Kaskadenregelungssystem - Mehrstufige Temperaturregelung

Ich bin neu hier im Forum, ich hoffe ihr könnt mir helfen :)

Ich bin ein Software-Ingenieur, der versucht, ein Steuerungssystem zusammenzustellen. Mein Steuerungshintergrund ist nicht stark, ich habe wirklich nur PID-Schleifen durch Versuch und Irrtum abgestimmt - verstehe die Konzepte, aber nicht die Theorie oder Praxis.

Hier kommt's...

Ich habe ein Temperaturregelsystem, bei dem sich ständig bewegende Flüssigkeiten über Wärmetauscher erwärmt werden müssen, um eine Prozesskammer auf konstanter Temperatur zu halten. Ein einfaches Diagramm des Systems finden Sie hier: https://www.dropbox.com/s/5f784pexc1z1w08/Tank%20Chamber%20Temp%20control.png?dl=0

1. Flüssigkeit tritt bei Umgebungstemperatur (20–26 °C) aus dem Reservoir ein.
2. Der Schlauch wird durch eine peristaltische Pumpe geführt, die mit 50 bis 400 ml pro Minute betrieben werden kann.
3. Die Flüssigkeit gelangt durch einen Wärmetauscher in ein beheiztes Wasserbad ("Tank"). Der Tank hat ein Fassungsvermögen von etwa 750 ml und der Wärmetauscher ist etwa 1,5 m lang. Die Tanktemperatur wird durch ein „Heater Output“-Signal (0-100 % PWM) gesteuert und verfügt über einen „Tank Temp“-Sensor
4. Aus dem Tankwärmetauscher fließt die Flüssigkeit durch einen Abschnitt von etwa 20 Zoll Schlauch, der mit einem „Infrarot-Temperatursensor“ ausgestattet ist, zur „Kammer“.
5. Die Kammer hat ein Volumen von etwa 400 ml, ist isoliert und dort, wo das Experiment stattfindet. "Chamber Temp" ist die ultimative Prozessvariable, die wir zu kontrollieren versuchen. Es sollte beim „Kammer-SP“ bleiben, typischerweise 37 °C +/- 0,5 °C, mit einer kritischen Grenze, die 37,5 °C niemals überschreitet. Dieser Sollwert von 37 kann auf einen beliebigen Wert zwischen 30 und 37 °C eingestellt werden.

Es wird erwartet, dass die "Experimente" eine Aufwärmzeit haben und dann zwischen 30 und 90 Minuten laufen können, wobei die Kammertemperatur auf dem Kammer-SP gehalten wird.

Im Moment haben wir einen PID-basierten Steuerungsprozess am Laufen. Es gibt zwei Stufen:

(1) Aufwärmen – Hier verwenden wir die Tanktemperatur als Prozessvariable und wärmen den Tank auf einen Wert in der Nähe des Kammer-SP auf. Durch Experimente haben wir herausgefunden, dass die Totzeit (Zeit, um eine Änderung des PV zu sehen, wenn der MV geändert wird) etwa 150 Sekunden beträgt. Und die Zeitkonstante ist viel größer – es dauert ungefähr 800 Sekunden, um sich von 34 °C auf 37 °C zu stabilisieren. Diese Phase ist relativ einfach und wir können eine PID-Schleife so einstellen, dass der Tank auf einem bestimmten SP bleibt, wenn die Pumpe ausgeschaltet ist und alles ist statisch...

(2) Kammerkontrolle – Hier wird es komplizierter. Wenn die Pumpe zu laufen beginnt, fließt Flüssigkeit durch das Wasserbad, durch den Infrarot-Temperatursensor und dann in die Kammer. Das Ziel ist die Steuerung der Kammertemperatur durch Steuerung der Heizleistung des Tanks. Es war eine Herausforderung, den PID-Kreislauf abzustimmen, da die Pumpe unterschiedliche Raten haben kann, der Tank wärmer oder kälter als die Kammer sein kann und es so lange dauert, bis eine Änderung der Heizleistung die Kammertemperatur beeinflusst. aufgrund der Masse des Tanks, der Zeitverzögerung und der Masse der Kammer.

Meine Frage bezieht sich auf die oben beschriebene Phase der Kammersteuerung: - Ist PID hier angemessen? Es ist SEHR langsam, hat lange Verzögerungen und ist schwer abzustimmen.

• Ist es am besten, eine Schleife mit Kammertemperatur zu haben, um die Heizleistung zu manipulieren? Oder zwei "gestapelte" oder kaskadierte Schleifen, in denen man die Kammertemperatur beobachten kann, um eine gewünschte Infrarottemperatur einzustellen, und dann eine zweite, um die Heizleistung zur Steuerung der Infrarottemperatur zu verwenden? Oder gar drei? PV-MV

  1. Kammertemp. - Infrarottemp
  2. Infrarottemperatur - Tanktemp
  3. Tanktemperatur - Heizleistung

• Gibt es eine Möglichkeit, das System quantifizierbarer zu charakterisieren, um die Schleife abzustimmen oder euch mehr Informationen zu geben?

Danke Peter