Controladores PID neumáticos
Muchos controladores PID neumáticos utilizan el equilibrio de fuerzas principio. Uno o más señales de entrada (en forma de presiones neumáticas) ejercen una fuerza sobre una viga actuando a través de los diafragmas, fuelles, y / o tubos Bourdon, que es entonces contrarrestar en forma por la fuerza ejercida sobre el mismo por un haz de salida de aire presión que actúa a través de un diafragma, fuelle o tubo de Bourdon. El sistema mecánico de equilibrio "intenta" mantener el haz inmóvil a través de un balance exacto de las fuerzas, la posición del haz detectada con precisión por un mecanismo de boquilla / deflector. A lo largo de esta sección voy a hacer referencia a un mecanismo de control neumático de mi propio diseño. Este mecanismo no se corresponde directamente a un fabricante o modelo de controlador neumático en particular, pero comparte características comunes a muchos. Este diseño se muestra aquí con el propósito de ilustrar el desarrollo de las acciones de control D P, I, y en un contexto tan simple como sea posible:
La acción de este controlador en particular es directa , ya que un aumento en la señal de variable de proceso (presión) resultados en un aumento de la señal de salida (presión). El aumento de la presión variable de proceso (PV) intenta empujar el extremo de la derecha de la viga, haciendo que el deflector de acercarse a la boquilla. Este bloqueo de la boquilla provoca contrapresión neumática de la boquilla para aumentar, aumentando así la cantidad de fuerza aplicada por el fuelle de realimentación de salida en el extremo de la izquierda de la viga y la devolución del aleta (casi) a su posición original. S i quisiéramos revertir la acción del controlador, lo único que tendríamos que hacer es intercambiar las conexiones de señal neumática entre el fuelle de entrada, por lo que la presión PV fue aplicada a los fuelles superiores y la presión SP a los fuelles inferiores. Cualquier factor que influye en la relación entre la presión de entrada (s) a la presión de salida puede ser explotado como una ganancia (banda proporcional) de ajuste en este mecanismo. Cambio de área de fuelle (ya sea tanto en el PV y SP fuelle igualmente, o la salida de fuelle por sí mismo) influiría en esta relación, como lo haría un c ambio en la salida de la posición de fuelle (de tal manera que presiona contra el rayo a cierta distancia diferencia desde el punto de fulcro) . Al mover el punto de apoyo izquierdo o derecho es también una opción para hacerse con el control, y de hecho suele ser la más conveniente para el ingeniero.
Modos automáticos y manuales
Un mecanismo de control proporcional neumático más práctico se muestra en la siguiente ilustración, completo con punto de ajuste y los ajustes de sesgo, y un modo de control manual:
Transferencia "sin saltos" entre los modos automático y manual se lleva a cabo por el operador humano prestar atención al indicador de balance revelar ninguna diferencia de presión de aire entre el fuelle de salida y el ajuste de salida del regulador de presión. En el modo automático, el cambio a modo manual consiste en ajustar el regulador hasta que el indicador de balance registra diferencia de presión cero, a continuación, cambiar la válvula de transferencia en la posición "manual". La salida del regulador es a continuación, en el mando directo de ajustar la salida del regulador de presión, y no responder a los cambios en cualquiera de PV o SP. "Sin choques" de volver al modo automático requiere que sea el resultado o los reguladores de presión de consigna se ajustan hasta que el indicador de equilibrio una vez más registra diferencia de presión cero, a continuación, cambiar la válvula de transferencia en la posición "auto". La salida del controlador, una vez más responder a los cambios en PV y SP.
Acciones derivadas e integrales
Curiosamente, derivada (velocidad) y los modos de control integral (reset) son relativamente fáciles de agregar a este mecanismo de control neumático. Para agregar la acción de control derivativa, todo lo que necesitamos hacer es colocar una válvula limitadora entre el tubo de la boquilla y el fuelle de realimentación de salida, haciendo que el fuelle para retrasar el llenado o vaciado de su presión de aire a través del tiempo:
Si se produce cualquier cambio repentino en PV o SP, la presión de salida se saturará antes de que el fuelle de salida tiene la oportunidad de igualar la presión con el tubo de señal de salida. Por lo tanto, la presión de salida "picos" con cualquier "cambio de ritmo" repentino de entrada: exactamente lo que esperaríamos con la acción de control derivativa. Si bien el PV o las rampas de SP a través del tiempo, la señal de salida se elevará en proporción directa (acción proporcional), pero habrá también ser un añadido de compensación de la presión en la señal de salida con el fin de que el aire fluya dentro o fuera de la fuelle de salida a una velocidad constante para generar la fuerza necesaria para equilibrar la señal de entrada cambiante. Por lo tanto, la acción derivada hace que la presión de salida para desplazar hacia arriba o hacia abajo (dependiendo de la dirección del cambio de entrada) más de lo que haría con la acción justa proporcional solo en respuesta a una entrada rampa: exactamente lo que esperaríamos de un controlador con dos proporcional y las acciones de control derivados. La acción integral requiere la adición de un segundo fuelle (un fuelle "reset", situados enfrente de los fuelles de 1
retroalimentación de salida) y otra válvula limitadora al mecanismo :
Este segundo fuelle toma la presión de aire de la línea de salida y la traduce en fuerza que se opone al fuelle de realimentación originales. Al principio, esto puede parecer contraproducente, ya que anula la capacidad de este mecanismo para equilibrar continuamente la fuerza generada por el PV y el fuelle SP. De hecho, haría que el sistema de equilibrio de fuerzas totalmente ineficaz si se permitía este nuevo fuelle "reset" para i nflar y desinflar, sin tiempo de espera. Sin embargo, con un retraso de tiempo proporcionada por la restricción de la válvula de ajuste integral y el volumen de los fuelles (una especie de neumático "constante de tiempo RC"), anulando l a fuerza de este fuelle se convierte en retraso con el tiempo. Como este fuelle llena lentamente (o vacía) con aire a presión procedente de la boquilla, el cambio en la fuerza en la viga hace que la salida regular de fuelle a tener que "mantenerse por delante" de la acción de reinicio fuelle constantemente llenado (o vaciado) a una tasa con el tiempo. Para entender mejor esta acción integradora, examinemos una versión simplificada del controlador. El siguiente mecanismo se ha despojado de toda c omplejidad innecesaria para que podamos centrarnos en sólo l as acciones proporcional e integral. En este caso, las señales de presión de aire SP PV y se diferencian por 3 PSI, haciendo que el mecanismo de equilibrio de fuerzas para responder al instante con una presión de salida de 3 PSI al fuelle de realimentación (suponiendo una ubicación céntrica punto de apoyo, dando una ganancia del regulador de 1). La válvula de reposición (integral) ha sido completamente apagado para comenzar nuestro análisis:
Con 0 PSI de presión de aire en el fuelle de reinicio, es como si el fuelle de reinicio no existe en absoluto. El mecanismo es un controlador neumático sólo proporcional simple. Ahora, imagine que la apertura de la válvula de reposición sólo un poco, de modo que la presión del aire de salida de 3 PSI comienza a llenarse lentamente el fuelle de restablecimiento. A medida que el fuelle de reinicio se llena de aire a presión, comienza a empujar hacia abajo en el extremo izquierdo de la viga de la fuerza. Esto obliga a que el deflector más cercano a la boquilla, haciendo que la presión de salida se eleve. El fuelle de salida regulares no tiene ninguna válvula limitadora de impedir su llenado, y por lo que inmediatamente se aplica más fuerza hacia arriba sobre la viga con el aumento de la presión de salida. Con esta mayor presión de salida, el fuelle de reinicio tiene una presión aún mayor "final" de conseguir, por lo que su velocidad de llenado continúa. El resultado de estas dos fuerzas opuestas fuelle (una instantánea, una retardada en el tiempo) es que el fuelle inferior siempre deben permanecer 3 PSI por delante de las fuelle superior con el fin de mantener una condición de fuerza-equilibrada con los dos fuelles de entrada cuyas presiones diferir por 3 PSI. Esto crea una presión diferencial 3 PSI constante a través de la válvula de restricción de reposición, lo que resulta en un flujo c onstante de aire en el fuelle de restablecimiento a una tasa determinada por que la caída de presión y la apertura de la válvula de restricción.Eventualmente, esto hará que la presión de salida para saturar al máximo, pero hasta entonces la importancia práctica de esta acción es el aumento de la presión que el mecanismo de ahora exhibe la respuesta de control integral al error constante entre PV y SP:
Cuanto mayor sea la diferencia en las presiones entre PV y SP (es decir, cuanto mayor sea el error ), la más caída de presión va a desarrollar a través de la válvula de restricción de reinicio, haciendo que el fuelle de restablecimiento para llenar (o de vacío, dependiendo del signo del error) con aire comprimido aire a un ritmo más rápido
2
, haciendo
que la presión de salida para cambiar a una velocidad más rápida. Por lo tanto, vemos en este mecanismo de definir la naturaleza de la acción de control integral: que la magnitud del error determina la velocidad de la señal de salida (su tasa de cambio con el tiempo, o DMDT ). La t asa de integración puede ser finamente ajustada mediante el cambio de la apertura de la válvula de restricción, o ajustar en pasos grandes mediante la conexión de los tanques de capacidad a los fuelles RESET para aumentar en gran medida su volumen efectivo.
Fisher MultiTrol
Delanteras (izquierda) y posterior (derecha) fotografías de un controlador neumático real (una unidad de Fisher "MultiTrol") aparecen aquí:
El mecanismo es muy similar a la utilizada en toda la discusión explicativa, con la distinción de ser importante movimiento de balance en lugar de equilibrio de fuerzas. Modos de control proporcional e integral se implementan a través de las acciones de cuatro fuelles de bronce empujando como pares opuestos en los extremos de una viga:
La boquilla puede ser vista mirando hacia abajo en el centro de la viga, con el centro de la viga que actúa como un deflector. Punto de ajuste de control se consigue moviendo la posición de la boquilla hacia arriba y hacia abajo con respecto a la viga. Un punto de ajuste de línea (con la etiqueta "Aumentar la presión de salida") se vuelve una leva que se mueve la boquilla más cerca o más lejos de la viga. Este es un sistema de movimiento de balance, un desplazamiento en la posición de la boquilla equivale a una desviación de la señal de salida, haciendo que el controlador de buscar un nuevo valor de la variable de proceso. En lugar de la alteración de la posición de un punto de apoyo para alterar la ganancia (banda proporcional) de este controlador, control de ganancia se lleva a cabo a través del uso de un "divisor de presión" de válvula dosificadora de la cantidad de presión de aire de salida enviado a los fuelles de retroalimentación. Control de la frecuencia Integral se lleva a cabo exactamente de la misma manera que en el mecanismo controlador hipotético ilustra en la discusión: mediante el ajuste de una válvula de restricción de flujo de aire hacia y desde el fuelle de restablecimiento. Ambas válvulas se accionan mediante botones giratorios con escalas calibradas. La perilla de reposición es en realidad calibrado en unidades de minutos por repetición, mientras que el mando de la banda proporcional está marcado con una escala de números arbitrarios:
Selección de la acción directa contra inversa se lleva a cabo de la misma manera como la selección entre proporcional y de acción rápida (on-off) de control: por colectores móviles re-dirección de las señales de presión de aire a diferentes fuelle en el mecanismo. El colector directa / inversa aparece en la fotografía de la izquierda (la letra "D" representa directamentela acción), mientras que el colector proporcional / snap aparece en la fotografía de la derecha (la letra "P" significaproporcional de control):
Cualquier ajuste se realiza retirando el tornillo que sujeta la placa del colector al cuerpo regulador, girar la placa de un cuarto de vuelta y volver a conectar. La siguiente fotografía muestra una de las placas de colector desmontado y vuelto al revés para la inspección de las vías respiratorias:
Las dos ranuras de cuarto de circunferencia se ven en la placa del colector conectan los puertos de aire adyacentes.Rotación de la placa 90 grados conecta los cuatro puertos de aire juntos como dos pares diferentes.
Foxboro modelo 43AP
El controlador neumático MultiTrol Fisher es un dispositivo muy simple, destinado para el campo de montaje cerca del transmisor neumático y la válvula de control para formar un bucle de control para aplicaciones que no son de precisión.Un controlador de neumáticos montados en campo más sofisticado es el modelo Foxboro 43AP, luciendo PV actual y SP indicadores que indican, además de los controles de afinación más precisos. Las siguientes fotografías muestran uno de estos controladores, con la puerta de acceso cerrada (izquierda) y abierto (a la derecha):
En el corazón de este controlador es un mecanismo de "unidad de control neumático" movimiento de balance. Un dial para el ajuste de la banda proporcional (y la acción directa / inversa) aparece en el frente del mecanismo:
Tenga en cuenta la forma sencilla en que las acciones directas e inversas se describen en esta línea: o bien la medición aumenta, disminuye la producción (acción inversa) o el aumento de la medición, el aumento de la producción (acción directa).
Foxboro modelo 130
Foxboro también fabrica controladores neumáticos de montaje en panel, la serie modelo 130, para aplicaciones largerscale donde varios controladores necesarios para ubicarse en un espacio compacto. Un banco de los cuatro modelos de 130 controladores neumáticos Foxboro aparece en la siguiente fotografía:
Cada controlador puede eliminarse parcialmente (se deslizó hacia fuera) de su ranura en el bastidor, el P, I, D y configuración ajustable en el panel del lado izquierdo con un destornillador:
Con el panel lateral retirado, todo el mecanismo está abierto a la visualización:
El corazón del controlador modelo 130 es un mecanismo de compensación de fuerzas de cuatro fuelles, idénticos, en principio, para el mecanismo regulador PID de equilibrio de fuerzas hipotético utilizado a lo largo de la discusión explicativo. En lugar de los cuatro fuelle que actúan en contra de una viga recta, sin embargo, estos fuelles empujan contra un disco circular:
Una boquilla (que se muestra en la siguiente fotografía) detecta si el disco está fuera de posición (no balanceada), el envío de una señal de presión de retorno a un relé amplificador que luego impulsa el fuelle de realimentación:
Las rocas de discos a lo largo de un eje establecido por una barra móvil. Como esta barra se hace girar a diferentes ángulos con respecto a la cara del disco, el punto de apoyo se desplaza con respecto a los cuatro fuelles, proporcionando un ajuste de ganancia simple y eficaz:
Si los brazos de momento (longitudes de palanca) entre la entrada (PV y SP) de fuelle y el fuelle de realimentación son iguales, ambos conjuntos de fuelles tienen igual influencia, y la ganancia será de un (un ajuste de la banda proporcional del 100%). Sin embargo, si la barra de punto de apoyo se gira para dar la entrada de fuelle más apalancamiento y la retroalimentación fuelle menos apalancamiento, el fuelle de realimentación tendrán que "trabajar más duro" (ejercer más fuerza) para contrarrestar cualquier desequilibrio de la fuerza creada por la entrada (PV y SP) de fuelle, creando así una ganancia mayor: más presión de salida para la misma cantidad de presión de entrada. Fuelle La cuarta (abajo a la izquierda) que actúa sobre el disco o frece una función de restablecimiento opcional (integral).Su brazo de momento (longitud de la palanca), por supuesto, es siempre igual a la de los fuelles de retroalimentación, tal como momento longitudes de brazo de los PV y SP fuelle son siempre iguales, estando situado enfrente de la línea de fulcro. Selección entre la acción directa e inversa funciona en el mismo principio como en el controlador de MultiTrol Fisher - mediante la conexión de cuatro puertos de aire en uno de los dos pares de configuraciones. Un selector (móvil co n una llave hexagonal) convierte un puerto "switch" señal de aire en la parte inferior de la unidad de cuatro fuelles, cambiando efectivamente el PV y el fuelle SP:
Una característica interesante de la mayoría de los controladores neumáticos es la modularidad de la función: es posible pedir un controlador de neumático que es sólo proporcional (P), proporcional más integral (P + I), o PID completo. Ya que cada modo de control requiere componentes adicionales para implementar, un controlador neumático P-sólo cuesta menos de un I + controlador neumático P, que a su vez los costos de menos de un controlador neumático PID completo.Esto explica la relativa escasez de controladores neumáticos PID completo en la industria: ¿por qué pagar por una funcionalidad adicional si menos será suficiente para la tarea que nos ocupa?
Retroalimentación externa de RESET (integral)
Algunos controladores neumáticos vienen equipados con una opción de reinicio externo : una característica útil en sistemas de control para evitar windup integral, siempre y cuando el proceso deja de responder a los cambios en la salida del controlador. En vez de recibir una señal neumática directamente desde la línea de salida del controlador, el fuelle de restablecimiento recibe su señal a través de otra línea de neumático, conectado a una ubicación en el sistema de control donde el final de efecto (de la señal de salida m ) se ve. S i por alguna razón el elemento final de control no puede alcanzar el estado solicitado por el controlador, el controlador detectará esto a través de la señal de reset externa, y cesará la integración para evitar el "wind-up". 3
En la siguiente ilustración , la señal de reset externa proviene de un neumático transmisor de posición (ZT) montado en el vástago deslizante de la válvula de control, devolviendo una señal de 3-15 PSI que representa la posición del vástago de la válvula:
Si algo le pasa a la válvula de control haciendo que se congele la posición cuando el controlador ordena que se mueva - supongamos que la madre se encuentra con un "stop" mecánica viajes limitar, o un pedazo de atascos de material sólido de la válvula de equipamiento por lo que no puede cerrar aún más - el neumático señal de presión enviada desde el transmisor de posición de fuelle de restablecimiento del controlador será igualmente congelar. Después del retraso neumático causado por la válvula limitadora de reposición y fuelles pasa, la fuerza de fuelle de reinicio se mantendrá fijo.Esto detiene la acción integral del controlador, que antes se basaba en una "carrera" entre el fuelle de realimentación de salida y los fuelles de reposición, haciendo que la retroalimentación fuelle de "dirigir" la presión del fuelle de reinicio en una cantidad proporcional al error entre PV y SP. Esta "carrera" causó la presión de salida al viento ya sea hacia arriba o hacia abajo dependiendo del signo del error. Ahora que la presión del fuelle de reinicio se congela debido a la posición de la válvula de control de ser congelado, sin embargo, la "raza" llega a su fin y las exposiciones de controlador única acción proporcional. Por lo tanto, el temido efecto de bobinado integral - es evitado - donde la acción integral de un controlador continúa actuando a pesar de que el cambio en la salida es de ningún efecto sobre el proceso.
1
Práctico acción integral también requiere la eliminación del resorte de derivación y el ajuste, que anteriormente
proporciona una fuerza constante hacia abajo en el lado izquierdo de la viga para dar la señal de salida el desplazamiento positivo necesario para evitar la saturación a 0 PSI. No sólo es un ajuste de sesgo completamente innecesario con la adición de la acción integral, pero que en realidad causar problemas al hacer la acción integral "pensar" la existencia de un error entre PV y SP, cuando no había ninguno. 2
Estas válvulas limitadoras están diseñados para estimular el flujo de aire laminar, por lo que la relación entre la
velocidad de flujo volumétrico y la caída de presión diferencial lineal en lugar de cuadrática como lo es para las válvulas de control grandes. Por lo tanto, una duplicación de la caída de presión a través de los resultados de la válvula reductora en una duplicación de la velocidad de flujo en (o fuera de) el fuelle de reajuste, y la consiguiente
duplicación de la tasa de integración. Esto es precisamente lo que deseamos y esperamos de un controlador con acción integral. 3
En caso de que usted se está preguntando, este controlador pasa a ser de acción inversa en lugar de directa. Esto
no tiene consecuencias para la función de reset externo.
