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),此時常規(guī)的自動溫控程序不能很好地滿足其控制要求。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,從而可以很好地滿足特殊溫度系統(tǒng)下控制要求。經(jīng)實踐驗證該方法取得了良好的應(yīng)用效果。
關(guān)鍵詞:溫度 PID 控制
中圖分類號:TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1674-098X(2014)07(a)-0041-01
在工業(yè)的溫度控制中,常會使用到電熱烘箱。對于多數(shù)用戶而言,對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足這些特殊要求。此時如果只關(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)時影響到產(chǎn)品外觀質(zhì)量的一致性。此時就必須放棄自動溫度控制,而轉(zhuǎn)為手動調(diào)節(jié),實現(xiàn)對烘箱工作全程各個階段的嚴(yán)格控制,從而滿足不同用戶的個性化需求。
1 溫控系統(tǒng)中的溫度曲線
溫控過程中的動態(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—積分時間常數(shù),Td—微分時間常數(shù)??梢娡ㄟ^修改Kp、Ti和Td的值,可以獲得不同動態(tài)響應(yīng)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(shù)中的參數(shù)Kp決定。
(2)震蕩段:隨著實際溫度逐漸接近目標(biāo)值,系統(tǒng)在時間積分常數(shù)Ti和時間微分常數(shù)Td的作用下開始震蕩。同時控制器的負(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。但實際上穩(wěn)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(wěn)定范圍。穩(wěn)定段的形態(tài)主要受參數(shù)Ti控制。
簡單地說:一個良好的溫控系統(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這三個參數(shù)一旦被確定后,溫控曲線的形態(tài)即被唯一確定。反之,用戶可以根據(jù)自己實際的溫度需要,自行設(shè)計一條最適合自己工藝要求的溫度曲線,然后通過設(shè)置不同的Kp、Ti和Td的值以實現(xiàn)并獲得該控制過程。
升溫段、震蕩段和穩(wěn)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(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
在實際生產(chǎn)中常常會遇到一些特殊的溫控系統(tǒng),如復(fù)合材料表面處理時,溫度要求比較特殊,主要表現(xiàn)在以下幾個方面。
2.1 工作時間極短
與常規(guī)烘箱動輒數(shù)小時的工作時長相比,復(fù)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(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(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(wěn)定后的精度誤差變得更為嚴(yán)重。
3 手動調(diào)節(jié)PID參數(shù)實現(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,通過修改溫控儀中PID控制器上的P、I和D這三個參數(shù)的大小,可以直接獲得預(yù)想中特殊溫度控制曲線的形態(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,積分項逐漸增大,此時可獲得誤差更小的穩(wěn)態(tài)精度,同時也可抑制震蕩段的過沖,但溫度系統(tǒng)的響應(yīng)會變慢,整體抗干擾性降低。
(3)D值:主要反映了溫度系統(tǒng)偏差信號的變化率,可以產(chǎn)生超前控制,在干擾偏差還沒有形成之前,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)的動態(tài)性能。但在增加微分作用的同時,系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力同樣也會下降[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,用戶可以任意構(gòu)建一條完全滿足自己需求的溫度控制曲線。
下面,以某復(fù)合材料制品工藝要求為例,說明用戶是如何實現(xiàn)個性化的溫度控制的。
3.2 以手動調(diào)節(jié)PID實現(xiàn)理想的溫控形態(tài)
(1)以自整定為手動調(diào)節(jié)的起始點。
為了更快速地找出最佳的溫控參數(shù),最好先對溫控儀做一次常規(guī)的PID自整定,得到常規(guī)溫度曲線的P、I和D的值,在此基礎(chǔ)上再對其做進(jìn)一步的修正可以大為節(jié)省調(diào)試時間。
(2)始終按照先P、再I、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。手動調(diào)節(jié)時,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)振蕩周期超過要求后再減小;最后調(diào)節(jié)D值,根據(jù)超調(diào)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(fā)生震蕩的情況下,取得最大和最強烈的控制效果。
(3)經(jīng)現(xiàn)場反復(fù)調(diào)試表明,對復(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)將來可能不夠穩(wěn)定。
(4)反復(fù)優(yōu)化。
通過上述調(diào)節(jié)后就可以得到P、I和D的粗略值了,接下來只需要結(jié)合現(xiàn)場的實際情況對這3個值進(jìn)行更細(xì)致的優(yōu)化即可。
4 結(jié)語
在特殊的溫度系統(tǒng)中,對溫度的要求較為嚴(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(diào)節(jié)控制參數(shù)。通過反復(fù)實踐和摸索,總結(jié)了一些手動調(diào)節(jié)溫控參數(shù)的經(jīng)驗、方法和步驟,調(diào)試時遵循這些經(jīng)驗和方法,可大為化簡設(shè)備的調(diào)試過程。
參考文獻(xiàn)
[1] 科昊.PID控制原理[D].廈門科昊自動化有限公司,2008.endprint