臺達(dá)溫控器PID控制原理及在塑料機械上的應(yīng)用
2008/8/4 13:16:00
摘 要：塑料制品在生產(chǎn)生活中無處不在。塑料生產(chǎn)設(shè)備多種多樣。多數(shù)利用熱塑性原理工作的塑料生產(chǎn)設(shè)備的設(shè)備都會用到溫度控制器。本文以塑料擠出機為例介紹臺達(dá)溫控的PID控制原理及應(yīng)用。
關(guān) 鍵 詞：臺達(dá)溫控器 PID 塑料機械
1 引言
塑料有其獨特的熱塑性物理化學(xué)特性。在塑料行業(yè)的生產(chǎn)過程中，加工溫度的控制，是
決定產(chǎn)品質(zhì)量最重要的環(huán)節(jié)之一。塑料擠出機（圖1）一般有單螺桿和雙螺桿之分，主要用來擠制軟、硬聚氯乙烯、聚乙烯等熱塑性塑料之用，與相應(yīng)的輔機（包括成型機頭）配合，可加工多種塑料制品，如膜、管、棒、板、絲、帶電纜絕緣層及中空制品等，亦可用于造粒。臺達(dá)DTA等系列溫控器（圖2）利用PID控制算法，保證在復(fù)雜生產(chǎn)環(huán)境中，精確控制原料生產(chǎn)溫度，避免因為溫度過高或者過低造成廢品率高的現(xiàn)象。以圖2為例，一臺擠出機中使用多個DTA溫控器控制加熱，并且于每個加熱器上，對應(yīng)配有一組散熱風(fēng)扇，或者水冷裝置。
圖1 塑料擠出機
圖2 臺達(dá)溫控器
2塑料擠出機溫度控制原理
2.1控制要求
基于原材料的物理物理化學(xué)特性，要求控制溫度不能超過設(shè)定溫度正負(fù)2攝氏度。溫度過低，擠出口出料不暢，造成前端擠出機構(gòu)負(fù)載過大；溫度過高，則可能改變原料特性導(dǎo)致成品報廢。
2.2 控制方法分析
1 控制方法效果比較。根據(jù)對象特性與現(xiàn)場考察，如果控制方式選擇較為容易操作的ON-OFF控制方式，此方式會導(dǎo)致目標(biāo)溫度振蕩超差(圖3)。在理想的工藝控制范圍，ON-OFF控制是無法達(dá)到穩(wěn)定的，而PID控制會比ON-OFF更加的精確。
圖3 控制方法效果比較
2 PID控制參數(shù)自整定的適用性分析。雖然臺達(dá)DTA系列溫控器具有智能化PID參數(shù)自整定功能，但是由于不支持雙程對象控制，因此當(dāng)選擇PID自整定控制方式時，反而會造成精度誤差更大。原因是DTA溫控器不支持雙輸出的功能，所以只可單選加熱，擠出機上方配備的冷卻風(fēng)扇則是利用DTA的警報輸出來觸發(fā)，作為冷卻輸出。而DTA 的自整定，必須在自然冷卻或者冷卻方式相對恒定的環(huán)境進行，而利用警報來做冷卻控制，實際已變成突發(fā)事件，不在正常的情形之下，如此會造成降溫時間及振蕩周期變短，將造成振蕩情形更加的劇烈。
3 PID控制參數(shù)人工整定的適用性分析。由于擠出機設(shè)備出廠值是一般能達(dá)到控制要求的，所以于此設(shè)備中，以出廠值即可達(dá)到所需的要求，反倒是執(zhí)行自整定會測得不正確參數(shù)，造成溫度的上下振蕩。如果對于有些場合，溫度上升需要加快的話，適當(dāng)調(diào)小P值即可。
4 由于塑料設(shè)備冷卻速度非常的慢，所以超溫時利用警報輸出來觸發(fā)風(fēng)扇加速冷卻。需要注意DTA中使用警報進行風(fēng)扇冷卻，須將ALARM范圍設(shè)定的較大（如超出4度時才執(zhí)行），因為除非異常情形，平時溫度是不易超出此范圍的，如果ALARM設(shè)定過小(如1度)，超出設(shè)定值即冷卻，會造成冷卻速度太快，產(chǎn)生溫度振蕩。
3 DTA 儀表PID控制原理及調(diào)整方式
3．1 比例帶PB參數(shù)原理定義
控制器的P值其實就是比例帶(PB)；I值為積分時間(Ti)；D值為微分時間(Td)。
P值指的是比例(圖4)，若是P設(shè)定為20，SV（目標(biāo)溫度）設(shè)定為150度，此時于150-20=130度之前，輸出將以全輸出的方式來執(zhí)行，所以若是我們將P值調(diào)整的太小，則將會產(chǎn)生溫度加熱過高的情形。出廠值P為47.6，若我們欲達(dá)到的溫度為100度，則于100-47.6=52.4度時即展開比例控制輸出量，所以除非加熱速度很快，否則不會造成上下振蕩的情形。
圖4 比例帶PB控溫效果
比例帶PB控制輸出量的大小是控制溫度精度的基礎(chǔ)因素，根據(jù)PID算法的輸出量公式如下：
由以上可得知，I及D為零時，輸出量即為1/PBe，故只有P控制。而e = PV(現(xiàn)在值) – SV(設(shè)定值)，所以也可得知，當(dāng)目前溫度已等于設(shè)定溫度時，e值即為零，此時P控制中即無輸出量，P無輸出量是無法將溫度一直保持在設(shè)定值的，此時便需利用I控制來執(zhí)行補償?shù)膭幼鳌?br />
3.2積分常數(shù)I參數(shù)原理定義
I值指的是積分量。由上述公式中可得知，輸出量是由P量+I量+D量， 所以當(dāng)未進入比例控制時，是不執(zhí)行I控制的，因這時系統(tǒng)已處于全輸出狀態(tài)，I量無法再增加上去。那么，控制的積分量將于何時來激活積分動作呢？如圖5所示， 積分動作觸發(fā)時機為溫度先由上升至反轉(zhuǎn)下降的時候，我們可推論，于加熱開始時，原本溫度即會產(chǎn)生超調(diào)現(xiàn)象，若此時再增加積分量，那么溫度也就過高更多了。因此當(dāng)我們激活積分動作時，此時公式中1/Ti*1/PB∫edt也隨之運算，式中也可知Ti是位于算式中分母的位置，所以當(dāng)Ti值愈小時，所算得的積分量愈大；反之，Ti值愈大，則計算的積分量則愈小。
圖5 積分常數(shù)I控溫效果（1）
本文示例設(shè)備的出廠的I默認(rèn)值為260，是為避免積分量太大，會造成加熱溫度過高產(chǎn)生振蕩，而又為何在此擠出機中執(zhí)行Auto Tuning會測得過小的I 值呢？如圖6中所示，I值是由（周期時間/2）計算取得，而塑機中的溫度下降速度（不激活風(fēng)扇）是相當(dāng)緩慢的，所以I值將相當(dāng)?shù)拇?，但我們利用風(fēng)扇加速風(fēng)扇的冷卻，此時周期時間大大的縮短，I值相對的也大大的變小了，因此振蕩情形也更加的劇烈了。
圖6 積分常數(shù)I控溫效果（2）
自動整定(Auto Tuning)的動作完成后，控制器也將自動填入一值至參數(shù)Iof 中，目的是當(dāng)我們以PID方式控制時，我們知道于系統(tǒng)穩(wěn)定時(PV現(xiàn)在值=SV設(shè)定值)，此時P量是為零的，所以必須藉由I量來控制穩(wěn)定所需輸出量，此輸出量可由系統(tǒng)穩(wěn)定時參數(shù)OUT來得知，以此擠出機為例，當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定時，進入?yún)?shù)觀察輸出量13%，因此系統(tǒng)將此值(13)自動填入Iof參數(shù)中，當(dāng)我們重新再激活系統(tǒng)時，輸出量將為P量 + Iof量，如此可加速加熱的過程時間。
3.3 微分常數(shù)D參數(shù)原理定義
D值指的是微分量。當(dāng)系統(tǒng)溫度產(chǎn)生變化時，將激活D量控制。若于加熱的系統(tǒng)中，溫度快速的下降，此時U(輸出量)=P量+I量+D量。相反的，系統(tǒng)中溫度快速的上升，此時U(輸出量)=P量+I量-D量，因此D量是用來控制溫度急劇變化時，輸出的快速反應(yīng)以減少和設(shè)定值的誤差。D量值是由公式中TD*1/Pb de/dt 計算取得，因此當(dāng)D值愈大時，反應(yīng)的速度愈快；反之，D值愈小，反應(yīng)速度愈慢 (圖7)。
圖7 微分常數(shù)D控溫效果
綜合以上所述，D值是否愈大愈好呢?我們?nèi)绻麑值設(shè)定的過大，只要溫度一產(chǎn)生變化，將會造成溫度的快速反應(yīng)，反倒是會造成振蕩的情形。若D值設(shè)定非常大時，則溫度略有變化即輸出急劇改變，甚至產(chǎn)生發(fā)散現(xiàn)象而無法控制。
3.4 臺達(dá)DTA系列溫控器輸出選型
當(dāng)選擇繼電器為輸出的DTA系列溫控器輸出類型機種并執(zhí)行PID控制時，此時請注意控制周期的問題。此考慮在于Relay的壽命，因此出廠值為20秒，而于電壓及電流為輸出的機種中，因較無壽命的問題，出廠值為4秒，而輸出控制是以PWM(可調(diào)脈寬)的方式來執(zhí)行(圖8)，因此若是加熱速度較快并且控制周期較長時，可能會造成溫度的振蕩，原因在于若是輸出量為40%，此時周期時間為20秒，則將會執(zhí)行。藉由上述可知，控制周期的大小是會影響控制上的精度，因此使用上需在精度及Relay壽命上取得平衡，或是改為其它輸出的機種來克服此問題。
圖8 PWM脈寬調(diào)制輸出
4 結(jié)束語
1于擠出機中，如果使用DTA中的警報輸出作為冷卻控制，此時執(zhí)行自我整定(Auto Tuning)的動作，所測得之PID值是不正確的。
2 在可執(zhí)行自我整定的系統(tǒng)中，建議先執(zhí)行整定功能，除非控制效果不足，才考慮手動調(diào)整PID方式。
3出廠的PID值適用于大部分的系統(tǒng)中，此出廠值優(yōu)點為穩(wěn)定，但需略長時間達(dá)設(shè)定值。
4某些品牌的控制是以全輸出方式，當(dāng)溫度超過設(shè)定值1～2度即激活風(fēng)扇急速降溫，因此溫度振蕩，并且風(fēng)扇激活頻繁，增加能源消耗。
5 DTA的PID控制中，溫度將不易超出設(shè)定值，因此風(fēng)扇幾乎不動作，于設(shè)備未運轉(zhuǎn)時溫度幾乎是穩(wěn)定在設(shè)定值，運轉(zhuǎn)中因原料的流動，可達(dá)上下2～3度的誤差。
關(guān) 鍵 詞：臺達(dá)溫控器 PID 塑料機械
1 引言
塑料有其獨特的熱塑性物理化學(xué)特性。在塑料行業(yè)的生產(chǎn)過程中，加工溫度的控制，是
決定產(chǎn)品質(zhì)量最重要的環(huán)節(jié)之一。塑料擠出機（圖1）一般有單螺桿和雙螺桿之分，主要用來擠制軟、硬聚氯乙烯、聚乙烯等熱塑性塑料之用，與相應(yīng)的輔機（包括成型機頭）配合，可加工多種塑料制品，如膜、管、棒、板、絲、帶電纜絕緣層及中空制品等，亦可用于造粒。臺達(dá)DTA等系列溫控器（圖2）利用PID控制算法，保證在復(fù)雜生產(chǎn)環(huán)境中，精確控制原料生產(chǎn)溫度，避免因為溫度過高或者過低造成廢品率高的現(xiàn)象。以圖2為例，一臺擠出機中使用多個DTA溫控器控制加熱，并且于每個加熱器上，對應(yīng)配有一組散熱風(fēng)扇，或者水冷裝置。
圖1 塑料擠出機
圖2 臺達(dá)溫控器
2塑料擠出機溫度控制原理
2.1控制要求
基于原材料的物理物理化學(xué)特性，要求控制溫度不能超過設(shè)定溫度正負(fù)2攝氏度。溫度過低，擠出口出料不暢，造成前端擠出機構(gòu)負(fù)載過大；溫度過高，則可能改變原料特性導(dǎo)致成品報廢。
2.2 控制方法分析
1 控制方法效果比較。根據(jù)對象特性與現(xiàn)場考察，如果控制方式選擇較為容易操作的ON-OFF控制方式，此方式會導(dǎo)致目標(biāo)溫度振蕩超差(圖3)。在理想的工藝控制范圍，ON-OFF控制是無法達(dá)到穩(wěn)定的，而PID控制會比ON-OFF更加的精確。
圖3 控制方法效果比較
2 PID控制參數(shù)自整定的適用性分析。雖然臺達(dá)DTA系列溫控器具有智能化PID參數(shù)自整定功能，但是由于不支持雙程對象控制，因此當(dāng)選擇PID自整定控制方式時，反而會造成精度誤差更大。原因是DTA溫控器不支持雙輸出的功能，所以只可單選加熱，擠出機上方配備的冷卻風(fēng)扇則是利用DTA的警報輸出來觸發(fā)，作為冷卻輸出。而DTA 的自整定，必須在自然冷卻或者冷卻方式相對恒定的環(huán)境進行，而利用警報來做冷卻控制，實際已變成突發(fā)事件，不在正常的情形之下，如此會造成降溫時間及振蕩周期變短，將造成振蕩情形更加的劇烈。
3 PID控制參數(shù)人工整定的適用性分析。由于擠出機設(shè)備出廠值是一般能達(dá)到控制要求的，所以于此設(shè)備中，以出廠值即可達(dá)到所需的要求，反倒是執(zhí)行自整定會測得不正確參數(shù)，造成溫度的上下振蕩。如果對于有些場合，溫度上升需要加快的話，適當(dāng)調(diào)小P值即可。
4 由于塑料設(shè)備冷卻速度非常的慢，所以超溫時利用警報輸出來觸發(fā)風(fēng)扇加速冷卻。需要注意DTA中使用警報進行風(fēng)扇冷卻，須將ALARM范圍設(shè)定的較大（如超出4度時才執(zhí)行），因為除非異常情形，平時溫度是不易超出此范圍的，如果ALARM設(shè)定過小(如1度)，超出設(shè)定值即冷卻，會造成冷卻速度太快，產(chǎn)生溫度振蕩。
3 DTA 儀表PID控制原理及調(diào)整方式
3．1 比例帶PB參數(shù)原理定義
控制器的P值其實就是比例帶(PB)；I值為積分時間(Ti)；D值為微分時間(Td)。
P值指的是比例(圖4)，若是P設(shè)定為20，SV（目標(biāo)溫度）設(shè)定為150度，此時于150-20=130度之前，輸出將以全輸出的方式來執(zhí)行，所以若是我們將P值調(diào)整的太小，則將會產(chǎn)生溫度加熱過高的情形。出廠值P為47.6，若我們欲達(dá)到的溫度為100度，則于100-47.6=52.4度時即展開比例控制輸出量，所以除非加熱速度很快，否則不會造成上下振蕩的情形。
圖4 比例帶PB控溫效果
比例帶PB控制輸出量的大小是控制溫度精度的基礎(chǔ)因素，根據(jù)PID算法的輸出量公式如下：
由以上可得知，I及D為零時，輸出量即為1/PBe，故只有P控制。而e = PV(現(xiàn)在值) – SV(設(shè)定值)，所以也可得知，當(dāng)目前溫度已等于設(shè)定溫度時，e值即為零，此時P控制中即無輸出量，P無輸出量是無法將溫度一直保持在設(shè)定值的，此時便需利用I控制來執(zhí)行補償?shù)膭幼鳌?br />
3.2積分常數(shù)I參數(shù)原理定義
I值指的是積分量。由上述公式中可得知，輸出量是由P量+I量+D量， 所以當(dāng)未進入比例控制時，是不執(zhí)行I控制的，因這時系統(tǒng)已處于全輸出狀態(tài)，I量無法再增加上去。那么，控制的積分量將于何時來激活積分動作呢？如圖5所示， 積分動作觸發(fā)時機為溫度先由上升至反轉(zhuǎn)下降的時候，我們可推論，于加熱開始時，原本溫度即會產(chǎn)生超調(diào)現(xiàn)象，若此時再增加積分量，那么溫度也就過高更多了。因此當(dāng)我們激活積分動作時，此時公式中1/Ti*1/PB∫edt也隨之運算，式中也可知Ti是位于算式中分母的位置，所以當(dāng)Ti值愈小時，所算得的積分量愈大；反之，Ti值愈大，則計算的積分量則愈小。
圖5 積分常數(shù)I控溫效果（1）
本文示例設(shè)備的出廠的I默認(rèn)值為260，是為避免積分量太大，會造成加熱溫度過高產(chǎn)生振蕩，而又為何在此擠出機中執(zhí)行Auto Tuning會測得過小的I 值呢？如圖6中所示，I值是由（周期時間/2）計算取得，而塑機中的溫度下降速度（不激活風(fēng)扇）是相當(dāng)緩慢的，所以I值將相當(dāng)?shù)拇?，但我們利用風(fēng)扇加速風(fēng)扇的冷卻，此時周期時間大大的縮短，I值相對的也大大的變小了，因此振蕩情形也更加的劇烈了。
圖6 積分常數(shù)I控溫效果（2）
自動整定(Auto Tuning)的動作完成后，控制器也將自動填入一值至參數(shù)Iof 中，目的是當(dāng)我們以PID方式控制時，我們知道于系統(tǒng)穩(wěn)定時(PV現(xiàn)在值=SV設(shè)定值)，此時P量是為零的，所以必須藉由I量來控制穩(wěn)定所需輸出量，此輸出量可由系統(tǒng)穩(wěn)定時參數(shù)OUT來得知，以此擠出機為例，當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定時，進入?yún)?shù)觀察輸出量13%，因此系統(tǒng)將此值(13)自動填入Iof參數(shù)中，當(dāng)我們重新再激活系統(tǒng)時，輸出量將為P量 + Iof量，如此可加速加熱的過程時間。
3.3 微分常數(shù)D參數(shù)原理定義
D值指的是微分量。當(dāng)系統(tǒng)溫度產(chǎn)生變化時，將激活D量控制。若于加熱的系統(tǒng)中，溫度快速的下降，此時U(輸出量)=P量+I量+D量。相反的，系統(tǒng)中溫度快速的上升，此時U(輸出量)=P量+I量-D量，因此D量是用來控制溫度急劇變化時，輸出的快速反應(yīng)以減少和設(shè)定值的誤差。D量值是由公式中TD*1/Pb de/dt 計算取得，因此當(dāng)D值愈大時，反應(yīng)的速度愈快；反之，D值愈小，反應(yīng)速度愈慢 (圖7)。
圖7 微分常數(shù)D控溫效果
綜合以上所述，D值是否愈大愈好呢?我們?nèi)绻麑值設(shè)定的過大，只要溫度一產(chǎn)生變化，將會造成溫度的快速反應(yīng)，反倒是會造成振蕩的情形。若D值設(shè)定非常大時，則溫度略有變化即輸出急劇改變，甚至產(chǎn)生發(fā)散現(xiàn)象而無法控制。
3.4 臺達(dá)DTA系列溫控器輸出選型
當(dāng)選擇繼電器為輸出的DTA系列溫控器輸出類型機種并執(zhí)行PID控制時，此時請注意控制周期的問題。此考慮在于Relay的壽命，因此出廠值為20秒，而于電壓及電流為輸出的機種中，因較無壽命的問題，出廠值為4秒，而輸出控制是以PWM(可調(diào)脈寬)的方式來執(zhí)行(圖8)，因此若是加熱速度較快并且控制周期較長時，可能會造成溫度的振蕩，原因在于若是輸出量為40%，此時周期時間為20秒，則將會執(zhí)行。藉由上述可知，控制周期的大小是會影響控制上的精度，因此使用上需在精度及Relay壽命上取得平衡，或是改為其它輸出的機種來克服此問題。
圖8 PWM脈寬調(diào)制輸出
4 結(jié)束語
1于擠出機中，如果使用DTA中的警報輸出作為冷卻控制，此時執(zhí)行自我整定(Auto Tuning)的動作，所測得之PID值是不正確的。
2 在可執(zhí)行自我整定的系統(tǒng)中，建議先執(zhí)行整定功能，除非控制效果不足，才考慮手動調(diào)整PID方式。
3出廠的PID值適用于大部分的系統(tǒng)中，此出廠值優(yōu)點為穩(wěn)定，但需略長時間達(dá)設(shè)定值。
4某些品牌的控制是以全輸出方式，當(dāng)溫度超過設(shè)定值1～2度即激活風(fēng)扇急速降溫，因此溫度振蕩，并且風(fēng)扇激活頻繁，增加能源消耗。
5 DTA的PID控制中，溫度將不易超出設(shè)定值，因此風(fēng)扇幾乎不動作，于設(shè)備未運轉(zhuǎn)時溫度幾乎是穩(wěn)定在設(shè)定值，運轉(zhuǎn)中因原料的流動，可達(dá)上下2～3度的誤差。
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