PID溫度控制在真空鍍膜機應用研究

王辰，孫鵬，秦美榮

(天津恒電空間電源有限公司，天津300384)

PID溫度控制在真空鍍膜機應用研究

王辰，孫鵬，秦美榮

(天津恒電空間電源有限公司，天津300384)

在自動化控制領(lǐng)域內(nèi)，PID控制器具有結(jié)構(gòu)簡單、容易實現(xiàn)、控制效果好等特點，是迄今為止最穩(wěn)定的控制方法。高真空鍍膜機的溫度控制在鍍膜過程中起著十分重要的作用，控制溫度的精準與否將直接影響空間用太陽電池成膜質(zhì)量，研究了PID算法的原理和實現(xiàn)方法，將其應用到真空鍍膜機溫度控制系統(tǒng)中，并且摸索出相應參數(shù)整定的方法規(guī)律，可以滿足工藝所需要的各種溫度。

PID溫度控制；參數(shù)整定；真空鍍膜機

當前普遍采用真空鍍膜機來完成空間用太陽電池的金屬電極及介質(zhì)膜制備工藝。在此過程中，根據(jù)產(chǎn)品需要，真空鍍膜機的加熱燈會對腔體內(nèi)加熱升溫，其溫度控制系統(tǒng)就采用了PID算法控制。其控制系統(tǒng)包括：給定值為鍍膜機設定的加熱溫度，控制器為PID控制器，執(zhí)行機構(gòu)為加熱燈的功率電流調(diào)節(jié)器，控制對象為加熱燈功率電流，傳感器為熱電偶，被控量為測量溫度，系統(tǒng)圖如圖1所示。溫控器PID參數(shù)未調(diào)整協(xié)調(diào)，設定加熱溫度為140℃，可是超溫至160℃，如圖2所示。造成了溫度嚴重超調(diào)過沖，工藝時間增長，降低設備自動化程度，增加人工輔助操作，降低了生產(chǎn)效率，更重要會造成電池性能品質(zhì)的不一致。

圖1 真空鍍膜機溫度控制系統(tǒng)圖

圖2 溫度曲線圖

本論文主要研究真空鍍膜機溫度PID參數(shù)整定方法，最終使真空鍍膜機溫度控制參數(shù)整定完善，加熱溫度快速穩(wěn)定準確地達到設定值，以滿足工藝要求。

1 真空鍍膜溫度控制的主要參數(shù)

本文主要針對真空鍍膜溫度控制進行分析，其主要調(diào)節(jié)技術(shù)參數(shù)：設定溫度；比例參數(shù)；積分時間；微分時間；加熱燈輸出功率。

2 PID控制的原理

PID控制器(比例-積分-微分控制器)，由比例單元、積分單元和微分單元組成，其真空鍍膜機溫度PID控制原理框圖如圖3所示。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制的。

其系統(tǒng)傳遞關(guān)系式如式(1)所示[1]：

圖3 PID控制器結(jié)構(gòu)框圖

式中：e(t)=u(t)－y(t)，Kp為比例系數(shù)；Ti為積分時間常數(shù)；Td為微分時間常數(shù)；其系統(tǒng)傳遞函為式(2)：

3 整定溫控器PID控制參數(shù)

PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設計的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被控過程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時間和微分時間的大小。在此使用現(xiàn)場經(jīng)驗整定法調(diào)節(jié)PID參數(shù)[2]。

原參數(shù)Gain：25%，Integration time：0 s，Derivative time：0 s，Zone：90%。溫度設定值為140℃，如圖2。此時的參數(shù)只有比例增益Gain發(fā)揮作用，沒有積分、微分作用，只是比例調(diào)節(jié)系統(tǒng)。針對這種現(xiàn)象分析調(diào)整各個參數(shù)。

3.1 分析Zone參數(shù)

Zone參數(shù)范圍是0～100%。原參數(shù)Zone將近滿負荷運行，長期這樣運行會對設備造成疲勞性損傷。一般情況下真空鍍膜機的加熱最大溫度為350～400℃[3]，現(xiàn)在試驗溫度為140℃,相比之下屬于偏低的溫度，Zone不宜設置過大。Gain為25%，Integration time為0 s，Derivative time為0 s，Zone參數(shù)分別設置為70%、50%、30%，溫度曲線圖如圖4所示。Z：70%曲線溫度升溫很快，但是隨后溫度過沖嚴重，總共32m in才穩(wěn)定于設定值；Z：50%曲線升溫較慢，略有過沖，30m in穩(wěn)定于設定值；Z：30%曲線升溫非常緩慢，共用23m in升溫至最高值136℃，始終未到達設定值。

圖4 不同Zone參數(shù)的溫度曲線圖

說明Zone參數(shù)用于調(diào)節(jié)加熱燈輸出功率。Zone參數(shù)過大時，升溫迅速，溫度過沖，調(diào)節(jié)時間過長；Zone參數(shù)過小時，升溫緩慢，溫度會不能達到設定值。

3.2 分析Gain參數(shù)

Gain參數(shù)范圍0～100%。Zone參數(shù)為30%，Integration time為0 s，Derivative time為0 s，Gain參數(shù)由小到大調(diào)節(jié)，Gain參數(shù)分別設置為25%、30%、50%，溫度曲線如圖5所示。G：25%曲線升溫緩慢，最終沒有到達設定值140℃；G：30%曲線升溫時間共用18m in，而且可以穩(wěn)定在設定值上，沒有過沖；G：50%曲線升溫時間略有縮短，可是溫度過沖至150℃，調(diào)節(jié)時間增加31m in。

圖5 不同Gain參數(shù)的溫度曲線圖

說明隨著Gain數(shù)值增大，加強系統(tǒng)的反饋作用，加快了升溫速度，但是會逐漸增大過沖值，產(chǎn)生誤差。調(diào)節(jié)方法由小至大，出現(xiàn)過沖時，Gain參數(shù)即可。

3.3 分析Integration time參數(shù)

Integration time參數(shù)范圍0～5 000 s。Zone為30%，Gain為30%，Derivative time為0 s，Integration time參數(shù)分別設置為4 000、2 000、500 s，溫度曲線如圖6所示。I：4 000 s曲線溫度升溫緩慢，共用時19min，可保證溫度非常平穩(wěn)；I：2 000 s曲線升溫加快，誤差增大，調(diào)節(jié)時間變長；I：500 s曲線升溫迅速，過沖超調(diào)量增大，共用23m in穩(wěn)定于設定值。

圖6 不同Integration time參數(shù)的溫度曲線圖

說明Integration time參數(shù)較大時，升溫緩慢，溫度逐漸趨近于設定值，消除穩(wěn)態(tài)誤差，滿足工藝需求；當參數(shù)過小時，升溫迅速，但是溫度過沖嚴重，調(diào)節(jié)失控，極度危險。調(diào)節(jié)方法參數(shù)由大至小調(diào)整，無穩(wěn)態(tài)誤差即可，而且不可過小。

3.4 分析Derivative time參數(shù)

Derivative time參數(shù)范圍0～1 000 s。Zone為30%，Gain為30%，Integration time為4 000 s，Derivative time參數(shù)分別設置為5、50、200 s，溫度曲線如圖7所示。D：5 s曲線升溫時間共用16min，并且穩(wěn)定于設定值；D：50 s曲線升溫加快，出現(xiàn)溫度過沖及震蕩現(xiàn)象；D：200 s曲線溫度過沖更加嚴重，調(diào)節(jié)時間共用28min穩(wěn)定于設定值。

圖7 不同Derivative tim e參數(shù)的溫度曲線圖

說明加熱過程是具有滯后的特性，因此加入微分后可提前預測變化趨勢。參數(shù)從0逐漸增加，升溫調(diào)節(jié)速度會加快，節(jié)省時間。但是隨著數(shù)值增加，溫度調(diào)節(jié)失控，嚴重超溫。調(diào)節(jié)方法參數(shù)由小至大調(diào)整，直至系統(tǒng)穩(wěn)定快速即可，不可過大。

3.5 綜合整定PID參數(shù)

通過以上實驗分析。設定溫度為140℃，此溫度相對是偏低的加熱溫度，因此Zone為35%；只先調(diào)節(jié)Gain至45%時，溫度稍有過沖，此時加入Integration time參數(shù)；Integration time為4 000 s時，溫度非常平穩(wěn)，沒有過沖現(xiàn)象，但是升溫時間變長，此時加入Derivative time參數(shù)；Derivative time為5 s時，調(diào)節(jié)時間縮短，并且也保證溫度沒有過沖，十分穩(wěn)定。最終再根據(jù)經(jīng)驗規(guī)律，各參數(shù)確定為Gain：40%，Integration time：4 300 s，Derivative time：5 s，Zone：35%，溫度曲線圖如圖8，與圖2相比。加熱效果滿足溫度準確達到設定值，消除溫度過沖，升溫調(diào)節(jié)時間縮短了14m in，提高效率。

圖8 140℃溫度曲線圖

3.6 不同溫度的PID參數(shù)調(diào)節(jié)

以上調(diào)試都是設定溫度為140℃，如果溫度改變，則參數(shù)也要相應的改變，再以較高些的260℃為例。按照同樣的方法，經(jīng)過多次試驗調(diào)節(jié)，確定參數(shù)為Zone：60%，Gain：20%，ntegration time：2 000 s，Derivative time：10 s，如圖9所示。說明不同的溫度，對應的溫度控制參數(shù)也不相同，需要適當?shù)男拚?/p>

4 結(jié)論

通過以上方法，實現(xiàn)了真空鍍膜機PID溫度控制，滿足工藝需要的各種加熱溫度。摸索出各個參數(shù)的調(diào)節(jié)方法及順序：Zone根據(jù)設定溫度的大小成比例調(diào)節(jié)，不宜滿負荷運行；Gain由小至大調(diào)節(jié)，升溫加快，出現(xiàn)稍微過沖震蕩即可；Integration time由大至小調(diào)節(jié)，系統(tǒng)穩(wěn)定無誤差，盡量縮短調(diào)節(jié)時間即可；Derivative time由小至大調(diào)節(jié)，系統(tǒng)快速穩(wěn)定即可，不宜過大。最終再整體優(yōu)化PID各參數(shù)，實現(xiàn)溫度平穩(wěn)升至設定溫度，消除溫度過沖，縮短升溫調(diào)節(jié)時間，達到完美的升溫加熱狀態(tài)。

圖9 260℃溫度曲線圖

[1]胡壽松.自動控制原理[M].6版.北京：科學出版社，2013.

[2]魯照權(quán).方敏.過程控制工程[M].北京：機械工業(yè)出版社，2014.

[3]張以忱.真空鍍膜技術(shù)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2009.

Application of PID temperature control in vacuum coatingmachine

WANG Chen，SUN Peng，QIN Mei-rong
(Tianjin Hengdian Space PowerCo.，Ltd.，Tianjin 300384，China)

In the field of automation control，PID controller has the characteristics of sim ple structure，easy to im plement，good controleffectand so on，themost stable controlmethod by far.The tem perature controlof the high vacuum film coatingmachine p lays a very important role in the process of coating.Precise controlof temperature has a direct impact on the quality of space solar cells.The principle and imp lementation method of PID algorithm were studied.It was applied to the temperature control system of vacuum coating machine，and the method of the corresponding parameter setting was find out.It canmeet the needs for the various temperature of process.

PID temperature control;parameter setting;vacuum coatingmachine

TM 914

A

1002-087 X(2016)07-1465-02

2016-01-31

王辰(1988—)，男，天津市人，助理工程師，學士，主要研究方向為空間太陽電池生產(chǎn)工藝。