Пид регулирование трехходового клапана

Трёхходовой смесительный клапан — управление, применение, особенности.

Трёхходовой клапан (кран) — устройство смешения или разделения потоков рабочей среды (жидкости или газа). В быту чаще всего он используется в системах вентиляции, отопления, ГВС и тёплых полов. С помощью трёхходового крана можно плавно менять расход воды через теплообменник, регулируя тем самым температуру в системе.

Проще говоря, трёхходовой кран применяют тогда, когда нужно перераспределять поток рабочей среды, а не просто открывать или закрывать, как в случае с обычным краном. Это позволяет поддерживать постоянную циркуляцию в системе, улучшить теплосъём и оптимизировать работу отопительных приборов.

Принцип работы трёхходового клапана

Трёхходовые клапаны бывают двух видов: смесительные и разделительные.

Как понятно из названия, первые смешивают два потока, а вторые, наоборот разделяют один поток на два. При этом они имеют схожий принцип работы: внутренний клапан перекрывает два отверстия в определённой пропорции. В этой же пропорции смешиваются или разделяются потоки.

Трёхходовой клапан с электроприводом

Для того чтобы управлять трёхходовым краном автоматически, на него устанавливают электропривод, который позволяет позволяет поворачивать кран на необходимый угол.

Сигналы управления формирует интеллектуальное устройство (контроллер или регулятор), примеры которых будут рассмотрены ниже.

Привод крана может управляться напряжением 220 В или 24 В.

По типу сигнала управления различают два вида приводов трёхходовых клапанов:

• привод с импульсным управлением
• привод с управлением аналоговым сигналом 0-10 В или 4-20 мА

Привод трёхходового клапана с импульсным управлением

Этот тип привода управляется с помощью электрических импульсов разной длительности. Электронная плата привода имеет два дискретных входа, один из которых отвечает за закрытие, а другой — за открытие.

При подаче напряжения на один из дискретных входов клапан начинает открываться или закрываться( в зависимости от того, на какой вход подано напряжение), и делает это до тех пор, пока управляющее напряжение не будет «снято» со входа. Подача напряжения на другой вход приведёт к началу вращения привода в противоположном направлении.

Таким образом, чем дольше подавать управляющее напряжение на вход, тем на больший угол привод успеет повернуть клапан. Подача на дискретные входы импульсов различной длительности позволяет открывать (или закрывать) клапан «по чуть-чуть». Полное время закрытия/открытия клапанов сильно различается и может составлять от нескольких секунд до нескольких минут.

Приводы с импульсным управлением чаще всего имеют датчик положения, для определения текущей степени открытия клапана. Сигнал с этого датчика может использоваться в контроллере для улучшения качества управления или визуализации положения клапана.

Привод трёхходового крана с аналоговым управлением

Электроника такого привода «принимает» на вход унифицированный аналоговый сигнал. Это либо токовый сигнал 4-20 мА, либо сигнал напряжения 0-10 В, либо может управляться любым из этих сигналов.

Принцип управления в данном случае достаточно прост: чем больше ток управляющего сигнала в диапазоне от 4 до 20 мА — тем больше открыт клапан. При сигнале тока 4 мА, он будет полностью закрыт, а при 20 мА — полностью открыт.

С управляющим сигналом по напряжению (0-10 В) всё аналогично.

В таких приводах датчик положения не так важен, поскольку по значению поданного управляющего напряжения можно однозначно определить его положение.

Контроллер управления трёхходовым клапаном

Для того чтобы управлять трёхходовым клапаном по температуре в системе, используют интеллектуальное устройство (контроллер или регулятор).

Для примера рассмотрим систему отопления. В качестве регулятора возьмём «ТРМ12» компании «ОВЕН».

Датчик температуры измеряет температуру в помещении и передаёт показания на регулятор, который управляет трёхходовым клапаном.

Если клапан будет полностью открыт, вся горячая вода от котла потечёт через теплообменник (показано красным цветом на схеме) и мощность нагрева будет максимальной. При полностью закрытом клапане вода будет циркулировать по малому кругу (показан синим цветом) через теплообменник, постепенно остужаясь. При понижении температуры в помещении регулятор будет приоткрывать трёхходовой вентиль, подмешивая горячую воду от котла в поток теплоносителя, циркулирующий через радиатор.

В результате регулятор «подберёт» такое положение вентиля, при котором количество подмешиваемой горячей воды обеспечит заданную температуру в помещении.

ТРМ12 работает по принципу ПИД-регулятора (о нём можно почитать тут ). Пользователь задаёт необходимое значение температуры в помещении с управляющей панели прибора. По текущему значению температуры, полученному от датчика, и заданию пользователя контроллер вычисляет, на сколько нужно открыть трёхходовой кран, и посылает управляющие импульсы необходимой длительности.

Для управления приводом клапана с аналоговым входным сигналом ТРМ12 не подходит. Вместо него можно выбрать, например ТРМ10. Вот его функциональная схема:

Как видите, этот регулятор имеет универсальный аналоговый выход (о-10 В или 4-20 мА).

Источник

Настройка ПИД-регулятора

В данной статье приведены основные принципы и правила настройки коэффициентов ПИД-регулятора сточки зрения практического применения. Теоретические основы можно прочитать вот в этой статье .

Для простоты изложения рассмотрим настройку регулятора на примере. Допустим, необходимо поддерживать температуру в помещении с помощью обогревателя, управляемого регулятором. Для измерения текущей температуры используем термопару.

Задача настройки

Настройка регулятора производится с одной единственной целью: подобрать его коэффициенты для данной задачи таким образом, чтобы регулятор поддерживал величину физического параметра на заданном уровне. В нашем примере физическая величина — это температура.

Допустим текущая температура в помещении 10 °С, а мы хотим, чтобы было 25°С. Мы включаем регулятор и он начинает управлять мощностью обогревателя таким образом, чтобы температура достигла требуемого уровня. Посмотрим как это может выглядеть.

На данном рисунке красным цветом показана идеальная кривая изменения температуры в помещении при работе регулятора. Физическая величина плавно, без скачков, но в тоже время достаточно быстро подходит к заданному значению. Оптимальное время, за которое температура может достигнуть заданной отметки, определить довольно сложно. Оно зависит от многих параметров: размеров комнаты, мощности обогревателя и др. В теории это время можно рассчитать, но на практике чаще всего это определяется экспериментально.

Чёрным цветом показан график изменения температуры в том случае, если коэффициенты подобраны совсем плохо. Система теряет устойчивость. Регулятор при этом идёт «в разнос» и температура «уходит» от заданного значения.

Рассмотрим более благоприятные случаи.

На этом рисунке показаны графики, далёкие от идеального. В первом случае наблюдается сильное перерегулирование: температура слишком долго «скачет» относительно уставки, прежде чем достичь её. Во втором случае регулирование происходит плавно, но слишком медленно.

А вот и приемлемые кривые:

Данные кривые тоже не идеальны, но могут быть сочтены за удовлетворительные.

В процессе настройки регулятора, пользователю необходимо стремиться получить кривую, близкую к идеальной. Однако, в реальных условиях сделать это не так-то просто — приходится долго и мучительно подбирать коэффициенты. Поэтому зачастую останавливаются на «приемлемой» кривой регулирования. Например, в нашем примере нас могли бы устроить коэффициенты регулятора, при которых заданная температура достигалась бы за 15-20 минут с максимальным перерегулированием (максимальными «скачками» температуры) 2 °С. А вот время достижение уставки более часа и максимальные «скачки» температуры 5 °С — нас бы не устроили.

Далее поговорим о том, как подобрать коэффициенты для достижения оптимального регулирования. Рекомендуется настраивать коэффициенты в том же порядке, в котором это описано.

Настраиваем пропорциональный коэффициент

Выставляем дифференциальный и интегральный коэффициенты в ноль, тем самым убирая соответствующие составляющие. Пропорциональный коэффициент выставляем в 1.

Далее нужно задать значение уставки температуры отличное от текущей и посмотреть, как регулятор будет менять мощность обогревателя, чтобы достичь заданного значения. Характер изменения можно отследить «визуально», если у вас получится мысленно представить этот график. Либо можно регистрировать в таблицу измеренное значение температуры каждые 5-10 секунд и по полученным значением построить график. Затем нужно проанализировать полученную зависимость в соответствии с рисунком:

При большом перерегулировании, необходимо уменьшать пропорциональный коэффициент, а если регулятор долго достигает уставки — увеличивать. Так убавляя-прибавляя коэффициент необходимо получить график регулирования как можно ближе к идеальному. Поскольку достичь идеала удастся вряд ли, лучше оставить небольшое перерегулирование (его можно будет скорректировать другими коэффициентами), чем длительное нарастание графика.

Настраиваем дифференциальный коэффициент

Постепенно увеличивая дифференциальную составляющую, необходимо добиться уменьшения или полного исчезновения «скачков» графика (перерегулирования) перед выходом на уставку. При этом кривая должна стать еще больше похожа на идеальную. Если слишком сильно завысить дифференциальный коэффициент, температура при выходе на уставку будет расти не плавно, а скачками (как показано на рисунке).

При появлении таких скачков необходимо прекратить увеличение дифференциального коэффициента.

Настраиваем интегральный коэффициент

При настройке двух предыдущих коэффициентов можно получить практически идеальную кривую регулирования или близкую к ней кривую, удовлетворяющую условиям задачи. Однако, как правило возникает так называемая «статическая ошибка». При этом в нашем примере температура стабилизируется не на заданном значении 25 °С, а на несколько меньшем значении. Дело в том, что если температура станет равной уставке (то есть разность текущей и заданной температур станет равна 0), то пропорциональная и дифференциальная составляющая будут равны нулю ( см. функцию преобразования ПИД-регулятора ). При этом мощность регулятора тоже станет равна 0 и он начнёт остывать.

Для того чтобы исключить этот эффект, используют интегральную составляющую. Её необходимо постепенно увеличивать до исчезновение статической ошибки. Однако, чрезмерное её увеличение тоже может привести к возникновению скачков температуры.

Заключение

Настройка ПИД-регулятора довольно сложный и трудоёмкий процесс. На практике достаточно тяжело достичь оптимального регулирования и зачастую в этом нет необходимости. Чаще всего достаточно добиться такого вида переходного процесса, который устроит пользователя в условиях текущей задачи.

Источник

Инструкция по настройке ПИД регулятора

Поскольку количество сочетаний трех параметров, предусмотренных для настройки регуляторов, весьма значительно, с течением времени было разработано много методик, облегчающих их правильную настройку. Некоторые из них требуют определенной дестабилизации технологического процесса, что зачастую неприемлемо на практике. Цель данной статьи – предложить ряд простых правил настройки регуляторов, позволяющих выполнять данную работу с минимальными отклонениями от режимных параметров.
Основное правило: регулятор следует настраивать сообразно технологическому процессу. При высоком быстродействии процесса (например, в контуре расхода), регулятор также следует настроить на быстрое срабатывание. Скорость срабатывания регулятора определяется интегральным временем (интегральной составляющей), а не зоной пропорционального регулирования (усилением). Неправильное использование этих параметров значительно снижает эффективность настройки регуляторов. При низком быстродействии процесса (например, при регулировании температуры на тарелке в верхней части ректификационной колонны) регулятор следует настроить на медленное срабатывание СООБРАЗНО ПРОЦЕССУ. Если у Вас отсутствует информация о характеристиках процесса и не к кому обратиться за разъяснениями, Вам следует перепоручить настройку регуляторов специалисту, который сможет получить необходимую информацию.

Общие правила для стандартных контуров управления

Обычно более половины контуров управления на установке представляют собой контуры регулирования расхода. Установите интегральную составляющую (I) на 0,1 минуты. Отрегулируйте зону пропорционального регулирования так, чтобы предотвратить излишнюю зашумленность результатов измерения (как правило, около 300%, хотя, в некоторых случаях, при неправильном монтаже узла расходомера, требуемое значение может достигать 1000%). Установка зоны пропорционального регулирования для контура, в котором используется позиционер клапана, в два – три раза превышает значение для контура без позиционера. Для медленно срабатывающих или заедающих регулирующих клапанов может потребоваться установка 0,2 или 0,3 минуты, однако, обычно, такие значения являются исключением. Если эти настройки не работают, проверьте монтаж клапана и первичного измерительного элемента с целью определения неисправности. Устраните неисправность. Не следует устанавливать регулятор на неприемлемое значение интегральной составляющей, например, 10 минут. Если вы считаете, что требуемое значение интегральной составляющей равно 10 минут, следует использовать регулятор в ручном режиме или клапан с ручным приводом.
Примечание: Регуляторы не будут нормально работать, если клапан или другой конечный регулирующий элемент почти полностью закрыт или почти полностью открыт. Настраивать регуляторы в этих условиях не следует. Попросите оператора открыть или закрыть байпас (при наличии байпаса) или дождитесь, пока технологические параметры не изменяться настолько, чтобы клапан вернулся в пределы рабочего диапазона. Предельные значения рабочего диапазона составляют от 5 до 95% рабочего хода, при этом более безопасный диапазон – от 10 до 90%. Не следует использовать воздействие дифференциальной составляющей для контуров регулирования расхода.

Следующий за контуром расхода наиболее распространенный контур управления – контур уровня. не следует использовать малые значения интегральной составляющей в контуре регулировки уровня. При использовании подобного значения контур будет безостановочно работать в цикличном режиме, нередко с периодом (временем от пика одного цикла до пика следующего цикла) от 10 до 15 минут. Этот период обратно пропорционален интегральному времени. Установите интегральное время на 10 минут. Эта установка будет приемлемой для 80 — 90% регуляторов уровня. Если временная постоянная аппарата (объем/расход) составляет от 1 до 2 минут, то можно использовать более короткое интегральное время, однако следует помнить о том, что более продолжительное время является более надежным. При большом объеме аппарата и малом расходе следует использовать более продолжительное интегральное время.
Если важна точность регулирования уровня, используйте наименьшее значение зоны пропорционального регулирования (10 — 50%), при котором отсутствует циклическое срабатывание. Если плавное изменение расхода на последующую установку важнее жесткого регулирования уровня, используйте более широкую зону пропорционального регулирования (100 — 200%). Не следует использовать воздействие дифференциальной составляющей в контуре регулирования уровня. Впрочем, имеются немногочисленные исключения. В очень редких случаях небольшая дифференциальная составляющая используется для компенсации на регулирующих клапанах уровня со значительным гистерезисом. Шумы по уровню вызывают дрожание клапана, что может способствовать более плавному регулированию. Более оптимальное решение – установить позиционер или, что еще лучше, регулятор расхода в каскаде с регулятором уровня.
В контурах уровня, если регулятор управляет клапаном без позиционера, зачастую наблюдается предельный цикл. График предельного цикла имеет пилообразную форму, иногда с плоскими нижними и/или верхними участками. Контроль выходного сигнала в ходе предельного цикла показывает изменение, равное примерно 5%. Устранить подобный предельный цикл путем настройки практически невозможно. Настройка приводит к изменению периодичности цикла, но не влияет на его амплитуду. Если регулирование клапана осуществляется в пределах рабочего диапазона, то устранить данную проблему можно только путем установки позиционера или каскадированием уровня с расходом.
Если уровень контролируется по расходу продукта, направляемого в парк хранения, то, как правило, циклическое срабатывание не имеет значения. Если же речь идет об орошении в ректификационной колонне, зацикливание, как правило, недопустимо. Следует отметить, что циклическое управление клапаном в почти полностью закрытом или почти полностью открытом положении приводит к возникновению предельного цикла, как правило, с плоским нижним участком, если клапан почти закрыт или с плоским верхним участком, если клапан почти полностью открыт.

Давление жидкости

Настройка осуществляется аналогично контурам расхода. Шумы могут быть не столь интенсивными, как при регулировании расхода, и значения зоны пропорционального регулирования, как правило, будут меньше.

Давление газа

Настройка осуществляется аналогично контурам уровня с использованием высокого значения интегральной составляющей. Регулятор, работающий только в пропорциональном режиме, обеспечивает адекватное регулирование, но с определенным изменением контрольной точки в зависимости от состояния процесса по причине пропорционального отклонения. Так как зона пропорционального регулирования может, как правило, оказаться очень небольшой (менее 100% и, нередко, примерно от 5 до 20%), то такое отклонение будет незначительным.
Отрегулировав более 80% контуров стандартной установки, переходим к более труднорегулируемым контурам, а именно: температуре, давлению паров и составу. Сюда же относится температура, на основании которой определяется состав среды во многих колоннах дистилляции.

Труднорегулируемые контуры

Существует две способа настройки труднорегулируемых контуров. Первый способ заключается в использовании безопасных исходных настроек: зона пропорционального регулирования 100%, интегральное время 5 — 10 минут, без дифференциальной составляющей. Переключите регулятор в автоматический режим при результатах измерения, близких к требуемой уставке.
При возникновении циклических колебаний определите время от одного пика до другого (от верхней точки до верхней точки или от нижней точки до нижней точки). Это – период контура управления. Если отклонение каждого пика от уставки будет больше отклонения предыдущего пика, увеличьте зону пропорционального регулирования (в два, три и более раз) до тех пор, пока увеличение амплитуды в цикле не прекратиться.
Если исходное интегральное время составляет менее половины периода, оно слишком короткое, что, возможно, и вызывает циклическое срабатывание. Увеличьте интегральное время. По мере увеличения интегрального времени период должен сокращаться. Если период примерно в два раза превышает интегральное время и происходит затухание колебаний, это означает, что работа почти полностью закончена. При отсутствии помех измерения следует установить дифференциальную составляющую, равную четверти интегрального времени. Дождитесь изменения параметров или попросите оператора немного скорректировать уставку в безопасном направлении. Выполните повторную настройку зоны пропорционального регулирования, чтобы обеспечить приемлемое гашение колебаний после выхода из режима. Повторяйте эти действия, пока не получите нормальный отклик контура.
Проконтролируйте контур в течение нескольких часов, чтобы убедиться в стабильности его работы. Некоторые контуры стабильны при небольших изменениях параметров, но начинают осциллировать при значительных изменениях. Увеличьте зону пропорционального регулирования, если это необходимо, чтобы обеспечить стабильность контура при значительных отклонениях от заданного режима.
Если этот ускоренный метод оказался в вашем случае неэффективным или если вы хотите действовать более методично, следуйте приведенной ниже методике. Она работает во всех случаях и не оставляет сомнений относительно характеристик контура управления.

Стандартный метод настройки регуляторов

1. Переключите регулятор в ручной режим работы, когда процесс достаточно стабилен и на установке не ожидается резких отклонений от заданного режима. Установите D (производную отклонения или дифференциальную составляющую у некоторых регуляторов) на минимальное, а I (интегральное время или интегральное составляющую у некоторых регуляторов) на максимальное значение.
2. Для начала выберите уставку, равную результатам измерения и установите зону пропорционального регулирования (P) на 100% (или коэффициент усиления на 1,0 у некоторых регуляторов). Немного измените выходной сигнал и переключите регулятор в автоматический режим. Зарегистрируйте исходное положение клапана на тот случай, если вам потребуется вернуться к нему в процессе настройки.
3. При отсутствии колебаний повторите п. 2, уменьшая зону пропорционального регулирования (возможно, до половины первоначального значения). Продолжайте уменьшать зону пропорционального регулирования, пока не начнутся колебания. Если с первой попытки возникнут колебаний с возрастающей амплитудой, верните регулятор в ручной режим и установите клапан в исходное положение, зарегистрированное в п. 2. Удваивайте зону пропорционального регулирования и повторяйте попытки, пока не получите равномерные или почти равномерные колебания. Замерьте период (определяемый как время отработки одного полного цикла)
4. Для ПИ-регулятора:
Установите I = период х 0,82.
Удвойте зону пропорционального регулирования.
Период увеличится приблизительно на 43%. Каждый пик должен составлять примерно половину от амплитуды предыдущего пика. Это называется гашением амплитуды на четверть.
Выполните повторную настройку зоны пропорционального регулирования, если необходимо большее или меньшее демпфирование.
5. Для ПИД-регулятора:
Установите I = период х 0,5.
Установите D = период х 0,125.
Удвойте зону пропорционального регулирования.
Период уменьшится примерно на 15%.
Выполните повторную настройку зоны пропорционального регулирования, если необходимо большее или меньшее демпфирование.
6. Следует помнить о том, что безопасными являются большие значения I и малые значения D. Данные указания предназначены для регуляторов, настраиваемых в минутах на повтор . Некоторые изготовители используют обратное отношение I и D, при этом наибольшее значение соответствует наименьшему и наоборот.
7. При зашумленных результатах измерения (в особенности это относится к контурам Ph) использование дифференциальной составляющей, как правило, невозможно. Ни в коем случае не устанавливайте дифференциальную составляющую, которая превышает интегральную.

Каскадирование и другие виды взаимодействия контуров управления

Сначала выполните настройку вторичного контура (т.е. расхода) в режиме локальной уставки. Уменьшите интегральную составляющую до минимально допустимого значения. Переключите вторичный контур в режим работы с удаленной уставкой и выполните настройку первичного контура (т.е. уровня). Значение интегральной составляющей первичного регулятора не должно быть меньше помноженного на 4 значения интегральной составляющей вторичного регулятора. Эти же правила применимы и для контуров, взаимодействующих через технологический процесс.
Примером такого взаимодействия через технологический процесс является контур давления в колонне и температурный контур с компенсацией по давлению, используемые для управления ректификационной колонной. Настройте контур давления (который является самым быстрым контуром в данном примере) на минимальную интегральную составляющую, а затем установите интегральное время регулятора температуры, не менее, чем в 4 раза превышающее интегральное время контура давления. Для проверки взаимодействия этих двух контуров при их циклическом срабатывании с аналогичным периодом, переведите один из контуров в ручной режим. Прекращение цикла указывает на возможное наличие проблемы, вызванной взаимодействием. Переместите контуры или используйте описанную выше методику минимизации колебаний.

С дополнительными материалами по настройке ПИД регуляторов Вы можете ознакомиться здесь.

Узнать больше про регуляторы и алгоритмы работы регуляторов Вы можете здесь.

Для закрепления полученных знаний предлагаем Вам воспользоваться программой имитации контуров регулирования Перейти

Источник