A może zapytać inaczej: histereza czy PID? Tym razem przedstawię swój punkt widzenia – perspektywę automatyka – na sposoby sterowania temperaturą. W artykule pokrótce pokazuję techniczny aspekt sterowania, ale też wspomnę o punkcie widzenia użytkownika końcowego.
Krótkie wprowadzenie w regulację temperatury
Sterowanie temperaturą od samego początku (a w przeważającej części realizacji do dziś) polega na uruchomieniu źródła ciepła kiedy jest za zimno i jego wyłączeniu kiedy osiągnięty został cel, czyli temperatura, której oczekiwał użytkownik. Kiedy temperatura jest na odpowiednim poziomie, źródło ciepła jest ograniczane lub wyłączane, wygaszane. Tak działał pierwszy automat (znany też pod określeniem: człowiek) i tak działa każdy termostat. Jest to prosty, ale i prymitywny sposób na utrzymanie temperatury na określonym poziomie.
Prosty termostat, czyli sterowanie z histerezą
Termostat był pierwszym urządzeniem, które miało zmniejszyć ilość pracy, którą dotychczas wykonywał człowiek. I okazało się, że jest szybszy, dokładniejszy, krótko mówiąc lepszy.
Jednak tylko naśladował działania człowieka. Problemem takiego sposobu sterowania jest fakt, że ciepła w większości przypadków nie da się wyłączyć ot tak, natychmiastowo. Temperatura jeszcze jakiś czas rośnie dalej. Czy to człowiek, czy termostat, wyłącza ogrzewanie i czeka z ponownym uruchomieniem do momentu wychłodzenia pomieszczenia (budynku).
Takie dwustawne sterowanie termostatyczne jest nadal najprostsze do osiągnięcia, najłatwiejsze do zrozumienia, jest używane w prostej automatyce od wielu lat. Wiąże się też z szeregiem wad, takich jak mała dokładność sterowania i wahania temperatury. Pośrednim skutkiem są też mniejsza efektywność energetyczna, a więc wzrost kosztów energii.
Zaawansowany regulator ze sterowaniem proporcjonalno-całkującym PI
Odpowiedzią na małą dokładność sterowania są regulatory z algorytmem PID lub prostsze i częściej występujące PI.
W największym skrócie algorytm PI (proporcjonalno-całkujący) oblicza zapotrzebowanie na moc (0-100%). Na obliczenia wpływ mają dwa czynniki: pierwszy to różnica między temperaturą docelową (nastawą) i temperaturą aktualną, zwana uchybem, a drugi to czas trwania tego uchybu.
Pamiętać jedynie należy, że jakość pracy regulatora PI zależy od odpowiedniego doboru parametrów jego pracy (odpowiednio członów proporcjonalnego i całkującego). Na szczęście dzisiejsze urządzenia wyposażane są w regulatory z predefiniowanymi zestawami parametrów dla różnych typów źródeł ciepła (grzejniki, podłogi grzewcze, klimakonwektory, etc.)
Stosowanie takiego podejścia prowadzi do stabilniejszej i płynniejszej pracy systemu ogrzewania (lub chłodzenia). Regulatory PI eliminują zakłócenia (czyli np. spadek temperatury spowodowany otwarciem okna) dążąc do wyzerowania różnicy między faktyczną temperaturą, a ustawioną. Użytkownik korzystający z regulatorów PI / PID zapomina o histerezie, o ciągłych wahaniach temperatury i niepotrzebnych stratach. Po odpowiednim dobraniu parametrów pracy temperatura otoczenia osiągana jest w najkrótszym możliwym czasie, przy zachowaniu minimalnego przesterowania, a następnie utrzymywana możliwie blisko temperatury nastawy.
Po prawej stronie załączam przykład sterowania ogrzewaniem podłogowym, zasilanym pompą ciepła Panasonic Aquarea – wykres dotyczy okresy przejściowego jesień/zima (styczeń 2025 roku). Ogrzewanie strefowe w poszczególnych pomieszczeniach zrealizowane zostało na aktorach grzewczych KNX Schneider Electric, a algorytm sterowania temperaturą i jej pomiar na panelu dotykowym GVS S7. Na wykresie maksymalna odchyłka temperatury w dół to 0,4°C przy temperaturze zewnętrznej zmieniającej się na przestrzeni tygodnia między -5°C, a +5°C co świetnie pokazuje dużą dokładność sterowania temperaturą pomieszczeń przy pomocy algorytmu który całkowicie automatycznie pracuje nad komfortem mieszkańców.
Termostat czy regulator temperatury z PI?
Podsumowując, sterowanie za pomocą regulatorów PI daje znacznie lepsze efekty od klasycznych termostatów z histerezą. Fakt, że nie zawsze użytkownik będzie w stanie zrozumieć czemu w danym momencie grzejniki są ciepłe lub zimne wynagradzany jest dokładniejszą i płynniejszą reakcją temperatury otoczenia. Przy dobrze zestrojonym regulatorze wahania temperatury są niewyczuwalne (nie powinny przekraczać dziesiątych części stopnia).
- Jeżeli więc chcesz uzyskać prostą do zrozumienia przez klienta i szybką w strojeniu regulację temperatury wybierz histerezę. Uruchomisz system szybciej, a Twój klient będzie zawsze wiedział dlaczego grzejnik jest ciepły lub zimny.
- Natomiast jeśli chcesz, aby temperatura zrównała się z zadaną i sztywno tej wartości trzymała – wybierz trudniejszy do zestrojenia, ale precyzyjny regulator PID. Może się zdarzyć tak, że grzejnik będzie już się schładzał mimo, że temperatura otoczenia jeszcze nie doszła do pożądanej i klient zapyta Cię skąd to wynika, ale wynikowo wahania temperatury będą minimalne, sterowanie będzie dokładniejsze i zużyjesz mniej energii.
