กลยุทธ์การควบคุมที่ทำให้ระบบไครโอเจนิกมีความเสถียร

ตัวควบคุมอุณหภูมิเปิด-มาตรฐานทำงานอย่างเพียงพอสำหรับการใช้งานทำความร้อนทางอุตสาหกรรมส่วนใหญ่ อย่างไรก็ตาม ที่อุณหภูมิลบ 120 องศาเซลเซียส ตัวควบคุมตัวเดียวกันที่รักษาระดับ ±1 องศาที่อุณหภูมิห้องจะทำให้เกิดการสั่นที่ ±10 องศาหรือมากกว่านั้น เครื่องทำความร้อนแบบหมุนเวียนจะเปิดและปิดอย่างแรงจนความล้าของวัสดุเร่งความเร็วอย่างรวดเร็ว กลยุทธ์การควบคุมมีความสำคัญพอๆ กับตัวทำความร้อนเอง

การควบคุมอุณหภูมิในการใช้งานด้วยความเย็นจัดนั้นมีความท้าทายมากกว่าการทำความร้อนทางอุตสาหกรรมทั่วไป เนื่องจากอุณหภูมิที่แตกต่างกันอย่างมากและการเปลี่ยนแปลงทางความร้อนที่เกี่ยวข้อง เครื่องทำความร้อนและสภาพแวดล้อมอาจมีอุณหภูมิต่างกัน 300 องศาเซลเซียสหรือมากกว่า ทำให้ระบบควบคุมมาตรฐานไม่สามารถจัดการกับอัตราการถ่ายเทความร้อนได้ การออกแบบระบบควบคุม การเลือกอัลกอริธึม และการปรับพารามิเตอร์ส่งผลต่อประสิทธิภาพของเครื่องทำความร้อนแบบคาร์ทริดจ์อย่างมาก กลยุทธ์การควบคุมที่เหมาะสมช่วยยืดอายุเครื่องทำความร้อนในขณะที่รักษาอุณหภูมิกระบวนการที่ต้องการซึ่งจำเป็นต่อความสำเร็จในการใช้งาน

วิธีที่ง่ายและธรรมดาที่สุดในการควบคุมเครื่องทำความร้อนคือการเปิดและปิดเครื่องทำความร้อน แต่จะทำให้เกิดความเครียดอย่างมากต่อส่วนประกอบเครื่องทำความร้อนผ่านการหมุนเวียนความร้อน แต่ละครั้งที่เปิดและปิดเครื่องทำความร้อน ส่วนประกอบภายในจะประสบกับการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างกะทันหัน ในการใช้งานแบบไครโอเจนิคที่มีมวลความร้อนสูงและอุณหภูมิที่แตกต่างกันมาก การควบคุมการเปิด-จะทำให้เกิดการหมุนเวียนที่รุนแรงซึ่งจะเร่งการสึกหรอของวัสดุ วิธีการควบคุมที่แตกต่างกันซึ่งลดความถี่ในการหมุนเวียนจะช่วยยืดอายุเครื่องทำความร้อนได้อย่างมาก

การควบคุมตามสัดส่วนจะช่วยลดความเครียดจากความร้อนโดยการจ่ายพลังงานที่แตกต่างกัน แทนที่จะเปิดและปิดเครื่องโดยสมบูรณ์ แทนที่จะเกิดความผันผวนอย่างกะทันหันซึ่งทำให้เกิดการไล่ระดับความร้อนและความเครียดเชิงกล องค์ประกอบเครื่องทำความร้อนจะค่อยๆ ปรับอุณหภูมิ การยิงแบบเฟส-หรือการยิงแบบระเบิดสามารถเปลี่ยนระดับพลังงานได้โดยไม่ต้องเปลี่ยนอุณหภูมิกระบวนการ ซึ่งช่วยลดความเครียดเชิงกลบนส่วนประกอบเครื่องทำความร้อนและโครงสร้างรองรับ

การปรับแต่งอัลกอริธึมการควบคุม PID ต้องพิจารณาเฉพาะการแช่แข็ง-ซึ่งแนวทางทั่วไปไม่ครอบคลุม ขั้นตอนการปรับแต่งมาตรฐานที่ทำงานที่อุณหภูมิแวดล้อมมักจะทำงานได้ไม่ดีในสถานการณ์การแช่แข็ง ทำให้เกิดการสั่นที่ไม่เสถียรหรือการตอบสนองที่เชื่องช้า ที่อุณหภูมิต่ำมาก อัตราขยายของกระบวนการ ค่าคงตัวของเวลา และเวลาตายจะแตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญ เนื่องจากคุณสมบัติของวัสดุและคุณลักษณะการถ่ายเทความร้อนเปลี่ยนแปลงไป กระบวนการปรับแต่งแบบพิเศษที่พัฒนาขึ้นสำหรับการใช้งานแบบไครโอเจนิกส์ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการควบคุม

ความท้าทายพื้นฐานอยู่ที่ว่าระบบระบายความร้อนทำงานอย่างไรที่อุณหภูมิเยือกแข็ง ตัวทำความร้อนจะตอบสนองภายในไม่กี่วินาทีเนื่องจากมีมวลความร้อนน้อยมาก ของเหลวไครโอเจนิกส์หรือส่วนประกอบระบายความร้อนซึ่งมีความจุความร้อนสูงจะตอบสนองภายในไม่กี่นาที ตำแหน่งของเซ็นเซอร์-บนเครื่องทำความร้อน บนส่วนประกอบที่ระบายความร้อน หรือที่ไหนสักแห่งระหว่าง-เป็นตัวกำหนดอุณหภูมิที่ถูกควบคุมอุณหภูมิจริงๆ แต่ละตัวเลือกจะสร้างลักษณะความเสถียรที่แตกต่างกัน

การควบคุมเครื่องทำความร้อนของเซ็นเซอร์-เปิด-ตอบสนองอย่างรวดเร็วแต่ไม่ได้รักษาอุณหภูมิกระบวนการให้คงที่อย่างมีประสิทธิภาพ อุณหภูมิเครื่องทำความร้อนผันผวนเนื่องจากตัวควบคุมจะต้องชดเชยการตอบสนองของกระบวนการที่ล่าช้า สิ่งนี้อาจทำให้เกิดความเครียดจากความร้อนและเกินกำหนด การกำหนดค่านี้เหมาะสมกับสถานการณ์ที่การปกป้องเครื่องทำความร้อนมีความสำคัญมากกว่าการควบคุมกระบวนการที่แม่นยำ เซ็นเซอร์-เปิด-การควบคุมกระบวนการกำหนดเป้าหมายอุณหภูมิที่ตั้งไว้จริง แต่ให้การตอบสนองที่ช้า ตัวควบคุมรับรู้การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิอย่างช้าๆ และทำการแก้ไขอย่างมาก-หากค่าที่เพิ่มขึ้นสูงเกินไป จะส่งผลให้เกิดการสั่น หากกำไรต่ำเกินไป การชดเชยแบบเรื้อรังจะเกิดขึ้น ความล่าช้าด้านความร้อนอย่างมากทำให้การปรับ PID ทำได้ยาก และโดยทั่วไปผลลัพธ์จะไม่เป็นที่น่าพอใจ

สถาปัตยกรรมการควบคุมแบบเรียงซ้อนแก้ไขปัญหานี้ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ห่วงด้านในจะควบคุมอุณหภูมิเครื่องทำความร้อนอย่างรวดเร็ว ลดความเครียดจากความร้อน และปรับปรุงการปฏิเสธสิ่งรบกวน ลูปด้านนอกจะควบคุมอุณหภูมิของกระบวนการโดยการเปลี่ยนค่าที่ตั้งไว้ของลูปด้านในอย่างต่อเนื่องเพื่อรักษาเสถียรภาพ โครงสร้างนี้รองรับการแยกมาตราส่วนเวลาโดยธรรมชาติในระบบไครโอเจนิก การควบคุมแบบคาดการณ์ล่วงหน้าเป็นตัวเลือกขั้นสูง ตัวควบคุมได้รวมแบบจำลองความร้อนของเครื่องทำความร้อน ฉนวน และส่วนประกอบระบายความร้อนไว้ด้วยกัน ซึ่งคาดการณ์การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิในช่วงหลายนาทีข้างหน้า การปรับกำลังไฟฟ้าคาดการณ์ความต้องการในอนาคตมากกว่าการแก้ไขข้อผิดพลาดในปัจจุบัน

เหตุการณ์การเปลี่ยนเฟสเพิ่มความซับซ้อนให้กับการใช้งานการให้ความร้อนด้วยไนโตรเจน เมื่อของเหลวเปลี่ยนเป็นแก๊ส การไหลสอง-เฟสจะสร้างสภาวะการถ่ายเทความร้อนที่แตกต่างกันอย่างมาก เซ็นเซอร์วัดอุณหภูมิอาจอ่านอุณหภูมิของของเหลว อุณหภูมิไอ หรือบางสิ่งที่อยู่ระหว่างนั้น ขึ้นอยู่กับตำแหน่งและรูปแบบการไหล ระบบควบคุมจะต้องจัดการกับความแปรปรวนนี้โดยไม่ทำให้ไม่เสถียร ประสบการณ์ภาคสนามแสดงให้เห็นว่าวิธีการควบคุมแบบปรับเปลี่ยนได้ช่วยให้อุณหภูมิที่เย็นลงสามารถบรรลุความเสถียรได้มากขึ้น ตัวควบคุมจะปรับพารามิเตอร์โดยอัตโนมัติเมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลง- ไม่ว่าจะเป็นการทำความเย็น การคงไว้ หรือการทำให้อุ่นขึ้น การปรับเปลี่ยนนี้จะรักษาประสิทธิภาพในโหมดการทำงานที่พารามิเตอร์คงที่ไม่สามารถจัดการได้

สำหรับการทำงานที่อุณหภูมิลบ 120 องศาและต่ำกว่า กลยุทธ์การควบคุมจะต้องตรงกับไดนามิกทางความร้อนเฉพาะของการใช้งาน ระบบทำความร้อนแบบคาร์ทริดจ์ที่มีการปรับการควบคุมที่ไม่เหมาะสมจะล้มเหลวก่อนเวลาอันควรโดยไม่คำนึงถึงคุณภาพของตัวทำความร้อนเอง