5分钟学一个Thermal Desktop案例——PID控温模拟及参数优化
哈喽大家好，这里是SINDA/FLUINT教学的桉师傅~
PID控制器是一种广泛应用于工程领域的反馈控制技术，它通过调整比例、积分和微分三个参数来实现对系统输出的精确控制。这种控制器被用于温度、压力、流量和液位等多种控制场景，如加热器功率控制、流体系统的流速控制、储液罐压力控制等。
PID广泛应用于车辆工程、航空航天、机械等多个领域，以确保系统稳定运行和较高的操作效率。例如当系统中有一个部件，如何通过PID控制加热元器件保证该部件的温度在合理范围内呢？今天就来讲解如何用Thermal Desktop快速完成PID温度控制的模拟。
一、模型背景
1. 1*1*0.05m的方块垫，初始温度20℃，材料为Material1。
2. 垫子上表面施加数值为1000W的热载荷。
3. 下表面和一个温度恒为0℃的边界节点换热，换热系数为Duiliu（10W/℃）。
试采用PID控制热载荷的数值，将底层中心温度点在1000s计算时间内控制在30℃。
二、设置过程
1. 定义计算案例所需要的寄存器Register或者是变量Symbols，包括对流换热系数、热载荷控制系数和PID参数等。这部分也可以通过直接在输入框中输入数值来实现，用户可以自行选择是否定义。
图 1 定义寄存器/变量
2. 使用材料Material1，设置了一个导热系数为50W/m/℃、密度为1000Kg/m^3、比热容为100J/kg/℃的材料用于计算。
图 2 定义材料参数
3. 绘制几何模型并划分节点，节点个数为5*5*10，定义节点的初始温度为20℃，子模型名称为PLATE。
4. 给上表面施加热载荷，热载荷值为Hload2*1000W，（Hload2的数值在0~1之间，用PID控制Hloda2的值，从而达到调整热载荷并改变温度）。
图 3 载荷、对流设置和节点划分情况
图 4 热载荷的设置参数
5. 绘制0℃的边界节点，设置边界节点与底层换热。
图 5 对流换热设置参数
6. 在Logic Manager中创建PID控制器，计算瞬态需要勾选“Discrete inteval Controller”然后设置“Discrete inteval timestep”。此处设为1s代表PID控制采样时间。该值越小会导致计算越慢、越精细。
图 6 逻辑管理器中PID的设置
7. 设置Setpoint为30℃，处理变量为PLATE的下表面中心点温度，本模型中的下表面中心节点的ID为13，因此在处理变脸一栏中输入PLATE.T13。
8. 控制变量为Hload2，可以切换单位为无量纲，给定CV的最小值和最大值，此处给定0到1。左下角给定PID的3个控制参数，可以调整参数达到不同的控制效果。
三、结果分析
测试不同的几个参数组合，分别命名为测试1(不开启PID)、测试2、测试3，其具体参数如下表所示。
表 1 PID参数测试表
序号 | 定义 | 参数 | 测试1 | 测试2 | 测试3 |
1 | 比例 | PID01 | / | 1 | 2 |
2 | 积分 | PID02 | / | 1 | 0.1 |
3 | 微分 | PID03 | / | 0 | 0 |
计算得出的逐层温度结果如下表所示：
表 2 PID参数测试结果
序号 | 案例 | 温度图 | 单点PLATE13 |
1 | 测试1 |
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2 | 测试2 |
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3 | 测试3 | |
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由结果可知，当不加任何控制时，1000W加热1000s，温度已经达到了90℃。当使用测试2的参数时，温度可以控制在30℃附近，但是出现了震荡控制。当使用测试3的参数时，温度曲线非常平滑。
四、思路扩展
非常开心你能看到这里，5分钟内你已经基本学会了如何使用Thermal Desktop完成对PID控制的模拟。但是否你对操作过程还有很多疑问，例如：
(1) 我不懂PID，博主能否扩展PID的基础知识？提供一些调参方法？
(2) 博主能否提供本案例操作模型的源文件？
(3) 文章提到的热载荷设置、对流设置、计算设置等我也不懂，能否出视频讲解一下？
(4) 我自己的案例更复杂一些，博主能否提供技术支持？
(5) 如何用Thermal Desktop实现参数优化？这样就不用自己调了。
如果有关于前四点的相关疑问，请大家在评论区告诉我，我会尽快推出相关的文章或者视频。关于第五点如何用Thermal Desktop实现参数优化请见下一节内容。感谢大家的支持 ~
内容简介：Thermal Desktop动态优化获得PID最优参数
