溫度控制PID自整定原理介紹

　　整定PID（三模式）控制器

　　整定溫度控制器涉及設(shè)置比例、積分和微分值，以得到對(duì)特定過(guò) 程的可能的最佳控制。如果控制器不包含自動(dòng)整定算法，或者自 動(dòng)整定算法未提供適合特定應(yīng)用的足夠控制，則必須用試誤法對(duì) 裝置進(jìn)行整定。

　　下面是溫度控制器的標(biāo)準(zhǔn)整定步驟。也可以采用其他整定步驟， 但都使用類似的試誤法。請(qǐng)注意，如果控制器使用機(jī)械式繼電器 （而非固態(tài)繼電器），開始時(shí)應(yīng)使用較長(zhǎng)的循環(huán)時(shí)間（20秒）。

　　可能需要用到以下定義 ：

　　循環(huán)時(shí)間 – 也稱為工作周期，是控制器完成一個(gè)通斷循環(huán)所 用的總時(shí)間長(zhǎng)度。示例： 對(duì)于20秒的循環(huán)時(shí)間，10秒接通時(shí) 間和10秒切斷時(shí)間代表50%的功率輸出。在比例帶內(nèi)時(shí)，控 制器將循環(huán)接通和切斷。

　　比例帶 – 以滿量程的%或度表示的溫度范圍，控制器的比例 作用發(fā)生在此范圍內(nèi)。比例帶越寬，在其內(nèi)發(fā)生比例作用的 圍繞設(shè)定值的區(qū)域越大。有時(shí)也用增益表示，增益是比例帶 的倒數(shù)。

　　積分，又稱為復(fù)位，是根據(jù)設(shè)定值調(diào)節(jié)比例帶寬以補(bǔ)償偏離 設(shè)定值的偏移量（固定偏差）的一個(gè)函數(shù)，也就是說(shuō)，它在 系統(tǒng)穩(wěn)定后將控制的溫度調(diào)節(jié)到設(shè)定值。

　　微分，又稱為速率，感應(yīng)系統(tǒng)溫度上升或下降的速率，并自 動(dòng)調(diào)節(jié)比例帶，從而將下沖或過(guò)沖降到最小。

　　PID（三模式）控制器如果正確整定和使用的話，能具有優(yōu)異的 控制穩(wěn)定性。通過(guò)認(rèn)真遵守這些指示，操作人員便可實(shí)現(xiàn)最快的 響應(yīng)時(shí)間和最小的過(guò)沖。整定這種三模式控制器的信息可能不同 于其它控制器整定步驟。對(duì)于主輸出，通常用自整定功能就可省 去使用此手動(dòng)整定步驟的需要，但是，需要時(shí)可對(duì)自整定值進(jìn) 行調(diào)整。

　　A.整定加熱控制的輸出

　　啟用輸出并啟動(dòng)過(guò)程。

　　過(guò)程應(yīng)在設(shè)定值處運(yùn)行，將用所需熱量輸入讓溫度穩(wěn)定。

　　在速率和復(fù)位斷開的情況下，溫度將穩(wěn)定，并在設(shè)定值和實(shí)際 溫度之間存在穩(wěn)態(tài)偏差，或固定偏差。通過(guò)觀察顯示屏上的測(cè) 量值，密切注意此溫度是否存在規(guī)則的循環(huán)或振蕩。（振蕩可 長(zhǎng)達(dá)30分鐘。）

　　4.如果溫度沒有規(guī)則的振蕩，將PB除以2（見圖1）。讓過(guò)程 穩(wěn)定下來(lái)，然后再檢查是否有溫度振蕩。如果仍無(wú)振蕩， 再將PB除以2。重復(fù)此操作，直到得到循環(huán)或振蕩。轉(zhuǎn)至 第5步。

　　5.如果馬上觀察到振蕩，將PB乘以2。觀察得到的溫度幾分 鐘。如果振蕩持續(xù)，以系數(shù)2不斷乘PB，直到振蕩停止。

　　此時(shí)，PB非常接近其臨界設(shè)置。小心地增大或減小PB設(shè) 置，直到溫度記錄中剛剛出現(xiàn)循環(huán)或振蕩為止。

　　如果甚至在1%的最小PB設(shè)置時(shí)過(guò)程溫度仍不發(fā)生振蕩， 請(qǐng)?zhí)^(guò)下面的第6步到第11步，轉(zhuǎn)至第B條。

　　在已經(jīng)達(dá)到的“臨界”BP設(shè)置下，讀取設(shè)定值與實(shí)際溫度 之間的穩(wěn)態(tài)偏差，或固定偏差。（由于溫度有一點(diǎn)循環(huán)， 請(qǐng)使用平均溫度。）

　　測(cè)量相鄰波峰或波谷之間的振蕩時(shí)間，以分為單位 （見圖2）。使用圖表記錄儀最容易進(jìn)行這種測(cè)量，但可每 隔一分鐘讀取一次測(cè)量值，以掌握時(shí)間。

　　此時(shí)，增大PB設(shè)置，直到溫度偏差（或固定偏差）增大 65%。

　　用在“臨界”BP設(shè)置下得到的初始溫度偏差乘以1.65或者 使用方便的線列圖I（見圖4）就可計(jì)算出所需的最終溫度偏 差。用試誤法嘗試幾次PB控制的設(shè)置，直到得到所需的最終 溫度偏差。

　　此時(shí)您已經(jīng)完成了得到控制器最佳性能所需的所有測(cè)量。 只需再做兩項(xiàng)調(diào)整 – 速率和復(fù)位。

　　使用第7步中測(cè)得的振蕩時(shí)間，按以下方法計(jì)算復(fù)位值， 以每分鐘重復(fù)次數(shù)為單位。

　　將此值輸入給RESET 1。

　　再使用第7步中測(cè)得的振蕩時(shí)間，按以下方法計(jì)算速率的 值，以分為單位。

　　將此值輸入給RATE 1。

　　如果出現(xiàn)過(guò)沖，可通過(guò)減少?gòu)?fù)位時(shí)間來(lái)消除。當(dāng)對(duì)復(fù)位值 進(jìn)行了更改時(shí)，也應(yīng)對(duì)速率調(diào)整進(jìn)行相應(yīng)的更改，使速率值 等于：

　　即：如果復(fù)位 = 2 R/M，則速率= 0.08分鐘

　　若想在對(duì)系統(tǒng)擾動(dòng)的“響應(yīng)時(shí)間”和“設(shè)置時(shí)間”之間得到 正確的平衡，可能需要進(jìn)行多次設(shè)定值更改和隨之發(fā)生的復(fù) 位和速率控制時(shí)間調(diào)整?？焖夙憫?yīng)常常伴隨著較大的過(guò)沖， 過(guò)程“穩(wěn)定下來(lái)”所需的時(shí)間也較短。相反，如果響應(yīng)較 慢，過(guò)程趨向于慢慢滑行到最終值，過(guò)沖很小或者沒有過(guò) 沖。應(yīng)由系統(tǒng)的要求決定采取哪種動(dòng)作。

　　當(dāng)?shù)玫綕M意的整定時(shí)，應(yīng)增大循環(huán)時(shí)間以節(jié)省接觸器的壽命 （適用于只有時(shí)間比例輸出的裝置（TPRI））。在不造成測(cè)量 值因負(fù)載循環(huán)而振蕩的情況下，應(yīng)盡量增大循環(huán)時(shí)間。

　　轉(zhuǎn)至第C節(jié)。

　　B. 未觀察到振蕩時(shí)的整定步驟

　　在最小PB設(shè)置下，測(cè)量設(shè)定值與實(shí)際溫度之間的穩(wěn)態(tài)偏 差，或固定偏差。

　　增大PB設(shè)置，直到溫度偏差（固定偏差）增大65%。線列 圖I（見圖4）提供了計(jì)算所需最終溫度偏差的簡(jiǎn)便方法。

　　將RESET 1設(shè)置為一個(gè)較高的值（10 R/M）。將RATE 1設(shè) 置為一個(gè)對(duì)應(yīng)的值（0.02分）。此時(shí)，因復(fù)位作用，測(cè) 量值應(yīng)穩(wěn)定在設(shè)定溫度。

　　由于我們無(wú)法確定臨界振蕩時(shí)間，必須用試誤法確定復(fù) 位和速率調(diào)整的最佳設(shè)置。在溫度穩(wěn)定在設(shè)定值后，將 設(shè)定溫度的設(shè)置增加10度。觀察實(shí)際溫度上升過(guò)程中伴 隨的過(guò)沖。然后將設(shè)定溫度的設(shè)置返回其初始值，再觀 察實(shí)際溫度上升過(guò)程中伴隨的過(guò)沖。 過(guò)沖過(guò)大表明復(fù)位和/或速率值設(shè)置得太高。過(guò)阻尼響應(yīng) （無(wú)過(guò)沖）表明復(fù)位和/或速率值設(shè)置得太低。請(qǐng)參看圖 7。需要改善性能時(shí)，一次改變一個(gè)整定參數(shù)，并觀察設(shè) 定值改變時(shí)該參數(shù)對(duì)性能的影響。讓參數(shù)遞增變化，直 到性能得到優(yōu)化。

　　當(dāng)?shù)玫綕M意的整定時(shí)，應(yīng)增大循環(huán)時(shí)間以節(jié)省接觸器的壽 命（適用于只有時(shí)間比例輸出的裝置（TPRI））。在不造成 測(cè)量值因負(fù)載循環(huán)而振蕩的情況下，盡量增大循環(huán)時(shí)間。

　　圖7：設(shè)置復(fù)位和/或速率

　　C. 整定冷卻控制的主輸出

　　使用與加熱相同的步驟。過(guò)程應(yīng)在一個(gè)設(shè)定值處運(yùn)行，要求 在溫度穩(wěn)定前進(jìn)行冷卻控制。

　　D. PID控制器的簡(jiǎn)化整定步驟

　　下面的步驟是分析過(guò)程對(duì)步進(jìn)輸入的響應(yīng)曲線的圖形方法。 使用長(zhǎng)圖記錄儀讀取過(guò)程變量（PV）會(huì)更加簡(jiǎn)單。

　　從冷啟動(dòng)（PV在室溫下）開始，在控制器不在環(huán)路中的 情況下（即開環(huán)時(shí)）以最大功率給過(guò)程供電。記錄此開 始時(shí)間。

　　經(jīng)過(guò)一些延遲后（讓熱量到達(dá)傳感器），PV將開始上 升。再經(jīng)過(guò)一段延遲后，PV將達(dá)到最大變化速率 （斜率）。記錄出現(xiàn)該最大斜率時(shí)的時(shí)間以及此時(shí)的 PV。記錄最大斜率，以度/分為單位。關(guān)閉系統(tǒng)電源。

　　從最大斜率點(diǎn)開始向后到環(huán)境溫度軸畫一條線，得到總 系統(tǒng)延時(shí)Td（見圖8）。也可以用下面的公式得到延時(shí)： Td = 達(dá)到最大斜率時(shí)的時(shí)間-（最大斜率處的PV – 環(huán)境溫度）/ 最大斜率s

　　應(yīng)用下面的公式獲得PID參數(shù)：

　　比例范圍 = Td x 最大斜率x 100/量程 = 量程的%

　　復(fù)位 = 0.4 / Td =次/分

　　速率 = 0.4 x Td = 分

　　重啟系統(tǒng)，在控制器處在環(huán)路中的情況下將過(guò)程帶到設(shè) 定值，并觀察響應(yīng)。如果響應(yīng)過(guò)沖太大或者振蕩，可以 在以下方向改變PID參數(shù)（稍稍改變，一次改變一個(gè)參 數(shù)，并觀察過(guò)程響應(yīng)）：加寬比例帶，降低復(fù)位值，并增大速率值。

　　示例： 圖8中的圖表記錄是在以最大功率給加熱爐供電時(shí)獲 得的。圖表比例尺為10？F/cm和5分/cm?？刂破鞣秶鸀?100 ~ 600？F，或者說(shuō)500？F的量程。

　　示例： 圖8中的圖表記錄是在以最大功率給加熱爐供電時(shí)獲 得的。圖表比例尺為10°F/cm和5分/cm。控制器范圍為 100 ~ 600°F，或者說(shuō)500°F的量程。

　　最大斜率 = 18°F/5分

　　= 3.6°F/分

　　延時(shí) = Td = 大約7分

　　比例帶 = 7分x3.6°F/分 x 100/500°F = 5%。

　　復(fù)位 = 0.4 /7分 = 0.06次/分

　　速率 = 0.4 x 7分 = 2.8分

　　圖8：系統(tǒng)延時(shí)