Guía de ajuste del sistema de control PID para circuitos de control de refrigeración y HVAC

A un congelador configurado a -18 grados Celsius que oscila entre -15 y -20, haciendo ciclos cortos del compresor y congelando un extremo del evaporador, generalmente no le falta refrigerante. Falta un buen control. El sistema de control PID decide hasta qué punto se abre la válvula de expansión, cuándo se cierra el solenoide de la línea de líquido y qué tan rápido se recupera la habitación después de dejar una puerta abierta. Ningún ajuste de carga solucionará un bucle que lucha contra sí mismo.

La respuesta corta primero. Un sistema de control PID es un controlador de circuito cerrado que compara un valor medido con un objetivo y corrige la diferencia utilizando tres términos ponderados: proporcional, integral y derivativa. En trabajos de refrigeración y aire acondicionado la aritmética es la parte sencilla. Lo que decide si el bucle mantiene su objetivo es el sensor, el actuador y si la sintonización coincide con la inercia térmica de la carga.

Cómo un sistema de control PID corrige un error

Cada bucle ejecuta la misma secuencia. El controlador lee la variable de proceso, la resta del punto de ajuste para obtener el error, calcula los tres términos, los suma y envía el resultado a un elemento de control final. El elemento actúa, el proceso responde, el sensor informa y el ciclo se repite. Un temporizador que hace funcionar un compresor durante diez minutos y lo deja descansar durante cinco no hace nada de esto, razón por la cual el control de circuito abierto no puede mantener una habitación a través de una carga cambiante.

Los tres términos y lo que soluciona cada uno

Acción proporcional

La acción proporcional produce una salida proporcional al error actual. Si la habitación se encuentra 2 K por encima del punto de ajuste y la ganancia se establece de modo que cada kelvin abra una válvula moduladora en un 8 por ciento, la válvula se mueve al 16 por ciento. Este término hace la mayor parte del trabajo durante un pull down.

No puede terminar el trabajo solo. A medida que la habitación se acerca al punto de ajuste, el error se reduce y la salida se reduce con él, hasta que la posición de la válvula equilibra exactamente la carga. Ese punto de equilibrio se encuentra alejado del punto de ajuste y se denomina compensación o error de estado estable. El control únicamente proporcional a menudo se desvía de 1 a 2 K del objetivo, lo cual es tolerable para un enfriamiento confortable y no para un congelador rápido.

Acción Integral

La acción integral suma el error a lo largo del tiempo y continúa presionando hasta que esa suma deja de crecer, lo que elimina la compensación. El costo es tiempo y, si se fija agresivamente, se excede. Cuando la suma se acumula durante un período en el que la salida no puede responder, como en un bloqueo de descongelación, impulsa la salida con fuerza en el momento en que se elimina el bloqueo. Esto es liquidación integral y es una causa común de que una tienda se sobrepase en 5 K después de un descongelamiento.

Acción derivada

La acción derivativa responde a la tasa de cambio del error, lo que amortigua un bucle que tiende a sobrepasarse. También reacciona al ruido del sensor, porque un transductor de presión que se contrae 0,2 bar en cada período de muestreo parece una velocidad de cambio extremadamente rápida. La mayoría de los controladores de refrigeración aplican el término derivativo a la variable del proceso en lugar del error y lo combinan con un filtro de uno a tres segundos. Cuando domina el retardo de transporte, que es la mayoría de los circuitos, la derivada se deja en cero y en su lugar se utiliza un bucle PI.

Un ejemplo concreto. Una válvula de expansión electrónica que mantiene el sobrecalentamiento entre 5 y 8 K se basa en una acción proporcional para rastrear la carga y una acción integral para eliminar el error de posición. Si el recalentamiento oscila entre 2 K y 15 K, el término derivado rara vez es el culpable. El tiempo de respuesta del sensor y la resolución del paso de la válvula generalmente lo son.

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Métodos de ajuste y números realistas

La sintonización es donde la teoría se encuentra con la planta. Tres enfoques cubren la mayor parte del trabajo.

1. Sintonización manual. Ponga a cero los términos integral y derivada, aumente la ganancia proporcional hasta que el bucle oscile de manera constante y luego divídala a la mitad. Agregue acción integral hasta que la compensación se borre dentro de un tiempo aceptable. Agregue la derivada sólo si el exceso aún es importante.
2. Ziegler y Nichols. Lea la ganancia final y el período de la prueba de oscilación y aplique la tabla publicada. El resultado es rápido y ligeramente agresivo, lo que se adapta a bucles de temperatura lentos.
3. Sintonización automática del relé. El controlador fuerza un pequeño ciclo límite alrededor del punto de ajuste y deriva el modelo a partir de su amplitud y período. Es conveniente, pero sintoniza el bucle exactamente como se encontró, incluido un sensor mal colocado.

Puntos de referencia útiles. Un bucle de habitación se actualiza una vez por segundo. Un bucle de sobrecalentamiento se actualiza cada 100 a 200 ms. Un circuito de agua enfriada debe mantenerse dentro de 0,5 K y una vitrina dentro de 1 K. El muestreo mucho más rápido de lo que el proceso puede responder amplifica principalmente el ruido.

Donde el bucle de control se encuentra con el hardware

Tres decisiones de hardware dan forma al resultado más que cualquier constante de ajuste.

• Colocación de sensores y velocidad. Una sonda en el aire de retorno ve la habitación, mientras que una sonda atada a la bobina ve la bobina. Un bucle sintonizado en uno y operado en el otro cazará.
• Resolución del actuador. Una válvula solenoide de encendido y apagado le da al circuito dos posiciones, por lo que el controlador solo puede variar el ciclo de trabajo. Una válvula moduladora le da 200 posiciones o más.
• Protección independiente. Un controlador de presión de refrigeración activa el compresor o el ventilador del condensador a una presión fija independientemente de lo que solicite el circuito de temperatura, lo que evita que un sensor defectuoso se convierta en un compresor defectuoso.

El comportamiento a lo largo del tiempo importa tanto como el comportamiento el día de la puesta en servicio. Un solenoide de línea de líquido que funciona cada 40 segundos acumulará cientos de miles de operaciones en unos pocos años, por lo que el diseño del asiento, la clase de aislamiento de la bobina y el acceso manual a la anulación se convierten en criterios de selección prácticos. Notas sobre mantener estable una válvula solenoide EVR durante una larga vida útil Vale la pena leerlos antes de fijar una tarifa cíclica.

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Cuando el bucle se porta mal: síntomas y causas

• Gran exceso después del descongelamiento: cuerda integral o terminación del descongelamiento establecida por tiempo en lugar de por la temperatura del serpentín.
• Oscilación regular cada dos a cinco minutos: ganancia proporcional demasiado alta o válvula sobredimensionada para la carga.
• Desplazamiento constante que nunca se borra: control solo proporcional o un actuador que ha alcanzado su límite de recorrido.
• Jitter aleatorio sin causa física: acción derivativa que amplifica el ruido del sensor o un bolsillo de sonda suelto.
• Ciclos cortos con carga ligera: histéresis establecida por debajo de la banda muerta del bucle, o una banda muerta más estrecha que la precisión del sensor.
• Una parte de la carcasa fría y el resto caliente: ubicación del sensor, no sintonización.

El control en cascada elimina parte de esto. El circuito exterior lee la temperatura ambiente y escribe un punto de ajuste, mientras que el circuito interior lee las condiciones del evaporador o de succión y acciona la válvula. El bucle interno reacciona en segundos, antes de que la sala se haya movido, lo que reduce el exceso en sistemas con largos retrasos en el transporte.

Qué comprobar antes de realizar un pedido

1. ¿Qué rango de control y resolución se requiere? Una válvula que modula entre el 10 y el 100 por ciento de la carga es un producto diferente de una que se abre completamente al 20 por ciento.
2. ¿Cuál es la precisión del sensor y el tiempo de respuesta? ¿La banda muerta del bucle es más amplia que el error del sensor?
3. ¿Qué número de ciclos se espera durante la vida útil? ¿Los materiales del asiento y la bobina lo respaldan?
4. ¿Los accesorios de cobre y latón y los materiales de las válvulas son adecuados para el refrigerante y el aceite que se utilizan?
5. ¿Hay repuestos, voltajes de bobina y opciones de anulación manual disponibles en la misma serie, por lo que una reparación no requiere volver a trabajar el soporte?
6. ¿Puede el proveedor trabajar a partir de un dibujo o una muestra si el circuito necesita un tamaño de puerto o una característica de flujo no estándar?

Los proveedores que construyen los componentes de control y comprenden los circuitos en los que se encuentran cierran estas brechas más rápidamente. Un fabricante con un laboratorio de pruebas interno y capacidad de desarrollo personalizado Puede confirmar un coeficiente de flujo o una clasificación de la bobina a partir del dibujo en lugar de una nota al pie del catálogo.

Puntos clave para recordar

• Un sistema de control PID es un circuito cerrado: mide, compara, corrige, repite.
• La acción proporcional reacciona al error presente, la acción integral limpia el pasado, la acción derivativa anticipa los próximos segundos.
• La mayoría de los circuitos de refrigeración funcionan mejor como PI, con la derivada reservada para mediciones bien filtradas y de respuesta rápida.
• El ajuste no puede compensar un sensor lento, una válvula sobredimensionada o una sonda en el lugar equivocado.
• El ciclo de vida y la compatibilidad del material deciden si el bucle seguirá funcionando en el tercer año.

La verdadera prueba de un bucle no es la respuesta escalonada el día de la puesta en servicio. La cuestión es si en la tarde más calurosa del año, después de un deshielo y con la batería parcialmente bloqueada, la caja sigue cumpliendo su objetivo. Diseñe el hardware según ese requisito y los números de ajuste se convertirán en la parte fácil.