特殊溫控系統的手動PID調節特性研究

李衛平

摘 要：工業中常遇到一些特殊的溫度控制系統，此時常規的自動溫控程序不能很好地滿足其控制要求。該文以復合材料表面處理的溫度調節為例，建立了一種以手工方式調節PID參數的快速方法，從而可以很好地滿足特殊溫度系統下控制要求。經實踐驗證該方法取得了良好的應用效果。

關鍵詞：溫度 PID 控制

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）07（a）-0041-01

在工業的溫度控制中，常會使用到電熱烘箱。對于多數用戶而言，對烘箱的要求僅僅局限于目標溫度的精確性和穩定性上。但在一些特殊的溫控系統中，烘箱溫控儀中的常規控制程序常常不能很好地滿足這些特殊要求。此時如果只關注目標溫度的精確性和穩定性，很容易在批量化生產時影響到產品外觀質量的一致性。此時就必須放棄自動溫度控制，而轉為手動調節，實現對烘箱工作全程各個階段的嚴格控制，從而滿足不同用戶的個性化需求。

1 溫控系統中的溫度曲線

溫控過程中的動態傳遞函數為：G（s）=Kp[1+（1/Ti）s+Tds]。其中Kp—偏差增益比例系數，Ti—積分時間常數，Td—微分時間常數。可見通過修改Kp、Ti和Td的值，可以獲得不同動態響應的溫度控制曲線。該加熱曲可以劃分為3個階段：

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

（2）震蕩段：隨著實際溫度逐漸接近目標值，系統在時間積分常數Ti和時間微分常數Td的作用下開始震蕩。同時控制器的負反饋使得這種震蕩逐步收斂并最終穩定在目標溫度左右。

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

簡單地說：一個良好的溫控系統，要求升溫段系統響應要“快”，震蕩段要“準”， 而穩定段則要“穩”。

當Kp、Ti和Td這三個參數一旦被確定后，溫控曲線的形態即被唯一確定。反之，用戶可以根據自己實際的溫度需要，自行設計一條最適合自己工藝要求的溫度曲線，然后通過設置不同的Kp、Ti和Td的值以實現并獲得該控制過程。

升溫段、震蕩段和穩定段這三者之間并非各自獨立存在，它們是相互影響的，主要表現為：若要讓系統響應變“快”，就必然要犧牲系統的“準”和“穩”；反之亦反。

2 特殊溫控系統的特點

在實際生產中常常會遇到一些特殊的溫控系統，如復合材料表面處理時，溫度要求比較特殊，主要表現在以下幾個方面。

2.1 工作時間極短

與常規烘箱動輒數小時的工作時長相比，復合材料表面處理的單件工時僅僅為十幾分鐘，升溫段和震蕩段占全程時間的1/4至1/3，此時升溫段和震蕩段對整個溫度系統的影響就絕不能再象常規的烘箱那樣被忽略掉。

2.2 升溫速度和溫度過沖二者相互對立

表面處理的單件工時通常是落后于纏繞工時的，因此表面處理環節總是生產中最大的瓶頸。從提高生產效率的角度講，應盡量減少表面處理的時間，唯一的方法只能是通過提高升溫段的升溫速度，但這就勢必造成震蕩段的過沖和穩定后的精度誤差變得更為嚴重。

3 手動調節PID參數實現特殊的溫度控制

3.1 PID調節在表面處理設備溫度系統中的應用原理

在表面處理設備中，通過修改溫控儀中PID控制器上的P、I和D這三個參數的大小，可以直接獲得預想中特殊溫度控制曲線的形態。

（1）P值：表示為按誤差比例的大小反映表面處理設備內部工作溫度的當前偏差，它直接決定了升溫階段的速度。系統一旦出現偏差，比例調節立即產生作用以減少偏差。增大P值則升溫速度放慢，同時也可抑制震蕩和超調，系統也變得更加穩定，但系統的響應會隨之減慢。

（2）I值：主要用于消除表面處理設備溫度系統最后的穩態誤差，以提高系統的無差度。只要系統還有誤差，積分調節就一直進行。故增大I值，積分項逐漸增大，此時可獲得誤差更小的穩態精度，同時也可抑制震蕩段的過沖，但溫度系統的響應會變慢，整體抗干擾性降低。

（3）D值：主要反映了溫度系統偏差信號的變化率，可以產生超前控制，在干擾偏差還沒有形成之前，就已被微分調節作用消除掉。因此它可以大為改善整體溫度系統的動態性能。但在增加微分作用的同時，系統的穩定性和抗干擾能力同樣也會下降[1]。

由上可知，在復合材料制品表面處理設備中，溫控儀中P、I和D這三個參數在以環扣環方式的共同作用下控制著系統的溫度變化，因此理論上只要電加熱管的功率足夠大，用戶可以任意構建一條完全滿足自己需求的溫度控制曲線。

下面，以某復合材料制品工藝要求為例，說明用戶是如何實現個性化的溫度控制的。

3.2 以手動調節PID實現理想的溫控形態

（1）以自整定為手動調節的起始點。

為了更快速地找出最佳的溫控參數，最好先對溫控儀做一次常規的PID自整定，得到常規溫度曲線的P、I和D的值，在此基礎上再對其做進一步的修正可以大為節省調試時間。

（2）始終按照先P、再I、最后D的順序逐一調節。

將自整定后的溫度系統與理想系統的要求之間進行比較。手動調節時，先根據系統差異修改P值，建議先減小直到出現震蕩時再增大；然后修改I值，建議先增大，若發現振蕩周期超過要求后再減?。蛔詈笳{節D值，根據超調量的實際要求慢慢減小D值。這樣就基本上可以獲得在不發生震蕩的情況下，取得最大和最強烈的控制效果。

（3）經現場反復調試表明，對復合材料表面處理的溫度系統而言，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則應小于90。在調節過程中，如果明顯超越了上述范圍應考慮重新調節，否則獲得溫控狀態將來可能不夠穩定。

（4）反復優化。

通過上述調節后就可以得到P、I和D的粗略值了，接下來只需要結合現場的實際情況對這3個值進行更細致的優化即可。

4 結語

在特殊的溫度系統中，對溫度的要求較為嚴格，常規PID自整定后所得到的溫控參數不能很好地滿足上述要求。

為更好地滿足這些特殊溫控要求，須采用PID手動調節控制參數。通過反復實踐和摸索，總結了一些手動調節溫控參數的經驗、方法和步驟，調試時遵循這些經驗和方法，可大為化簡設備的調試過程。

參考文獻

[1] 科昊.PID控制原理[D].廈門科昊自動化有限公司，2008.endprint