Sistema de control en cascada: control de temperatura de etapas múltiples

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

Soy un ingeniero de software que intenta armar un sistema de control. Mi experiencia en controles no es sólida, realmente solo he sintonizado 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 constante movimiento debe calentarse a través de un intercambiador de calor para mantener una cámara de proceso a temperatura constante. Encuentre un diagrama simple del sistema aquí: https://www.dropbox.com/s/5f784pexc1z1w08/Tank%20Chamber%20Temp%20control.png?dl=0

  1. El fluido entra desde el depósito 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 fluido pasa a través de un intercambiador de calor en un baño de agua calentado ("Tanque"). El tanque tiene una capacidad de aproximadamente 750 ml y el intercambiador de calor tiene una longitud de aproximadamente 1,5 m. La temperatura del tanque está controlada por 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, equipada con un sensor de "temperatura infrarroja" a la "cámara".
  5. La cámara tiene un volumen de aproximadamente 400 ml, está aislada y es donde se lleva a cabo el experimento. "Temperatura de la cámara" es la última variable de proceso que estamos tratando de controlar. Debe permanecer en el "SP de la cámara", típicamente 37 °C +/- 0,5 °C, con un límite crítico de nunca superar los 37,5 °C. Este punto de ajuste de 37 se puede establecer en cualquier lugar entre 30 y 37 °C.

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

En este momento tenemos en ejecución un proceso de control basado en PID. Hay dos etapas:

(1) Calentamiento: aquí, usamos la temperatura del tanque como variable de proceso y calentamos el tanque en algún lugar cerca del SP de la cámara. A través de la experimentación, hemos encontrado que el tiempo muerto (tiempo para ver cualquier cambio en PV, cuando se cambia MV) es de aproximadamente 150 segundos. Y la constante de tiempo es mucho mayor: se tarda unos 800 segundos en estabilizarse de 34 °C a 37 °C. Esta etapa es relativamente sencilla y podemos ajustar un bucle PID para mantener el tanque en un determinado 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 circuito PID, ya que la bomba puede tener velocidades diferentes, el tanque puede estar más caliente o más frío que la cámara y un cambio en la salida del calentador tarda mucho en afectar la temperatura de la cámara. debido a la masa del Tanque, el tiempo de retraso y la masa de la Cámara.

Mi pregunta tiene que ver con la etapa de control de cámara descrita anteriormente: - ¿Es apropiado aquí el PID? Es MUY lento, con largos retrasos y difícil de sintonizar.

  • ¿Es mejor tener un bucle usando la temperatura de la cámara para manipular la salida del calentador? ¿O tener dos bucles "apilados" o en cascada donde uno puede observar la temperatura de la cámara para establecer la temperatura infrarroja deseada, 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 manera más cuantificable para ayudar a ajustar el ciclo o brindarles más información?

gracias, pedro

Respuestas (3)

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

Me quedaría con un bucle PID activo a la vez, aunque dependiendo del estado de su sistema, podría cambiar entre ellos. Diga uno para el calentamiento y otro para la operación.

Creo que va a tener dificultades con el sistema tal como está configurado ahora, tengo algunas preguntas que podría considerar.

  • ¿Hay alguna razón por la cual el circuito de fluido está en circuito abierto?
  • podrias recircular?
  • ¿podría tener un circuito de derivación y cuando esté listo para funcionar, simplemente cambie una válvula?
¡Gracias! Durante la operación, el fluido debe estar en "bucle abierto" ya que es un consumible que una vez que pasa por la cámara se ensucia y debe desecharse. Ahora hay algunas válvulas que permiten un "bucle cerrado" con recirculación durante el calentamiento... Con algunos de los últimos pensamientos y lecturas que he estado haciendo, estoy pensando que un sistema en cascada de 3 bucles de control puede ser más apropiado : (1) el circuito de nivel superior medirá la temperatura de la cámara y proporcionará el punto de referencia de temperatura infrarroja (algo así como tocar el agua del baño y cambiar la temperatura del grifo para cambiar la temperatura de todo el baño), luego (2)
(se quedaron sin caracteres)... (2) Controle la temperatura infrarroja configurando el punto de ajuste de temperatura del tanque (esto es como un calentador en línea, controle la temperatura de salida controlando la temperatura del calentador) y (3) controle el tanque Temperatura a través del calentador PWM... ¿Qué opinas? Sé que se vuelve un poco más complicado, pero siento que sería difícil controlar todas esas variables con un ciclo... ¿Pensamientos?
Eso funcionaría, pero en lugar de traer continuamente fluido frío al sistema, preferiría tener un depósito más grande y usarlo para precalentar el fluido a la temperatura de funcionamiento junto con un bypass circulante con la válvula cerca de la cámara. Uno de los mayores problemas que he tenido con la estabilización inicial de la temperatura en los sistemas que he construido es la pérdida de calor en las tuberías y los accesorios al cambiar de funcionamiento en frío a caliente. El fluido tiene que calentar todo ese material hasta la temperatura de equilibrio.

PID es el concepto básico sobre la regulación, así que sí, es el camino a seguir si desea regular. Hay 2 formas de ajustar su PIDS.

Primero, puede intentar ajustar sus pids con el método manual. Hay muchos métodos manuales para ajustar PID. Existe el método de Ziegler-Nichols, por ejemplo.

De segunda mano, podrías caracterizar tu sistema. Pero no será baladí. Necesitarás conocimientos en termodinámica para la parte de calor y fluidos mecánicos para la cámara. En este punto, puede intentar ajustar su PID, pero aún así la velocidad a la que mueve el líquido entre las cámaras afectará su temperatura.

¡Gracias! Revisaré el método ZN que vinculaste. ¿Qué pasa con la idea de un solo bucle frente a 2 o 3 bucles en cascada?

El problema de 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 la variación del flujo, pero no es fácil hacerlo bien.

Sin embargo, mi sugerencia es agregar una batidora, mezclando líquido frío y caliente "al gusto". El tanque estaría un poco más caliente que su punto de ajuste y se regularía con un solo circuito PID. El mezclador con un lazo PID diferente.

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