PID-Regelsystem-Tuning-Leitfaden für Kühl- und HVAC-Regelkreise

In einem begehbaren Gefrierschrank, der auf minus 18 Grad Celsius eingestellt ist und zwischen minus 15 und minus 20 Grad schwankt, der Kompressor kurzzeitig läuft und ein Ende des Verdampfers vereist, mangelt es normalerweise nicht an Kältemittel. Es mangelt an guter Kontrolle. Das PID-Steuerungssystem entscheidet, wie weit das Expansionsventil öffnet, wann das Magnetventil der Flüssigkeitsleitung schließt und wie schnell sich der Raum erholt, nachdem eine Tür offen gelassen wurde. Keine Ladungsanpassung kann eine Schleife beheben, die sich selbst bekämpft.

Die kurze Antwort zuerst. Ein PID-Regelungssystem ist ein geschlossener Regelkreis, der einen gemessenen Wert mit einem Ziel vergleicht und die Differenz mithilfe von drei gewichteten Begriffen korrigiert: Proportional, Integral und Ableitung. Bei Kälte- und Klimaarbeiten ist das Rechnen der einfache Teil. Ob die Schleife ihr Ziel hält, entscheidet der Sensor, der Aktor und ob die Abstimmung mit der thermischen Trägheit der Last übereinstimmt.

Wie ein PID-Regelsystem einen Fehler korrigiert

Jede Schleife führt die gleiche Sequenz aus. Der Controller liest die Prozessvariable, subtrahiert sie vom Sollwert, um den Fehler zu ermitteln, berechnet die drei Terme, addiert sie und sendet das Ergebnis an ein letztes Steuerelement. Das Element wirkt, der Prozess reagiert, der Sensor meldet sich und der Zyklus wiederholt sich. Eine Zeitschaltuhr, die einen Kompressor zehn Minuten lang laufen lässt und ihn fünf Minuten lang in den Ruhezustand versetzt, bewirkt nichts davon, weshalb eine Steuerung mit offenem Regelkreis einen Raum nicht bei wechselnder Last halten kann.

Die drei Begriffe und was jeder einzelne behebt

Proportionales Handeln

Die proportionale Aktion erzeugt eine Ausgabe proportional zum aktuellen Fehler. Wenn der Raum 2 K über dem Sollwert liegt und die Verstärkung so eingestellt ist, dass jedes Kelvin ein modulierendes Ventil um 8 Prozent öffnet, bewegt sich das Ventil auf 16 Prozent. Dieser Begriff erledigt die meiste Arbeit während eines Pulldowns.

Es kann den Job nicht alleine erledigen. Wenn sich der Raum dem Sollwert nähert, verringert sich der Fehler und damit auch die Leistung, bis die Ventilstellung die Last exakt ausgleicht. Dieser Gleichgewichtspunkt liegt vom Sollwert entfernt und wird Offset oder stationärer Fehler genannt. Eine reine Proportionalregelung pendelt sich häufig um 1 bis 2 K vom Zielwert ein, was für die Komfortkühlung und nicht für einen Schockfroster tolerierbar ist.

Integrales Handeln

Bei der Integralaktion wird der Fehler über die Zeit summiert und so lange gedrückt, bis die Summe nicht mehr wächst, wodurch der Offset beseitigt wird. Der Preis ist Zeit und, wenn er aggressiv eingestellt wird, ein Überschießen. Wenn sich die Summe während eines Zeitraums ansammelt, in dem der Ausgang nicht reagieren kann, z. B. bei einer Abtausperre, wird der Ausgang in dem Moment, in dem die Sperre aufgehoben wird, stark angesteuert. Das ist ein integraler Windup und eine häufige Ursache dafür, dass ein Speicher nach einer Abtauung um 5 K überschwingt.

Ableitungsaktion

Die Ableitungswirkung reagiert auf die Änderungsrate des Fehlers, wodurch eine zum Überschwingen neigende Schleife gedämpft wird. Es reagiert auch auf Sensorrauschen, da ein Druckwandler, der bei jeder Abtastperiode um 0,2 bar zuckt, wie eine extrem schnelle Änderungsrate aussieht. Die meisten Kälteregler wenden den Ableitungsterm auf die Prozessvariable statt auf den Fehler an und koppeln ihn mit einem Filter von ein bis drei Sekunden. Wo die Transportverzögerung dominiert, was bei den meisten Schaltkreisen der Fall ist, wird die Ableitung bei Null belassen und stattdessen eine PI-Schleife verwendet.

Ein konkretes Beispiel. Ein elektronisches Expansionsventil, das die Überhitzung auf 5 bis 8 K hält, basiert auf einer Proportionalwirkung zur Verfolgung der Last und einer Integralwirkung zur Behebung des Standfehlers. Wenn die Überhitzung zwischen 2 K und 15 K schwankt, ist der Ableitungsterm selten der Auslöser. Die Reaktionszeit des Sensors und die Auflösung des Ventilschritts sind normalerweise gleich.

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Tuning-Methoden und realistische Zahlen

Beim Tuning trifft die Theorie auf die Pflanze. Drei Ansätze decken den Großteil der Arbeit ab.

1. Manuelle Abstimmung. Setzen Sie die Integral- und Ableitungsterme auf Null, erhöhen Sie die Proportionalverstärkung, bis die Schleife gleichmäßig schwingt, und halbieren Sie sie dann. Integralwirkung hinzufügen, bis der Offset innerhalb einer akzeptablen Zeit gelöscht wird. Fügen Sie die Ableitung nur hinzu, wenn die Überschreitung weiterhin von Bedeutung ist.
2. Ziegler und Nichols. Lesen Sie die endgültige Verstärkung und Periode aus dem Oszillationstest ab und wenden Sie die veröffentlichte Tabelle an. Das Ergebnis ist schnell und leicht aggressiv, was für langsame Temperaturschwankungen geeignet ist.
3. Relais-Autotune. Der Regler erzwingt einen kleinen Grenzzyklus um den Sollwert und leitet das Modell aus dessen Amplitude und Periode ab. Es ist praktisch, aber es stimmt die Schleife genauso ab, wie sie vorgefunden wurde, einschließlich eines schlecht platzierten Sensors.

Nützliche Bezugspunkte. Eine Raumschleife wird einmal pro Sekunde aktualisiert. Eine Überhitzungsschleife wird alle 100 bis 200 ms aktualisiert. Ein Kaltwasserkreislauf sollte innerhalb von 0,5 K und eine Vitrine innerhalb von 1 K liegen. Eine weitaus schnellere Probenahme, als der Prozess reagieren kann, verstärkt hauptsächlich das Rauschen.

Wo der Regelkreis auf Hardware trifft

Drei Hardware-Entscheidungen prägen das Ergebnis mehr als jede Tuning-Konstante.

• Sensorplatzierung und Geschwindigkeit. Eine Sonde in der Rückluft erkennt den Raum, während eine an der Spule befestigte Sonde die Spule erkennt. Eine Schleife, die auf einem abgestimmt und auf dem anderen betrieben wird, wird jagen.
• Aktuatorauflösung. Ein Ein-/Aus-Magnetventil gibt der Schleife zwei Positionen, sodass die Steuerung nur den Arbeitszyklus variieren kann. Ein modulierendes Ventil ermöglicht 200 Positionen oder mehr.
• Unabhängiger Schutz. Ein Kühldruckregler schaltet den Kompressor oder den Kondensatorlüfter auf einen festen Druck, unabhängig davon, was der Temperaturkreislauf anfordert, wodurch verhindert wird, dass ein ausgefallener Sensor zu einem ausgefallenen Kompressor wird.

Das Verhalten im Laufe der Zeit ist genauso wichtig wie das Verhalten am Tag der Inbetriebnahme. Ein Magnetventil einer Flüssigkeitsleitung, das alle 40 Sekunden zyklisch läuft, wird innerhalb weniger Jahre Hunderttausende Betätigungen ansammeln, so dass Sitzdesign, Spulenisolationsklasse und manueller Notbetätigungszugriff zu praktischen Auswahlkriterien werden. Hinweise zu hält ein EVR-Magnetventil über eine lange Lebensdauer stabil sind eine Lektüre wert, bevor eine Radfahrrate festgelegt wird.

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Wenn sich die Schleife schlecht verhält: Symptome und Ursachen

• Großes Überschwingen nach der Abtauung: integriertes Aufziehen oder Abtaubeendigung, die nach der Zeit und nicht nach der Spulentemperatur eingestellt wird.
• Regelmäßige Schwingung alle zwei bis fünf Minuten: Proportionalverstärkung zu hoch oder Ventil zu groß für die Last.
• Stetiger Offset, der nie gelöscht wird: Nur proportionale Steuerung oder ein Aktuator, der seine Weggrenze erreicht hat.
• Zufälliger Jitter ohne physikalische Ursache: Ableitungswirkung, die das Sensorrauschen verstärkt, oder eine lockere Sondentasche.
• Kurze Zyklen bei geringer Last: Hysterese unterhalb der Schleifentotzone eingestellt oder eine Totzone, die schmaler als die Sensorgenauigkeit ist.
• Ein Teil des Gehäuses ist kalt und der Rest warm: Sensorposition, keine Abstimmung.

Durch die Kaskadenregelung wird ein Teil davon entfernt. Der äußere Kreislauf misst die Raumtemperatur und schreibt einen Sollwert, während der innere Kreislauf die Verdampfer- oder Ansaugbedingungen misst und das Ventil ansteuert. Die innere Schleife reagiert in Sekundenschnelle, bevor sich der Raum bewegt, wodurch Überschwingungen bei Systemen mit langer Transportverzögerung vermieden werden.

Was Sie vor der Bestellung überprüfen sollten

1. Welcher Regelbereich und welche Auflösung sind erforderlich? Ein Ventil, das über 10 bis 100 Prozent der Last moduliert, ist ein anderes Produkt als eines, das bei 20 Prozent vollständig öffnet.
2. Wie hoch ist die Sensorgenauigkeit und Reaktionszeit und ist die Schleifentotzone größer als der Sensorfehler?
3. Welche Zyklenzahl wird über die Lebensdauer erwartet und unterstützen die Sitz- und Spulenmaterialien dies?
4. Sind die Kupfer- und Messinganschlüsse sowie die Ventilmaterialien für das verwendete Kältemittel und Öl geeignet?
5. Sind Ersatzteile, Spulenspannungen und Handhilfsbetätigungsoptionen in derselben Serie verfügbar, sodass eine Reparatur keine Überarbeitung der Halterung erfordert?
6. Kann der Lieferant anhand einer Zeichnung oder eines Musters arbeiten, wenn der Kreislauf eine nicht standardmäßige Anschlussgröße oder Durchflusscharakteristik benötigt?

Lieferanten, die sowohl die Steuerungskomponenten bauen als auch die Regelkreise verstehen, in denen sie sich befinden, schließen diese Lücken schneller. Ein Hersteller mit ein hauseigenes Testlabor und kundenspezifische Entwicklungskapazitäten kann einen Durchflusskoeffizienten oder eine Spulenleistung anhand der Zeichnung und nicht anhand einer Katalogfußnote bestätigen.

Wichtige Punkte, die Sie sich merken sollten

• Ein PID-Regelsystem ist ein geschlossener Regelkreis: Messen, Vergleichen, Korrigieren, Wiederholen.
• Proportionalwirkung reagiert auf den aktuellen Fehler, Integralwirkung löscht die Vergangenheit, Ableitungswirkung antizipiert die nächsten paar Sekunden.
• Die meisten Kühlkreisläufe laufen am besten als PI, wobei die Ableitung für gut gefilterte und schnell reagierende Messungen reserviert ist.
• Das Tuning kann einen langsamen Sensor, ein übergroßes Ventil oder eine Sonde an der falschen Stelle nicht kompensieren.
• Lebensdauer und Materialverträglichkeit entscheiden darüber, ob der Kreislauf auch im dritten Jahr noch seine Leistung bringt.

Der eigentliche Test einer Schleife ist nicht die Sprungantwort am Tag der Inbetriebnahme. Es geht darum, ob der Fall auch am heißesten Nachmittag des Jahres, nach einer Abtauung und mit einer teilweise verstopften Spule, noch Bestand hat. Entwerfen Sie die Hardware entsprechend dieser Anforderung und die Tuning-Nummern werden zum einfachen Teil.