que el tiempo integral corresponde al tiempo de respuesta del sistema.

Errores de lectura del Sensor:

Causa mal cable(conexiones suelo o rotas, ruido de interferencia eléctrica, etc.), deriva de calibrde sensor y compensación de Unión fría incorrecta.

Resolución: compruebe la configuración del sensor en el controlador. Verifique las conexiones del sensor y el cable. Recalibrar el sensor, o control's referencia para Unión fría. Se pueden utilizar termómetros calibrados por separado.

6. El actuador no responde correctamente:

Causar un cabledel actuador inadecuado, falla del actuador, señales de salida incompatibles del controlador, relé /SSR defectu.

Solución: consultar hoja de datos del actuador. Verifique que el cableestá de acuerdo con las especificaciones. Compruebe que la salida del controlador coincide con los requisitos de señal de entrada para el actuador. Si es posible, pruebe el actuador por su cuenta.

Problemas de estabilidad (oscilación).

Causa una acción proporcional o derivada demasiado agresiva (demasiado grande Kp o Td), Windup Integral (Integrator satur).

Aumento de solución Ti o disminución de Kp. Reducir la Td. Si está disponible, implementar o probar la función Anti-Windup. Si es necesario, reducir el rango de salida del controlador.

Consulte el manual del controlador PID antes de comenzar a solucionar problemas. Control.com y otros foros en línea pueden ser excelentes recursos para compartir experiencias.