特殊溫控系統(tǒng)的手動(dòng)PID調(diào)節(jié)特性研究

李衛(wèi)平

摘 要：工業(yè)中常遇到一些特殊的溫度控制系統(tǒng)，此時(shí)常規(guī)的自動(dòng)溫控程序不能很好地滿(mǎn)足其控制要求。該文以復(fù)合材料表面處理的溫度調(diào)節(jié)為例，建立了一種以手工方式調(diào)節(jié)PID參數(shù)的快速方法，從而可以很好地滿(mǎn)足特殊溫度系統(tǒng)下控制要求。經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證該方法取得了良好的應(yīng)用效果。

關(guān)鍵詞：溫度 PID 控制

中圖分類(lèi)號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）07（a）-0041-01

在工業(yè)的溫度控制中，常會(huì)使用到電熱烘箱。對(duì)于多數(shù)用戶(hù)而言，對(duì)烘箱的要求僅僅局限于目標(biāo)溫度的精確性和穩(wěn)定性上。但在一些特殊的溫控系統(tǒng)中，烘箱溫控儀中的常規(guī)控制程序常常不能很好地滿(mǎn)足這些特殊要求。此時(shí)如果只關(guān)注目標(biāo)溫度的精確性和穩(wěn)定性，很容易在批量化生產(chǎn)時(shí)影響到產(chǎn)品外觀質(zhì)量的一致性。此時(shí)就必須放棄自動(dòng)溫度控制，而轉(zhuǎn)為手動(dòng)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對(duì)烘箱工作全程各個(gè)階段的嚴(yán)格控制，從而滿(mǎn)足不同用戶(hù)的個(gè)性化需求。

1 溫控系統(tǒng)中的溫度曲線(xiàn)

溫控過(guò)程中的動(dòng)態(tài)傳遞函數(shù)為：G（s）=Kp[1+（1/Ti）s+Tds]。其中Kp—偏差增益比例系數(shù)，Ti—積分時(shí)間常數(shù)，Td—微分時(shí)間常數(shù)。可見(jiàn)通過(guò)修改Kp、Ti和Td的值，可以獲得不同動(dòng)態(tài)響應(yīng)的溫度控制曲線(xiàn)。該加熱曲可以劃分為3個(gè)階段：

（1）升溫段：它是一個(gè)近似于線(xiàn)性的直線(xiàn)段。斜率越大表示其升溫速度越快，斜率由傳遞函數(shù)中的參數(shù)Kp決定。

（2）震蕩段：隨著實(shí)際溫度逐漸接近目標(biāo)值，系統(tǒng)在時(shí)間積分常數(shù)Ti和時(shí)間微分常數(shù)Td的作用下開(kāi)始震蕩。同時(shí)控制器的負(fù)反饋使得這種震蕩逐步收斂并最終穩(wěn)定在目標(biāo)溫度左右。

（3）穩(wěn)定段：這是烘箱最后的工作階段，為一條平直的直線(xiàn)。但實(shí)際上穩(wěn)定段仍然是一條具有微小波動(dòng)的曲線(xiàn)，其振幅就代表了烘箱工作溫度的精度和穩(wěn)定范圍。穩(wěn)定段的形態(tài)主要受參數(shù)Ti控制。

簡(jiǎn)單地說(shuō)：一個(gè)良好的溫控系統(tǒng)，要求升溫段系統(tǒng)響應(yīng)要“快”，震蕩段要“準(zhǔn)”， 而穩(wěn)定段則要“穩(wěn)”。

當(dāng)Kp、Ti和Td這三個(gè)參數(shù)一旦被確定后，溫控曲線(xiàn)的形態(tài)即被唯一確定。反之，用戶(hù)可以根據(jù)自己實(shí)際的溫度需要，自行設(shè)計(jì)一條最適合自己工藝要求的溫度曲線(xiàn)，然后通過(guò)設(shè)置不同的Kp、Ti和Td的值以實(shí)現(xiàn)并獲得該控制過(guò)程。

升溫段、震蕩段和穩(wěn)定段這三者之間并非各自獨(dú)立存在，它們是相互影響的，主要表現(xiàn)為：若要讓系統(tǒng)響應(yīng)變“快”，就必然要犧牲系統(tǒng)的“準(zhǔn)”和“穩(wěn)”；反之亦反。

2 特殊溫控系統(tǒng)的特點(diǎn)

在實(shí)際生產(chǎn)中常常會(huì)遇到一些特殊的溫控系統(tǒng)，如復(fù)合材料表面處理時(shí)，溫度要求比較特殊，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

2.1 工作時(shí)間極短

與常規(guī)烘箱動(dòng)輒數(shù)小時(shí)的工作時(shí)長(zhǎng)相比，復(fù)合材料表面處理的單件工時(shí)僅僅為十幾分鐘，升溫段和震蕩段占全程時(shí)間的1/4至1/3，此時(shí)升溫段和震蕩段對(duì)整個(gè)溫度系統(tǒng)的影響就絕不能再象常規(guī)的烘箱那樣被忽略掉。

2.2 升溫速度和溫度過(guò)沖二者相互對(duì)立

表面處理的單件工時(shí)通常是落后于纏繞工時(shí)的，因此表面處理環(huán)節(jié)總是生產(chǎn)中最大的瓶頸。從提高生產(chǎn)效率的角度講，應(yīng)盡量減少表面處理的時(shí)間，唯一的方法只能是通過(guò)提高升溫段的升溫速度，但這就勢(shì)必造成震蕩段的過(guò)沖和穩(wěn)定后的精度誤差變得更為嚴(yán)重。

3 手動(dòng)調(diào)節(jié)PID參數(shù)實(shí)現(xiàn)特殊的溫度控制

3.1 PID調(diào)節(jié)在表面處理設(shè)備溫度系統(tǒng)中的應(yīng)用原理

在表面處理設(shè)備中，通過(guò)修改溫控儀中PID控制器上的P、I和D這三個(gè)參數(shù)的大小，可以直接獲得預(yù)想中特殊溫度控制曲線(xiàn)的形態(tài)。

（1）P值：表示為按誤差比例的大小反映表面處理設(shè)備內(nèi)部工作溫度的當(dāng)前偏差，它直接決定了升溫階段的速度。系統(tǒng)一旦出現(xiàn)偏差，比例調(diào)節(jié)立即產(chǎn)生作用以減少偏差。增大P值則升溫速度放慢，同時(shí)也可抑制震蕩和超調(diào)，系統(tǒng)也變得更加穩(wěn)定，但系統(tǒng)的響應(yīng)會(huì)隨之減慢。

（2）I值：主要用于消除表面處理設(shè)備溫度系統(tǒng)最后的穩(wěn)態(tài)誤差，以提高系統(tǒng)的無(wú)差度。只要系統(tǒng)還有誤差，積分調(diào)節(jié)就一直進(jìn)行。故增大I值，積分項(xiàng)逐漸增大，此時(shí)可獲得誤差更小的穩(wěn)態(tài)精度，同時(shí)也可抑制震蕩段的過(guò)沖，但溫度系統(tǒng)的響應(yīng)會(huì)變慢，整體抗干擾性降低。

（3）D值：主要反映了溫度系統(tǒng)偏差信號(hào)的變化率，可以產(chǎn)生超前控制，在干擾偏差還沒(méi)有形成之前，就已被微分調(diào)節(jié)作用消除掉。因此它可以大為改善整體溫度系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。但在增加微分作用的同時(shí)，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力同樣也會(huì)下降[1]。

由上可知，在復(fù)合材料制品表面處理設(shè)備中，溫控儀中P、I和D這三個(gè)參數(shù)在以環(huán)扣環(huán)方式的共同作用下控制著系統(tǒng)的溫度變化，因此理論上只要電加熱管的功率足夠大，用戶(hù)可以任意構(gòu)建一條完全滿(mǎn)足自己需求的溫度控制曲線(xiàn)。

下面，以某復(fù)合材料制品工藝要求為例，說(shuō)明用戶(hù)是如何實(shí)現(xiàn)個(gè)性化的溫度控制的。

3.2 以手動(dòng)調(diào)節(jié)PID實(shí)現(xiàn)理想的溫控形態(tài)

（1）以自整定為手動(dòng)調(diào)節(jié)的起始點(diǎn)。

為了更快速地找出最佳的溫控參數(shù)，最好先對(duì)溫控儀做一次常規(guī)的PID自整定，得到常規(guī)溫度曲線(xiàn)的P、I和D的值，在此基礎(chǔ)上再對(duì)其做進(jìn)一步的修正可以大為節(jié)省調(diào)試時(shí)間。

（2）始終按照先P、再I(mǎi)、最后D的順序逐一調(diào)節(jié)。

將自整定后的溫度系統(tǒng)與理想系統(tǒng)的要求之間進(jìn)行比較。手動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí)，先根據(jù)系統(tǒng)差異修改P值，建議先減小直到出現(xiàn)震蕩時(shí)再增大；然后修改I值，建議先增大，若發(fā)現(xiàn)振蕩周期超過(guò)要求后再減?。蛔詈笳{(diào)節(jié)D值，根據(jù)超調(diào)量的實(shí)際要求慢慢減小D值。這樣就基本上可以獲得在不發(fā)生震蕩的情況下，取得最大和最強(qiáng)烈的控制效果。

（3）經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)反復(fù)調(diào)試表明，對(duì)復(fù)合材料表面處理的溫度系統(tǒng)而言，P的最佳值一般介于4.5～10.4之間，I的最佳值介于320～560之間，D則應(yīng)小于90。在調(diào)節(jié)過(guò)程中，如果明顯超越了上述范圍應(yīng)考慮重新調(diào)節(jié)，否則獲得溫控狀態(tài)將來(lái)可能不夠穩(wěn)定。

（4）反復(fù)優(yōu)化。

通過(guò)上述調(diào)節(jié)后就可以得到P、I和D的粗略值了，接下來(lái)只需要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況對(duì)這3個(gè)值進(jìn)行更細(xì)致的優(yōu)化即可。

4 結(jié)語(yǔ)

在特殊的溫度系統(tǒng)中，對(duì)溫度的要求較為嚴(yán)格，常規(guī)PID自整定后所得到的溫控參數(shù)不能很好地滿(mǎn)足上述要求。

為更好地滿(mǎn)足這些特殊溫控要求，須采用PID手動(dòng)調(diào)節(jié)控制參數(shù)。通過(guò)反復(fù)實(shí)踐和摸索，總結(jié)了一些手動(dòng)調(diào)節(jié)溫控參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)、方法和步驟，調(diào)試時(shí)遵循這些經(jīng)驗(yàn)和方法，可大為化簡(jiǎn)設(shè)備的調(diào)試過(guò)程。

參考文獻(xiàn)

[1] 科昊.PID控制原理[D].廈門(mén)科昊自動(dòng)化有限公司，2008.endprint