冷凍および HVAC 制御ループのための PID 制御システム調整ガイド

ウォークイン冷凍庫は摂氏マイナス 18 度に設定されており、摂氏マイナス 15 度からマイナス 20 度の間で推移し、コンプレッサーを短時間回転させて蒸発器の一端に霜を付けても、通常は冷媒が不足することはありません。それは良いコントロールに欠けています。 PID 制御システムは、膨張バルブがどの程度開くか、液体ライン ソレノイドがいつ閉じるか、ドアが開いたままになった後に部屋がどのくらい早く回復するかを決定します。チャージ調整を行わないと、ループ自体と戦っている状態は修正されません。

まずは短い答えから。 PID 制御システムは、測定値と目標値を比較し、比例、積分、微分という 3 つの加重項を使用して差を補正する閉ループ コントローラーです。冷凍と空調の仕事では、演算は単純な部分です。ループが目標を保持しているかどうかを決定するのは、センサー、アクチュエーター、そして調整が負荷の熱慣性と一致しているかどうかです。

PID 制御システムがエラーを修正する方法

すべてのループで同じシーケンスが実行されます。コントローラーはプロセス変数を読み取り、設定値からそれを減算して誤差を取得し、3 つの項を計算して加算し、結果を最終制御要素に送信します。要素が動作し、プロセスが応答し、センサーが報告し、このサイクルが繰り返されます。コンプレッサーを 10 分間運転し、5 分間休止するタイマーでは、このようなことは行われません。これが、オープン ループ制御が負荷の変化に耐えることができない理由です。

3 つの用語とそれぞれの修正点

比例動作

比例動作は、現在の誤差に比例した出力を生成します。部屋が設定値より 2 K 高く、各ケルビンが調整バルブを 8 パーセント開くようにゲインが設定されている場合、バルブは 16 パーセントに移動します。この用語は、プルダウン中にほとんどの作業を実行します。

一人では仕事を終えることはできません。部屋が設定値に近づくと誤差が小さくなり、バルブの位置が負荷と正確にバランスするまで、それに伴って出力も小さくなります。そのバランス点は設定値から離れた位置にあり、オフセットまたは定常状態誤差と呼ばれます。比例のみの制御では目標から 1 ～ 2 K 外れて落ち着くことがよくありますが、これは快適な冷却には許容できますが、ブラスト冷凍庫には許容できません。

インテグラルアクション

積分アクションは時間の経過とともに誤差を合計し、その合計の増加が停止してオフセットが除去されるまでプッシュを続けます。コストは時間であり、積極的に設定するとオーバーシュートします。デフロストロックアウトなど、出力が応答できない期間中に合計が蓄積されると、ロックアウトが解除された瞬間に出力が強く駆動されます。これは積分ワインドアップであり、解凍後にストアが 5 K オーバーシュートする一般的な原因です。

微分動作

微分動作は誤差の変化率に応答し、オーバーシュートする傾向のあるループを抑制します。また、各サンプリング周期で 0.2 bar ずつ変化する圧力トランスデューサーは、非常に速い変化率のように見えるため、センサーのノイズにも反応します。ほとんどの冷凍コントローラは、微分項を誤差ではなくプロセス変数に適用し、1 ～ 3 秒のフィルタと組み合わせます。ほとんどの回路のように、伝送遅延が支配的な場合、導関数はゼロのままになり、代わりに PI ループが使用されます。

具体的な例を一つ。過熱度を 5 ～ 8 K に保つ電子膨張弁は、負荷を追跡する比例動作と、定常誤差をクリアする積分動作に依存しています。過熱度が 2 K から 15 K の間で変動する場合、微分項が原因になることはほとんどありません。通常、センサーの応答時間とバルブステップ分解能は次のとおりです。

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チューニング方法と現実的な数値

チューニングは理論とプラントが出会う場所です。作業のほとんどは 3 つのアプローチでカバーされます。

1. 手動チューニング。 積分項と微分項をゼロにし、ループが安定して発振するまで比例ゲインを上げ、その後半分にします。許容可能な時間内にオフセットがクリアされるまで、積分アクションを追加します。オーバーシュートが依然として問題となる場合にのみ導関数を追加してください。
2. ジーグラーとニコルズ。 発振テストから最終ゲインと周期を読み取り、公開されている表を適用します。結果は高速かつややアグレッシブで、低速の温度ループに適しています。
3. リレーオートチューニング。 コントローラーは設定値の周りに小さなリミット サイクルを強制し、その振幅と周期からモデルを導き出します。これは便利ですが、センサーの配置が不適切な場合も含め、検出されたとおりにループを正確に調整します。

役立つ参照ポイント。ルーム ループは 1 秒に 1 回更新されます。過熱ループは 100 ～ 200 ミリ秒ごとに更新されます。冷水ループは 0.5 K 以内、ディスプレイ ケースは 1 K 以内に保持する必要があります。プロセスの応答速度よりはるかに速いサンプリングでは、ほとんどの場合ノイズが増幅されます。

制御ループがハードウェアと出会う場所

3 つのハードウェアに関する決定は、どの調整定数よりも結果を左右します。

• センサーの配置と速度。還気中のプローブからは部屋が見え、コイルに固定されたプローブからはコイルが見えます。一方で調整され、もう一方で動作するループがハンティングします。
• アクチュエーターの解像度。オンおよびオフのソレノイド バルブによりループに 2 つの位置が与えられるため、コントローラーはデューティ サイクルのみを変更できます。調整バルブにより 200 以上のポジションが得られます。
• 独立した保護。冷凍圧力コントローラーは、温度ループの要求に関係なく、コンプレッサーまたは凝縮器ファンを固定圧力で切り替え、故障したセンサーが故障したコンプレッサーになるのを防ぎます。

長期間にわたる動作は、試運転当日の動作と同じくらい重要です。 40 秒ごとにサイクルする液体ライン ソレノイドは、数年以内に数十万回の動作を蓄積するため、シートの設計、コイル絶縁クラス、および手動オーバーライド アクセスが実用的な選択基準となります。に関する注意事項 EVRソレノイドバルブを長い耐用年数にわたって安定に保つ サイクル率が決まる前に読む価値があります。

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ループが誤動作する場合: 症状と原因

• 霜取り後の大きなオーバーシュート: 一体型ワインドアップ、またはコイル温度ではなく時間によって設定された霜取り終了。
• 2 ～ 5 分ごとの定期的な振動: 比例ゲインが高すぎるか、負荷に対してバルブが大きすぎます。
• 決してクリアされない安定したオフセット: 比例のみの制御、または移動限界に達したアクチュエータ。
• 物理的な原因のないランダムなジッター: センサー ノイズを増幅する微分動作、またはプローブ ポケットの緩み。
• 軽負荷での短いサイクル: ヒステリシスはループのデッドバンド、またはセンサーの精度よりも狭いデッドバンドよりも下に設定されます。
• ケースの一部が冷たく、残りの部分が暖かい: センサーの位置であり、調整ではありません。

カスケード制御はこの一部を削除します。外側のループは室温を読み取り、設定値を書き込みます。一方、内側のループは蒸発器または吸引条件を読み取り、バルブを駆動します。内部ループは部屋が移動する前に数秒で反応するため、伝送遅延が長いシステムのオーバーシュートをカットします。

ご注文前にご確認いただきたいこと

1. どのような制御範囲と分解能が必要ですか?負荷の 10 ～ 100% にわたって調整するバルブは、20% で完全に開くバルブとは異なる製品です。
2. センサーの精度と応答時​​間はどのくらいですか?また、ループの不感帯はセンサーの誤差より広いですか?
3. 耐用年数全体でどのくらいのサイクル数が予想されますか? シートとコイルの材質はそれをサポートしていますか?
4. 銅や真鍮の継手やバルブの材質は使用する冷媒や油に適していますか？
5. 修理の際にブラケットを再加工する必要がないように、スペア、コイル電圧、および手動オーバーライドのオプションが同じシリーズで利用可能ですか?
6. ループに標準以外のポート サイズまたは流量特性が必要な場合、サプライヤーは図面またはサンプルに基づいて作業できますか?

制御コンポーネントを構築し、それらが含まれるループを理解しているサプライヤーは、これらのギャップをより早く埋めることができます。を備えたメーカー 社内テストラボとカスタム開発機能 カタログの脚注ではなく、図面から流量係数やコイル定格を確認できます。

覚えておくべき重要なポイント

• PID 制御システムは、測定、比較、修正、繰り返しの閉ループです。
• 比例動作は現在のエラーに反応し、積分動作は過去を消去し、微分動作は次の数秒を予測します。
• ほとんどの冷凍ループは PI として最適に動作し、導関数は十分にフィルタリングされた高速応答測定用に予約されています。
• チューニングでは、遅いセンサー、大きすぎるバルブ、または間違った場所にあるプローブを補正することはできません。
• サイクル寿命と材料の適合性によって、ループが 3 年目でも機能するかどうかが決まります。

ループの実際のテストは、試運転日のステップ応答ではありません。問題は、一年で最も暑い午後、霜取り後、コイルが部分的にブロックされた状態でも、ケースがまだターゲットを保持しているかどうかです。その要件に基づいてハードウェアを設計すると、数値の調整が簡単になります。