冷凍空調自動控制 - PID Controller

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1 冷凍空調自動控制 - PID Controller
李達生

2 Focusing here… 概論 自動控制理論發展 自控系統設計實例 Laplace Transform 自動控制理論 系統穩定度分析
系統性能分析 PID Controller 冷凍空調自動控制 控制系統範例 控制元件作動原理 控制系統除錯 自動控制實務 節能系統控制 訊號擷取系統 訊號雜訊處理 快速溫控系統

3 Proportional – Integral - Differential
目前在控制系統中回授系統最為常用的控制器, 可表示為 Controller System I(s) e O(s) G(s) - b Feedback 1

4 Proportional Control 可以針對 error 進行固定倍率放大後, 作為控制輸出 Controller System
I(s) e O(s) G(s) - b Feedback 1

5 How to Tune a Proportional Control
From Control System Design Guide, George Ellis, 2nd Edition, 2000

6 PI Control 可以針對 error 在計入積分誤差後, 作為控制輸出 Controller System I(s) e O(s)
G(s) - b Feedback 1

7 How to Tune a PI Control From Control System Design Guide, George Ellis, 2nd Edition, 2000

8 Proportional – Integral - Differential
計入 error 的大小, 積分值與微分值, 作為控制輸出可表示為 Controller System I(s) e O(s) G(s) - b Feedback 1

9 How to Tune a PID Control
From Control System Design Guide, George Ellis, 2nd Edition, 2000

10 How to Tune a PID Control
From 黃孟正 冷凍空調控制理論與實務講義

11 How to Tune a PID Control
From 黃孟正 冷凍空調控制理論與實務講義

12 PI + Feedforward Control
可以PI Control為準再加入一前饋控制後, 作為控制輸出 此為二維系統 另有一維系統加入控制方法如 Prefilter法 KFR Controller System I(s) e O(s) G(s) - b Feedback 1

13 How to Tune PI+ Control From Control System Design Guide, George Ellis, 2nd Edition, 2000

14 Some Discussions about PID
PID Control 及其衍生控制形式如 P, PI and PI+ 等, 為目前最成熟可靠的控制器設計, 許多系統均可據此控制達成穩定狀態 若系統控制響應呈現 系統輸出反應慢 – 增大Kp值 系統輸出呈現固定穩態誤差 – 增大KI值 系統輸出劇烈震盪 – 增大KI值 此為一般控制 HandBook 建議

15 Some Discussions about PID
然而, 實務上若在冷凍空調系統控制出現不穩定, 通常可歸因於 系統負載出現動態變化, 此時導致的系統不穩定, 非依照古典理論之 PID Control 可以應付, 因此, 須排除動態負載來源, 至少也應減少動態負載對控制系統的影響 系統 Sensor 出現滯後, 此時系統控制產生追逐現象, 此時應檢討 Sensor 擺放位置是否能即時響應系統變化 系統控制能量不足, 以空調系統為例, 即為制冷量或加熱量不足產生, 此時應檢討系統設計, 而非嘗試改變控制系統控制參數

16 Integral Windup and Anti-Windup
欲避免此一現象, 須設計一組反積分終結器如下 From Modern Control Systems, Richard C. Dorf, 6th Edition, 1998

17 Integral Windup and Anti-Windup
此時系統在輸出介於 umax and umin 之間, Anti-Windup步啟動, 仍依原來 PI Control 動作, 當輸出大於umax或小過umin時, 依斜率 K 值減小輸出量, 而使得積分終結現象消失, 此時系統可繼續運作控制 此系統主要被用於馬達控制, 由於積分誤差累積使得系統將馬達電流(或電壓)控制在最大狀態, 造成馬達輸出扭矩在長時間高電流操作下, 反而下降, 此時Anti-Windup將可改善此現象

18 Compensator Design 補償器(Compensator)分為相位補償, 時域補償或頻域補償,可視為另一形式Controller設計, 以相位補償為例 相位領先補償器為 相位落後補償器為

19 Compensator Design Example
DC gain High Frequency Gain System