냉동 및 HVAC 제어 루프용 PID 제어 시스템 튜닝 가이드

섭씨 영하 18도로 설정된 워크인 냉동고는 영하 15도에서 영하 20도 사이를 오가며 압축기 주기가 짧고 증발기 한쪽 끝의 성에가 끼는 경우 일반적으로 냉매가 부족하지 않습니다. 좋은 통제력이 부족합니다. PID 제어 시스템은 팽창 밸브가 열리는 정도, 액체 라인 솔레노이드가 닫히는 시기, 도어가 열린 후 공간이 얼마나 빨리 회복되는지를 결정합니다. 어떤 충전 조정도 스스로 싸우는 루프를 해결하지 못합니다.

짧은 대답이 먼저입니다. PID 제어 시스템은 측정된 값을 목표값과 비교하고 비례, 적분, 미분이라는 세 가지 가중치 항을 사용하여 차이를 수정하는 폐쇄 루프 컨트롤러입니다. 냉동 및 공조 작업에서 연산은 간단한 부분입니다. 루프가 목표를 유지하는지 여부를 결정하는 것은 센서, 액추에이터, 그리고 튜닝이 부하의 열 관성과 일치하는지 여부입니다.

PID 제어 시스템이 오류를 수정하는 방법

모든 루프는 동일한 시퀀스를 실행합니다. 컨트롤러는 프로세스 변수를 읽고 이를 설정점에서 빼서 오류를 얻은 다음 세 가지 항을 계산하고 이를 더한 다음 결과를 최종 제어 요소로 보냅니다. 요소가 작동하고, 프로세스가 반응하고, 센서가 보고하고, 주기가 반복됩니다. 10분 동안 압축기를 가동하고 5분 동안 정지시키는 타이머는 이 중 아무것도 수행하지 않습니다. 이것이 개방 루프 제어가 변화하는 부하를 통해 공간을 유지할 수 없는 이유입니다.

세 가지 용어와 각 용어가 해결하는 것

비례행동

비례 동작은 현재 오류에 비례하는 출력을 생성합니다. 방이 설정점보다 2K 위에 있고 각 켈빈이 변조 밸브를 8% 열도록 게인이 설정된 경우 밸브는 16%로 이동합니다. 이 용어는 풀다운 중에 대부분의 작업을 수행합니다.

혼자서는 일을 끝낼 수 없습니다. 방이 설정값에 가까워지면 밸브 위치가 부하의 균형을 정확히 맞출 때까지 오류가 줄어들고 그에 따라 출력도 줄어듭니다. 해당 균형점은 설정점에서 멀리 떨어져 있으며 오프셋 또는 정상 상태 오류라고 합니다. 비례 전용 제어는 종종 목표에서 1~2K를 벗어나는 경우가 많으며 이는 급속 냉동고가 아닌 쾌적한 냉각을 위해 허용됩니다.

통합적 행동

적분 작업은 시간이 지남에 따라 오류를 합산하고 해당 합계가 증가하지 않을 때까지 계속 푸시하여 오프셋을 제거합니다. 비용은 시간이며, 공격적으로 설정하면 초과됩니다. 제상 잠금과 같이 출력이 응답할 수 없는 기간 동안 합계가 누적되면 잠금이 해제되는 순간 출력을 강제 구동합니다. 이는 통합 와인드업이며, 제상 후 매장에서 5K를 초과하는 일반적인 원인입니다.

파생행위

미분 동작은 오류의 변화율에 반응하여 오버슛 경향이 있는 루프를 감쇠시킵니다. 또한 각 샘플링 기간마다 0.2bar씩 트위스트되는 압력 변환기가 매우 빠른 변화율처럼 보이기 때문에 센서 소음에도 반응합니다. 대부분의 냉동 컨트롤러는 미분항을 오류가 아닌 프로세스 변수에 적용하고 이를 1~3초의 필터와 결합합니다. 대부분의 회로에서 전송 지연이 지배적인 경우 미분은 0으로 유지되고 대신 PI 루프가 사용됩니다.

구체적인 예 하나. 과열도를 5~8K로 유지하는 전자 팽창 밸브는 부하를 추적하는 비례 동작과 정지 오류를 해결하는 적분 동작에 의존합니다. 과열도가 2K와 15K 사이에서 변동하는 경우 미분항이 원인이 되는 경우는 거의 없습니다. 센서 응답 시간과 밸브 단계 분해능은 일반적으로 그렇습니다.

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튜닝 방법 및 실제 수치

튜닝은 이론이 공장과 만나는 곳입니다. 세 가지 접근 방식이 대부분의 작업을 다룹니다.

1. 수동 튜닝. 적분 및 미분 항을 0으로 만들고 루프가 꾸준히 진동할 때까지 비례 게인을 올린 다음 절반으로 줄입니다. 허용 가능한 시간 내에 오프셋이 지워질 때까지 적분 동작을 추가합니다. 오버슈트가 여전히 중요한 경우에만 미분을 추가하세요.
2. 지글러와 니콜스. 진동 테스트의 최종 이득과 기간을 읽고 게시된 표를 적용합니다. 결과는 빠르고 약간 공격적이어서 느린 온도 루프에 적합합니다.
3. 릴레이 자동 조정. 컨트롤러는 설정점 주위에 작은 제한 주기를 적용하고 진폭과 주기로부터 모델을 도출합니다. 편리하지만 잘못 배치된 센서를 포함하여 루프를 찾은 대로 정확하게 조정합니다.

유용한 참고 사항. 룸 루프는 초당 한 번씩 업데이트됩니다. 과열 루프는 100~200ms마다 업데이트됩니다. 냉각수 루프는 0.5K 이내, 디스플레이 케이스는 1K 이내를 유지해야 합니다. 프로세스가 응답할 수 있는 것보다 훨씬 빠른 샘플링은 대부분 노이즈를 증폭시킵니다.

제어 루프가 하드웨어를 만나는 곳

세 가지 하드웨어 결정이 어떤 조정 상수보다 더 큰 결과를 형성합니다.

• 센서 배치 및 속도. 환기되는 공기에 있는 프로브는 공간을 보고, 코일에 묶인 프로브는 코일을 봅니다. 하나를 튜닝하고 다른 하나를 작동하는 루프가 헌트됩니다.
• 액추에이터 해상도. 온/오프 솔레노이드 밸브는 루프에 두 가지 위치를 제공하므로 컨트롤러는 듀티 사이클만 변경할 수 있습니다. 변조 밸브는 200개 이상의 위치를 ​​제공합니다.
• 독립적인 보호. 냉동 압력 컨트롤러는 온도 루프가 요구하는 것과 관계없이 압축기 또는 응축기 팬을 고정된 압력으로 전환하여 고장난 센서가 고장난 압축기가 되는 것을 방지합니다.

시간에 따른 행동은 시운전 당일의 행동만큼 중요합니다. 40초마다 순환하는 액체 라인 솔레노이드가 몇 년 내에 수십만 번의 작동을 축적하게 되므로 시트 설계, 코일 절연 등급 및 수동 오버라이드 액세스가 실용적인 선택 기준이 됩니다. 참고사항 EVR 솔레노이드 밸브를 긴 수명 동안 안정적으로 유지 사이클링 속도가 고정되기 전에 읽어 볼 가치가 있습니다.

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루프가 오작동하는 경우: 증상 및 원인

• 제상 후 큰 오버슈트: 코일 온도가 아닌 시간에 따라 설정된 적분 와인드업 또는 제상 종료.
• 2~5분마다 규칙적인 진동: 비례 게인이 너무 높거나 밸브가 부하에 비해 너무 큽니다.
• 절대 지워지지 않는 안정된 오프셋: 비례 전용 제어 또는 이동 한계에 도달한 액추에이터.
• 물리적 원인이 없는 랜덤 지터: 센서 소음을 증폭시키는 파생 동작 또는 느슨한 프로브 포켓.
• 경부하에서의 짧은 사이클링: 루프 불감대 아래로 설정된 히스테리시스 또는 센서 정확도보다 좁은 불감대.
• 케이스의 한 부분은 차갑고 나머지 부분은 따뜻합니다. 튜닝이 아닌 센서 위치입니다.

캐스케이드 제어는 이 중 일부를 제거합니다. 외부 루프는 실내 온도를 읽고 설정점을 기록하는 반면, 내부 루프는 증발기 또는 흡입 조건을 읽고 밸브를 구동합니다. 내부 루프는 공간이 이동하기 전에 몇 초 안에 반응하여 전송 지연이 긴 시스템의 오버슈트를 줄입니다.

주문 전 확인 사항

1. 어떤 제어 범위와 분해능이 필요합니까? 부하의 10~100%에 걸쳐 조절되는 밸브는 20%에서 완전히 열리는 밸브와 다른 제품입니다.
2. 센서 정확도와 응답 시간은 얼마이며 루프 불감대는 센서 오류보다 넓습니까?
3. 서비스 수명 동안 예상되는 사이클 수는 얼마이며, 시트와 코일 소재가 이를 지원합니까?
4. 구리 및 황동 피팅과 밸브 재질이 사용 중인 냉매 및 오일에 적합합니까?
5. 동일한 시리즈에서 예비 부품, 코일 전압 및 수동 작동 옵션을 사용할 수 있으므로 수리 시 브래킷을 재작업할 필요가 없습니까?
6. 루프에 비표준 포트 크기나 흐름 특성이 필요한 경우 공급업체가 도면이나 샘플을 사용하여 작업할 수 있습니까?

제어 구성 요소를 구축하고 루프를 이해하는 공급업체는 이러한 격차를 더 빠르게 해소합니다. 제조업체 사내 테스트 랩 및 맞춤형 개발 역량 카탈로그 각주가 아닌 도면에서 유량 계수나 코일 정격을 확인할 수 있습니다.

기억해야 할 핵심 사항

• PID 제어 시스템은 측정, 비교, 수정, 반복 등의 폐쇄 루프입니다.
• 비례 동작은 현재 오류에 반응하고, 적분 동작은 과거를 지우고, 미분 동작은 다음 몇 초를 예상합니다.
• 대부분의 냉동 루프는 잘 필터링되고 빠르게 응답하는 측정을 위해 파생물이 예약된 PI로 가장 잘 실행됩니다.
• 느린 센서, 대형 밸브 또는 잘못된 위치에 있는 프로브는 튜닝으로 보상할 수 없습니다.
• 사이클 수명과 재료 호환성은 루프가 3년차에도 여전히 작동하는지 여부를 결정합니다.

루프의 실제 테스트는 시운전일의 단계적 응답이 아닙니다. 일년 중 가장 더운 오후, 해동 후에도 코일이 부분적으로 막힌 상태에서 케이스가 여전히 목표를 유지하는지 여부입니다. 해당 요구 사항에 맞춰 하드웨어를 설계하면 튜닝 수치가 쉬워집니다.