PDF《温度控制器（数位温控器）技术指南》

CSM_Temperature_TG_TW_6_2

1 温度控制器 (数位温控器)技术指南 温度控制器 (数位温控器) 概要 温度控制的架构例 以下为温度控制的基本架构.

依露瓤刂破鞯幕植煌,可连接的感测器、操作器也会有所差异. 温度控制 将设定值输入温度控制器后便可使其产生动作 , 但依刂贫韵蟮 特性,也可能会无法使控制对象的温度立即进入稳定状态.一般来 说如果要加快应答速度 , 会产生温度过冲现象或是温度发生上下震 动的颤动现象,但如果要消除这些现象,却又不得不降低应答速 度.依猛静煌,可能会有如图 (1)所示,即使会产生过冲现 象也要尽速开始进行稳定控制的状况,也可能会有如图 (3)所示,即使要花费时间也要抑制过冲现象的状况.亦即温度控制的评 估会随用途、目的而改变.一般而言,会认为图 (2)是较适当的 控制波形. (1 ) 震动性应答 (重复 数次超越后 , 开始趋 於稳定 (颤动) ) (2 ) 适当的应答 (3 ) 经过一段时间后才 能到达变更后设定 值的应答 (缓慢) 控制对象的特性 为了执行适当的温度控制,在挑选温度控制器及温度感测器前, 须事先了解控制对象在热性质上具备何种特性. 操作器 操作讯号 控制对象 加热器 温度控制器 操作器 是将炉、水槽加热或冷却的机器,例如控 制加热器通电电流之导通、断线的电磁开 关器、执行停止供应燃料的控制阀等. 温度感测器 是种能够将温度转换为电子讯号的元件, 并使用保护管加以保护.使用时请将此元 件设置在欲保持一定温度围的地方(检 测部位). 温度控制器(数位温控器) 接收温度感测器的电子讯号并与设定温 度进行比较后,送出温控讯号至操作器 的机器. ?热电偶 ?白金测温阻抗体 ?热敏电阻 ?SSR ?循环控制器 ?电力调整器 ?继电器输出 ?电压输出 ?电流输出 时间 温度时间 温度时间 温度控制对象的特性 热容量 静特性 动特性 干扰 …… …… …… …… 表示加热的容易度,与炉的容积大小相关. 表示加热的能力,取决於加热器容量的大小. 表示加热初期的启动特性(暂态应答). 与加热器容量、炉容量的大小具复杂相关性. 让温度产生变化的原因. 例如:打开、关闭恒温槽的槽门,便会产生干扰. 温度控制器 (数位温控器)技术指南

2 如图中所示,当现在温度低於设定值时,会使输出转为ON并向加 热器通电.高於设定值时,会将输出切为OFF并切断加热器.此种 以设定值为交界点重复ON、OFF以保持一定温度的控制方式,即为ON/OFF动作.另外,因为是以设定值为交界点用0%与100%的 操作量进行动作,故也称为二段位置动作. 利用与输入成比例大小的输出进行控制的动作. 针对设定值设有比例带,其中操作量 (控制输出量)会依 之比例进行动作,此即为比例动作. 一般而言,当现在温度低於比例带时操作量为100%,进入比例带 后操作量会和偏差成比例逐渐减少,当现在温度与设定值一致(无 偏差)时,操作量为50%.亦即和ON/OFF动作相比较下,可执行 颤动较轻微的圆滑控制. (例)将温度围0~400℃ 温控器的比例带设为5%时,其比例带宽幅换算成 温度为20℃.此时将设定值设定在100℃ 的话,到达90℃ 前输出为完 全ON;

超过90℃ 时会开始产生OFF时间;

到达100℃ 时ON与OFF的时 间会相同 (50%) . 利用与输入的时间积分值成比例的输出进行控制的动作. 如果只使用比例动作的话会产生偏差. 此时如果将比例动作搭配积分动作使用 , 偏差便会随著时间经过而 消失,使控制温度与设定值趋向一致. 利用与输入的时间微分值成比例的输出进行控制的动作. 比例动作及积分动作都是修正控制结果的修正动作 , 因此在面对快 速的温度变化时,其应答一定都会延迟.微分动作便是为弥补此项 缺点而生 . 会新增与温度变化的倾斜度成比例的操作量来执行修正 动作.是种对於急遽干扰施予高操作量,以尽快恢复原本控制状态 的动作. ON/OFF动作 P动作 (比例动作) 感度调整 ON?OFF动作的控制特性 设定值时间 ON 加热器 OFF 操作量100% 50% 0% ON OFF 温度 比例带 设定值 100℃ 110℃ 90℃ 比例动作 设定值 设定值 偏差 时间 降低比例带设定 降低比例带设定 提高比例带设定 提高比例带设定 操作量100 (%)

50 0 I动作 (积分动作) D动作 (微分动作) 设定值 时间 时间 操作量100 (%)

50 0 设定值 时间 缩短积分时间设定 拉长积分时间设定 偏差会消失 比例+积分动作 (PI) 仅比例动作 (P) 偏差 缩短积分时间设定 拉长积分时间设定 设定值 设定值 时间 拉长微分时间设定 时间 操作量100 (%)

50 0 缩短微分时间设定 拉长微分时间设定 时间 缩短微分时间设定 比例+微分动作 (PD) 仅比例动作 (P) 干扰 温度控制器 (数位温控器)技术指南

3 PID控制是将比例动作、积分动作、微分动作进行组合搭配的控制 动作.能够以比例动作执行无颤动的圆滑控制,以积分动作自动修 正偏差,以微分动作提高对於干扰的应答速度. 在以往的PID控制方式上,皆使用同一个温控部位来控制对目标值 及干扰的应答.因此在温控部位的PID参数设定上,A如果重视对 干扰的应答 (一般会将P、I降低,将D提高) ,便会使对目标值的 应答产生震动(出现过冲现象) ;

反之,B如果重视对目标值的应 答(一般会将P、I提高) ,便会使对干扰的应答产生延迟,具有无 法同时满足双方应答性的缺点. 为了克服此缺点,可藉由导入2 PID控制方式,既保留PID的优点, 又达成C同时兼顾对目标值及干扰的应答. PID控制 A 如果提升对干扰的应答品质,便会降低对目标值的应答品质. B 如果提升对目标值的应答品质,便会降低对干扰的应答品质.

2 PID控制 C 本动作能够同时确保对目标值应答及干扰应答的控制性能. PID控制 PID动作

2 PID控制 目标值应答 干扰应答 温度控制器 (数位温控器)技术指南

4 温度控制器 (数位温控器) 用语说明 控制相关用语说明 感度调整 使用ON/OFF控制时因为是依瓒ㄖ道纯刂ON、OFF,所以即 使是些微的温度变化也会频繁改变输出状态 . 这会使输出继电器的 寿命变短,或给所连接的装置带来不好的影响.为了防止上述原 因,便会在ON、OFF的动作间加入空隙 (迟) .此种动作空隙 便称为感度调整. 感度调整 (反动作) (例)感度调整=0.8℃ 时. 感度调整 (正动作) (例)感度调整=0.8℃ 时. 偏差 在使用比例动作时 , 即使温度因为控制对象的热容量及加热器容量 而达到稳定状态,但仍会和设定值有一定的误差.此种误差便称为 偏差.偏差也有可能发生在设定值上方. 颤动与过冲 在ON/OFF动作中常会产生如图中所示的波形.图中在动作开始后 达到并超过设定值的现象,称为过冲;

另外在设定值附近产生上下 震动的现象,则称为颤动.这些现象越小,控制品质便越高. ON-OFF动作中的颤动与过冲 控制周期与时间分割比例动作 在P动作等状态下,使用继电器、SSR来输出操作量时,会采用在 设定的时间周期内输出一定时间的ON及OFF (ON的剩余时间为 OFF) ,并不断重复此ON、OFF过程的方法.此种预先设定好的 时间周期便称为控制周期 , 而此种动作方式则称为时间分割比例动 作 (时间比例式控制动作) . 微分时间 如图中所示,针对斜率状的偏差,微分的操作量达到和比例动作相 同的操作量为止所需的时间,便是微分时间.因此微分时间越长, 便表示微分动作带来的修正越强. PD动作与微分时间 ON OFF 温度 99.2℃ 感度调整 控制输出100℃ ON OFF 温度 100℃ 100.8℃ 感度调整 控制输出设定值ON 比例带 偏差 偏差 OFF 过冲 颤动 设定 温度 设定值 温度 比例带 实际温度 ON OFF 随著温度逐渐提升,ON时间会逐渐缩短 T T T T T T T T T : 控制周期 TON+TOFF TON TON :ON时间 TOFF :OFF时间 操作量= *100(%) (例)在控制周期10秒、 操作量80%时 ,输 出的 ON 时间及 OFF 时间如下列 所示. TON:8 (秒) TOFF:2 (秒) TD1 (缩短微分时间设定) TD :微分时间 P动作 PD动作 (拉长微分时间设定) PD动作 (缩短微分时间设定)

0 D2动作 D1动作 TD2 (拉长微分时间设定) 偏差操作量温度控制器 (数位温控器)技术指南

5 积分时间 如图中所示,面对阶梯状的偏差时,积分的操作量达到和比例动作 相同的操作量为止所需的时间,便是积分时间. 因此积分时间越短,表示积分动作越强.但如果积分时间太短会使 修正动作过强,可能因此产生颤动. PI动作与积分时间 稳定控制 全时间以指定温度进行控制. 程式控制 追踪会随著每段预先设定时间发生变化的目标值的控制方式. 控制温度的PID常数会因为控制对象的特性不同而在数值、搭配组 合上产生差异 . 至今为止为了从实际控制的温度波形中导引出这些 PID常数,发明了各种方法.PID常数即便用在各种不同的控制对 象上也能达到适当控制,而使用这些方法导引出PID常数的功能, 便称为自动调节.代表方法有阶梯应答法、极限感度法、限制周期 法等. 阶梯应答法 将设定值设为最常使用的数值.将操作量100%以阶梯状进行输 出,并测量最大温度倾斜 (R)及浪费时间 (L) ,便可依R与 L的值算出PID常数. 极限感度法 自开始时点(A点)开始执行比例动作.逐渐缩小比例带的宽幅让 温度产生上下震动.便可依耸钡谋壤导罢鸲芷 (T) 计算出PID常数. 限制周期法 自开始时点 (A点)开始执行ON/OFF动作.便可依⑸牟 动周期 (T)及振幅 (D)的数值计算出PID常数. 重新调整PID常数 使用自动调节所算出的PID常数,在大部分的状况下都不会发生问题. 但是依猛静煌,也可能会发生「使用测量出的PID常数执行控 制却无法满足需求」等情形.此时请参考下列例子,重新调整PID. 让P (比例带)产生变化时的应答 让I (积分时间)产生变化时的应答 让D (微分时间)产生变化时的应答 自动调节 T11 (缩短积分时间设定) T1 : 积分时间 P动作 PI动作 (拉长积分时间设定) PI动作 (缩短积分时间设定)

0 T12 (拉长积分时间设定) 偏差操作量时间 L R 设定值时间 极限感度法 A TC 设定值提高时 温度会慢慢提升 , 虽然会 拉长整定时间 , 但是不会 发生过冲现象 . 降低时 虽然会产生过冲及颤动现 象,但能迅速到达设定值 并稳定下来 . 提高时 会拉长到达设定值的时间 . 虽然会拉长整定时间 , 但 是颤动 、 过冲及下冲的程 度会变小 . 降低时 会产生过冲 、 下冲现象 . 会产生颤动现象 . 能迅速达到设定值 . 提高时 虽然会缩短下冲的整定时 间,但是本身也会产生细 微的颤动 . 降低时 会拉长下冲的整定时间 , 需耗费较多时间才能回复 至设定值 . 时间 颤动周期 A 振幅 设定值设定值设定值设定值设定值设定值干扰 设定值干扰 温度控制器 (数位温控器)技术指南

6 为了适当控制温度,必须配合控制对象的特性来决定PID常数.以 往的温控器会配备自动调节功能来算出PID常数.此时必须由使用 者向温控器下达执行自动调节的指示 , 另外也可能会像限制周期法 一样,产生温度上的紊乱. 乏晰自动调校功能是种能让温控器自己决定开始调校的时间 , 同时 在控制中亦不会产生温度紊乱的调校功能 . 亦即为了能够随时执行 适当的控制,........