Guia de ajuste do sistema de controle PID para malhas de controle de refrigeração e HVAC

Um freezer walk-in ajustado para 18 graus Celsius negativos que varia entre 15 e 20 negativos, fazendo um ciclo curto no compressor e congelando uma extremidade do evaporador, geralmente não tem falta de refrigerante. Falta um bom controle. O sistema de controle PID decide até que ponto a válvula de expansão abre, quando o solenóide da linha de líquido fecha e com que rapidez a sala se recupera após uma porta ser deixada aberta. Nenhum ajuste de carga consertará um loop que está lutando contra si mesmo.

A resposta curta primeiro. Um sistema de controle PID é um controlador de malha fechada que compara um valor medido com um alvo e corrige a diferença usando três termos ponderados: proporcional, integral e derivativo. No trabalho de refrigeração e ar condicionado a aritmética é a parte simples. O que decide se o loop mantém seu alvo é o sensor, o atuador e se o ajuste corresponde à inércia térmica da carga.

Como um sistema de controle PID corrige um erro

Cada loop executa a mesma sequência. O controlador lê a variável do processo, subtrai-a do ponto de ajuste para obter o erro, calcula os três termos, soma-os e envia o resultado para um elemento de controle final. O elemento atua, o processo responde, o sensor reporta e o ciclo se repete. Um temporizador que faz funcionar um compressor durante dez minutos e o descansa durante cinco não faz nada disto, e é por isso que o controlo de circuito aberto não consegue manter uma sala através de uma carga variável.

Os três termos e o que cada um corrige

Ação Proporcional

A ação proporcional produz uma saída proporcional ao erro presente. Se a sala estiver 2 K acima do ponto de ajuste e o ganho for definido de modo que cada Kelvin abra uma válvula moduladora em 8%, a válvula se moverá para 16%. Este termo faz a maior parte do trabalho durante um pull down.

Não pode terminar o trabalho sozinho. À medida que a sala se aproxima do ponto de ajuste, o erro diminui e a saída diminui com ele, até que a posição da válvula equilibre exatamente a carga. Esse ponto de equilíbrio fica longe do ponto de ajuste e é chamado de deslocamento ou erro de estado estacionário. O controle somente proporcional geralmente fica 1 a 2 K fora do alvo, o que é tolerável para resfriamento confortável e não para um freezer rápido.

Ação Integral

A ação integral soma o erro ao longo do tempo e continua pressionando até que a soma pare de crescer, o que remove o deslocamento. O custo é o tempo e, se for definido de forma agressiva, ultrapassa o limite. Quando a soma se acumula durante um período em que a saída não pode responder, como um bloqueio de degelo, ela aciona fortemente a saída no momento em que o bloqueio é liberado. Isso é encerramento integral e é uma causa comum de ultrapassagem do armazenamento em 5 K após um degelo.

Ação Derivativa

A ação derivativa responde à taxa de variação do erro, o que amortece um loop que tende a ultrapassar. Ele também reage ao ruído do sensor, porque um transdutor de pressão que se contrai 0,2 bar a cada período de amostragem parece uma taxa de mudança extremamente rápida. A maioria dos controladores de refrigeração aplica o termo derivado à variável do processo e não ao erro e emparelha-o com um filtro de um a três segundos. Onde o atraso de transporte domina, o que ocorre na maioria dos circuitos, a derivada é deixada em zero e um loop PI é usado em seu lugar.

Um exemplo concreto. Uma válvula de expansão eletrônica que mantém o superaquecimento entre 5 e 8 K depende da ação proporcional para rastrear a carga e da ação integral para eliminar o erro de permanência. Se o superaquecimento oscilar entre 2 K e 15 K, o termo derivado raramente é o culpado. O tempo de resposta do sensor e a resolução do passo da válvula geralmente são.

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Métodos de ajuste e números realistas

O ajuste é onde a teoria encontra a planta. Três abordagens cobrem a maior parte do trabalho.

1. Afinação manual. Zere os termos integrais e derivativos, aumente o ganho proporcional até que o loop oscile de forma constante e, em seguida, reduza-o pela metade. Adicione ação integral até que o deslocamento seja eliminado dentro de um tempo aceitável. Adicione a derivada somente se o overshoot ainda for importante.
2. Ziegler e Nichols. Leia o ganho final e o período do teste de oscilação e aplique a tabela publicada. O resultado é rápido e ligeiramente agressivo, adequado para ciclos de temperatura lentos.
3. Relé de sintonia automática. O controlador força um pequeno ciclo limite em torno do ponto de ajuste e deriva o modelo a partir de sua amplitude e período. É conveniente, mas ajusta o loop exatamente como foi encontrado, incluindo um sensor mal colocado.

Pontos de referência úteis. Um loop de sala é atualizado uma vez por segundo. Um loop de superaquecimento é atualizado a cada 100 a 200 ms. Um circuito de água gelada deve conter 0,5 K e uma vitrine dentro de 1 K. A amostragem muito mais rápida do que o processo pode responder amplifica principalmente o ruído.

Onde o circuito de controle encontra o hardware

Três decisões de hardware moldam o resultado mais do que qualquer constante de ajuste.

• Colocação e velocidade do sensor. Uma sonda no ar de retorno vê a sala, enquanto uma sonda presa à bobina vê a bobina. Um loop sintonizado em um e operado no outro irá caçar.
• Resolução do atuador. Uma válvula solenóide ligada e desligada dá ao circuito duas posições, de modo que o controlador só pode variar o ciclo de trabalho. Uma válvula modulante oferece 200 posições ou mais.
• Proteção independente. Um controlador de pressão de refrigeração liga o compressor ou ventilador do condensador a uma pressão fixa, independentemente do que o circuito de temperatura está solicitando, o que evita que um sensor com falha se torne um compressor com falha.

O comportamento ao longo do tempo é tão importante quanto o comportamento no dia do comissionamento. Um solenóide de linha de líquido girando a cada 40 segundos acumulará centenas de milhares de operações dentro de alguns anos, portanto, o design da sede, a classe de isolamento da bobina e o acesso de acionamento manual tornam-se critérios de seleção práticos. Notas sobre mantendo uma válvula solenóide EVR estável durante uma longa vida útil vale a pena ler antes que uma taxa de ciclismo seja fixada.

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Quando o loop se comporta mal: sintomas e causas

• Grande overshoot após o degelo: encerramento integral ou término do degelo definido por tempo e não pela temperatura da bobina.
• Oscilação regular a cada dois a cinco minutos: ganho proporcional muito alto ou válvula superdimensionada para a carga.
• Deslocamento constante que nunca é apagado: controle somente proporcional ou um atuador que atingiu seu limite de deslocamento.
• Tremulação aleatória sem causa física: ação derivativa amplificando o ruído do sensor ou bolsa de sonda solta.
• Ciclo curto com carga leve: histerese definida abaixo da zona morta do loop ou uma zona morta mais estreita que a precisão do sensor.
• Uma parte do gabinete está fria e o restante quente: localização do sensor, não ajuste.

O controle em cascata remove parte disso. O circuito externo lê a temperatura ambiente e grava um ponto de ajuste, enquanto o circuito interno lê as condições do evaporador ou de sucção e aciona a válvula. O loop interno reage em segundos, antes que a sala se mova, o que reduz o overshoot em sistemas com longo atraso de transporte.

O que verificar antes de fazer um pedido

1. Qual faixa de controle e resolução são necessárias? Uma válvula que modula de 10 a 100% da carga é um produto diferente daquela que abre totalmente a 20%.
2. Qual é a precisão e o tempo de resposta do sensor, e a zona morta do loop é mais larga que o erro do sensor?
3. Qual contagem de ciclos é esperada ao longo da vida útil e os materiais da sede e da bobina suportam isso?
4. As conexões de cobre e latão e os materiais das válvulas são adequados ao refrigerante e ao óleo em uso?
5. As peças sobressalentes, as tensões da bobina e as opções de acionamento manual estão disponíveis na mesma série, de modo que um reparo não exija o retrabalho do suporte?
6. O fornecedor pode trabalhar a partir de um desenho ou amostra se o loop precisar de um tamanho de porta ou característica de fluxo fora do padrão?

Os fornecedores que constroem os componentes de controle e entendem os circuitos em que se encontram preenchem essas lacunas com mais rapidez. Um fabricante com um laboratório de testes interno e capacidade de desenvolvimento personalizado pode confirmar um coeficiente de fluxo ou uma classificação da bobina a partir do desenho, em vez de uma nota de rodapé do catálogo.

Pontos-chave a serem lembrados

• Um sistema de controle PID é um circuito fechado: mede, compara, corrige, repete.
• A ação proporcional reage ao erro presente, a ação integral limpa o passado, a ação derivativa antecipa os próximos segundos.
• A maioria dos circuitos de refrigeração funciona melhor como PI, com a derivada reservada para medições bem filtradas e de resposta rápida.
• O ajuste não pode compensar um sensor lento, uma válvula superdimensionada ou uma sonda no lugar errado.
• A vida útil do ciclo e a compatibilidade dos materiais decidem se o circuito ainda funciona no terceiro ano.

O verdadeiro teste de um loop não é a resposta ao degrau no dia do comissionamento. É se o caso ainda mantém a meta na tarde mais quente do ano, após um degelo, e com a bobina parcialmente bloqueada. Projete o hardware de acordo com esse requisito e os números de ajuste se tornarão a parte fácil.