Guide de réglage du système de contrôle PID pour les boucles de contrôle de réfrigération et de CVC

Un congélateur-chambre réglé à moins 18 degrés Celsius qui dérive entre moins 15 et moins 20, faisant fonctionner le compresseur et givrant une extrémité de l'évaporateur, ne manque généralement pas de réfrigérant. Il manque un bon contrôle. Le système de contrôle PID décide dans quelle mesure le détendeur s'ouvre, quand le solénoïde de la conduite de liquide se ferme et à quelle vitesse la pièce se rétablit après qu'une porte soit laissée ouverte. Aucun ajustement de charge ne réparera une boucle qui se bat contre elle-même.

La réponse courte d’abord. Un système de contrôle PID est un contrôleur en boucle fermée qui compare une valeur mesurée avec une cible et corrige la différence à l'aide de trois termes pondérés : proportionnel, intégral et dérivé. Dans les travaux de réfrigération et de climatisation, l’arithmétique est la partie la plus simple. Ce qui décide si la boucle tient sa cible, c'est le capteur, l'actionneur et si le réglage correspond à l'inertie thermique de la charge.

Comment un système de contrôle PID corrige une erreur

Chaque boucle exécute la même séquence. Le contrôleur lit la variable de processus, la soustrait du point de consigne pour obtenir l'erreur, calcule les trois termes, les additionne et envoie le résultat à un élément de contrôle final. L'élément agit, le processus répond, le capteur signale et le cycle se répète. Une minuterie qui fait fonctionner un compresseur pendant dix minutes et le met au repos pendant cinq ne fait rien de tout cela, c'est pourquoi le contrôle en boucle ouverte ne peut pas maintenir une pièce malgré une charge changeante.

Les trois termes et ce que chacun corrige

Action proportionnelle

L'action proportionnelle produit une sortie proportionnelle à l'erreur actuelle. Si la pièce se situe 2 K au-dessus du point de consigne et que le gain est réglé de telle sorte que chaque kelvin ouvre une vanne modulante de 8 pour cent, la vanne se déplace à 16 pour cent. Ce terme fait l'essentiel du travail lors d'un pull down.

Il ne peut pas terminer le travail seul. À mesure que la pièce s'approche du point de consigne, l'erreur diminue, et la sortie diminue avec elle, jusqu'à ce que la position de la vanne équilibre exactement la charge. Ce point d’équilibre est éloigné du point de consigne et est appelé décalage ou erreur d’état stable. Le contrôle proportionnel uniquement s'établit souvent à 1 à 2 K de la cible, ce qui est tolérable pour un refroidissement de confort et non pour un congélateur rapide.

Action intégrale

L'action intégrale additionne l'erreur au fil du temps et continue de pousser jusqu'à ce que cette somme cesse de croître, ce qui supprime le décalage. Le coût est du temps et, s'il est défini de manière agressive, un dépassement est nécessaire. Lorsque la somme s'accumule pendant une période pendant laquelle la sortie ne peut pas répondre, comme un verrouillage de dégivrage, elle entraîne fortement la sortie au moment où le verrouillage se dissipe. Il s'agit d'une liquidation intégrale, et c'est une cause fréquente d'un dépassement du magasin de 5 K après un dégivrage.

Action dérivée

L'action dérivée répond au taux de variation de l'erreur, ce qui amortit une boucle qui a tendance à dépasser. Il réagit également au bruit du capteur, car un transducteur de pression se contractant de 0,2 bar à chaque période d'échantillonnage ressemble à un taux de changement extrêmement rapide. La plupart des contrôleurs de réfrigération appliquent le terme dérivé à la variable de processus plutôt qu'à l'erreur et l'associent à un filtre d'une à trois secondes. Là où le retard de transport domine, ce qui est le cas dans la plupart des circuits, la dérivée est laissée à zéro et une boucle PI est utilisée à la place.

Un exemple concret. Un détendeur électronique maintenant la surchauffe entre 5 et 8 K s'appuie sur une action proportionnelle pour suivre la charge et une action intégrale pour éliminer l'erreur d'arrêt. Si la surchauffe oscille entre 2 K et 15 K, le terme dérivé est rarement en cause. Le temps de réponse du capteur et la résolution du pas de vanne le sont généralement.

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Méthodes de réglage et nombres réalistes

Le réglage est le point où la théorie rencontre l'usine. Trois approches couvrent l'essentiel du travail.

1. Réglage manuel. Mettez à zéro les termes intégral et dérivé, augmentez le gain proportionnel jusqu'à ce que la boucle oscille régulièrement, puis divisez-le par deux. Ajoutez une action intégrale jusqu'à ce que le décalage disparaisse dans un délai acceptable. Ajoutez un dérivé uniquement si le dépassement est toujours important.
2. Ziegler et Nichols. Lisez le gain et la période ultimes du test d'oscillation et appliquez le tableau publié. Le résultat est rapide et légèrement agressif, ce qui convient aux boucles de température lentes.
3. Réglage automatique du relais. Le contrôleur force un petit cycle limite autour du point de consigne et dérive le modèle à partir de son amplitude et de sa période. C'est pratique, mais cela règle la boucle exactement comme trouvé, y compris un capteur mal placé.

Points de référence utiles. Une boucle de salle est mise à jour une fois par seconde. Une boucle de surchauffe se met à jour toutes les 100 à 200 ms. Une boucle d'eau glacée doit tenir à moins de 0,5 K et une vitrine à moins de 1 K. Un échantillonnage beaucoup plus rapide que le processus ne peut répondre amplifie principalement le bruit.

Où la boucle de contrôle rencontre le matériel

Trois décisions matérielles façonnent le résultat plus que n'importe quelle constante de réglage.

• Emplacement et vitesse du capteur. Une sonde dans l'air de retour voit la pièce, tandis qu'une sonde attachée au serpentin voit le serpentin. Une boucle accordée sur l'un et opérée sur l'autre chassera.
• Résolution de l'actionneur. Une électrovanne marche/arrêt donne à la boucle deux positions, de sorte que le contrôleur ne peut faire varier que le rapport cyclique. Une vanne modulante lui donne 200 positions ou plus.
• Protection indépendante. Un contrôleur de pression de réfrigération commute le compresseur ou le ventilateur du condenseur à une pression fixe, quelle que soit la demande de la boucle de température, ce qui empêche un capteur défaillant de devenir un compresseur défaillant.

Le comportement au fil du temps compte autant que le comportement le jour de la mise en service. Un solénoïde de conduite de liquide cyclique toutes les 40 secondes accumulera des centaines de milliers d'opérations en quelques années. La conception du siège, la classe d'isolation de la bobine et l'accès manuel deviennent donc des critères de sélection pratiques. Remarques sur maintenir une électrovanne EVR stable pendant une longue durée de vie valent la peine d'être lus avant de fixer un tarif de cyclisme.

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Lorsque la boucle se comporte mal : symptômes et causes

• Dépassement important après dégivrage : enroulement intégral ou fin du dégivrage réglé par le temps plutôt que par la température de la batterie.
• Oscillation régulière toutes les deux à cinq minutes : gain proportionnel trop élevé, ou vanne surdimensionnée pour la charge.
• Décalage constant qui ne s'efface jamais : commande proportionnelle uniquement ou actionneur qui a atteint sa limite de course.
• Gigue aléatoire sans cause physique : action dérivée amplifiant le bruit du capteur ou poche de sonde desserrée.
• Cycle court à charge légère : hystérésis réglée en dessous de la zone morte de boucle, ou une zone morte plus étroite que la précision du capteur.
• Une partie du boîtier froide et le reste chaude : emplacement du capteur, pas réglage.

Le contrôle en cascade en supprime une partie. La boucle externe lit la température ambiante et écrit un point de consigne, tandis que la boucle interne lit les conditions de l'évaporateur ou de l'aspiration et pilote la vanne. La boucle interne réagit en quelques secondes, avant que la pièce ne bouge, ce qui évite les dépassements sur les systèmes avec un long délai de transport.

Que vérifier avant de passer une commande

1. Quelle plage de contrôle et quelle résolution sont requises ? Une vanne qui module sur 10 à 100 pour cent de la charge est un produit différent d'une vanne qui s'ouvre complètement à 20 pour cent.
2. Quelle est la précision et le temps de réponse du capteur, et la bande morte de boucle est-elle plus large que l'erreur du capteur ?
3. Quel nombre de cycles est attendu au cours de la durée de vie, et les matériaux du siège et de la bobine le prennent-ils en charge ?
4. Les raccords en cuivre et en laiton ainsi que les matériaux des vannes conviennent-ils au réfrigérant et à l'huile utilisés ?
5. Les pièces de rechange, les tensions de bobine et les options de commande manuelle sont-elles disponibles dans la même série, de sorte qu'une réparation ne nécessite pas de retravailler le support ?
6. Le fournisseur peut-il travailler à partir d'un dessin ou d'un échantillon si la boucle nécessite une taille de port ou des caractéristiques de débit non standard ?

Les fournisseurs qui construisent les composants de contrôle et comprennent les boucles dans lesquelles ils se trouvent comblent ces lacunes plus rapidement. Un fabricant avec un laboratoire de test interne et une capacité de développement personnalisé peut confirmer un coefficient de débit ou une valeur nominale de batterie à partir du dessin plutôt qu'à partir d'une note de bas de page du catalogue.

Points clés à retenir

• Un système de contrôle PID est une boucle fermée : mesurer, comparer, corriger, répéter.
• L'action proportionnelle réagit à l'erreur présente, l'action intégrale efface le passé, l'action dérivée anticipe les prochaines secondes.
• La plupart des boucles de réfrigération fonctionnent mieux en mode PI, avec un dérivé réservé aux mesures bien filtrées et à réponse rapide.
• Le réglage ne peut pas compenser un capteur lent, une vanne surdimensionnée ou une sonde au mauvais endroit.
• La durée de vie et la compatibilité des matériaux déterminent si la boucle fonctionnera toujours au cours de la troisième année.

Le véritable test d’une boucle n’est pas la réponse progressive le jour de la mise en service. Il s'agit de savoir si le boîtier tient toujours la cible l'après-midi le plus chaud de l'année, après un dégivrage, et avec une batterie en partie bouchée. Concevez le matériel en fonction de cette exigence et les numéros de réglage deviennent la partie la plus facile.