Sistema de control en cascada - Control de temperatura en varias etapas

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Soy nuevo en el foro, espero que puedas ayudar :)

Soy un ingeniero de software que intenta armar un sistema de control. El fondo de mis controles no es fuerte, realmente solo he sintonizado los bucles PID a través de prueba y error: entiendo los conceptos pero no la teoría o la práctica.

Aquí va ...

Tengo un sistema de control de temperatura donde el fluido en movimiento constante se debe calentar a través del intercambiador de calor para mantener una cámara de proceso a temperatura constante. Encuentre un diagrama simple del sistema aquí: enlace

  1. El líquido ingresa desde el reservorio a temperatura ambiente (20-26 grados C).
  2. La manguera pasa a través de una bomba peristáltica que puede operar de 50 a 400 ml por minuto.
  3. El líquido pasa a través de un intercambiador de calor en un baño de agua caliente ("Tanque"). El tanque tiene aproximadamente 750 ml y el intercambiador de calor tiene aproximadamente 1,5 m de longitud. La temperatura del tanque se controla mediante una señal de "Salida del calentador" (0-100% PWM) y tiene un sensor de "Temperatura del tanque"
  4. Fuera del intercambiador de calor del tanque, el fluido fluye a través de una sección de aproximadamente 20 "de manguera, equipado con un sensor de" Temperatura infrarroja "a la" Cámara ".
  5. La cámara tiene un volumen de alrededor de 400 ml, está aislada y se realiza el experimento. "Chamber Temp" es la variable de proceso final que estamos tratando de controlar. Debe permanecer en la "Cámara SP", generalmente 37 grados C +/- 0.5 grados C, con un límite crítico de nunca superar los 37.5 grados C. Este punto de ajuste de 37 se puede establecer en cualquier lugar entre 30 y 37 grados C.

Se espera que los "experimentos" tengan un tiempo de calentamiento, luego pueden ejecutarse entre 30 y 90 minutos, manteniendo la temperatura de la cámara en la cámara SP.

Ahora mismo tenemos un proceso de control basado en PID en ejecución. Hay dos etapas:

(1) Calentamiento: aquí, usamos la temperatura del tanque como la variable de proceso y calentamos el tanque en algún lugar cerca de la cámara SP. A través de la experimentación, hemos encontrado que el tiempo muerto (tiempo para ver cualquier cambio en PV, cuando se cambia MV) es de unos 150 segundos. Y la constante de tiempo es mucho mayor: se tarda unos 800 segundos en estabilizarse de 34 grados C a 37 grados C. Esta etapa es relativamente sencilla y podemos sintonizar un bucle PID para mantener el tanque en un cierto SP cuando la bomba está apagada y todo es estático ...

(2) Control de cámara: aquí es donde las cosas se complican más. Cuando la bomba comienza a funcionar, el fluido pasa a través del baño de agua, a través del sensor de temperatura infrarrojo y luego a la cámara. El objetivo es controlar la temperatura de la cámara controlando la salida del calentador del tanque. Ha sido un desafío ajustar el bucle PID, ya que la bomba puede funcionar a diferentes ritmos, el tanque puede ser más cálido o más frío que la cámara, y demora demasiado que un cambio en la salida del calentador afecte la temperatura de la cámara. debido a la masa del tanque, el tiempo de espera y la masa de la cámara.

Mi pregunta está alrededor de la etapa de control de la cámara descrita anteriormente: - ¿Es apropiado el PID aquí? Es muy lento, demora mucho y es difícil de ajustar.

  • ¿Es mejor tener un bucle que use Chamber Temp para manipular la salida del calentador? ¿O tener dos bucles "apilados" o en cascada donde se puede observar la temperatura de la cámara para configurar la temperatura infrarroja deseada, y luego un segundo para usar la salida del calentador para controlar la temperatura infrarroja? O incluso tres? PV-MV

    1. Temperatura de la cámara - Temperatura infrarroja
    2. Temperatura infrarroja - Temperatura del tanque
    3. Temperatura del tanque - Salida del calentador

  • ¿Hay alguna manera en que pueda caracterizar el sistema de forma más cuantificable para ayudar a sintonizar el bucle o darles más información?

Gracias, Pedro

    
pregunta Peter Flores

3 respuestas

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En una vida anterior, diseñé y construí bancos de prueba automatizados para componentes y sistemas de manejo de fluidos diseñados. El control PID es el camino a seguir, siempre comencé con un método manual y luego lo modifiqué y, por supuesto, hicimos muchas pruebas del sistema para validar antes de soltarlo.

Me quedo con un bucle PID activo a la vez, aunque dependiendo del estado de tu sistema, puedes cambiar entre ellos. Di uno para calentamiento y otro para operación.

Creo que vas a tener dificultades con el sistema, ya que está configurado ahora, tengo algunas preguntas que podrías considerar.

  • ¿Hay alguna razón por la que el circuito de fluido esté en circuito abierto?
  • podrías recircular?
  • ¿Podría tener un circuito de derivación y cuando esté listo para correr, simplemente cambie una válvula?
respondido por el DLS3141
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PID es el concepto básico sobre regulación, así que sí, es el camino a seguir si quieres regular. Hay 2 formas de sintonizar tus PIDS.

Primero, puede intentar ajustar sus pids con el método manual. Hay un montón de método manual para ajustar PID. Existe el método Ziegler – Nichols , por ejemplo.

En segunda mano, podrías caracterizar tu sistema. Pero no será trivial. Necesitará conocimientos en termodinámica para la parte de calor y fluido mecánico para la cámara. En este punto, podría intentar ajustar su PID, pero la velocidad a la que mueve el líquido entre la cámara afectará su temperatura.

    
respondido por el MathieuL
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El problema con este tipo de sistema es el retraso. Le gustaría hacer un feedforward de las condiciones de entrada. Hay formas de tener en cuenta tanto la temperatura variable del flujo de entrada como el flujo variable, pero no es fácil hacerlo bien.

Sin embargo, mi sugerencia es agregar una batidora, mezclando fluido frío y caliente "a gusto". El tanque estaría ligeramente más caliente que su punto de ajuste y se regularía con un solo bucle PID. El mezclador con un bucle PID diferente.

    
respondido por el ghellquist

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