台达温控器PID控制原理及在塑料机械上的应用

   1.引言

       塑料有其*的热塑性物理化学特性。在塑料行业的生产过程中，加工温度的控制

，是决定产品质量zui重要的环节之一。塑料挤出机一般有单螺杆和双螺杆之分，主要用来挤制软、硬聚氯乙烯、聚乙烯等热塑性塑料之用，与相应的辅机（包括成型机头）配合，可加工多种塑料制品，如膜、管、棒、板、丝、带电线电缆电缆绝缘层及中空制品等，亦可用于造粒。台达DTA等系列温控器利用PID控制算法，保证在复杂生产环境中，控制原料生产温度，避免因为温度过高或者过低造成废品率高的现象。一台挤出机中使用多个DTA温控器控制加热，并且于每个加热器上，对应配有一组散热风扇，或者水冷装置。

    2.塑料挤出机温度控制原理

    2.1控制要求

       基于原材料的物理物理化学特性，要求控制温度不能超过设定温度正负2摄氏度。温度过低，挤出口出料不畅，造成前端挤出机构负载过大；温度过高，则可能改变原料特性导致成品报废。

    2.2控制方法分析

       1.控制方法效果比较。根据对象特性与现场考察，如果控制方式选择较为容易操作的ON-OFF控制方式，此方式会导致目标温度振荡超差。在理想的工艺控制范围，ON-OFF控制是无法达到稳定的，而PID控制会比ON-OFF更加的。

        2.PID控制参数自整定的适用性分析。虽然台达DTA系列温控器具有智能化PID参数自整定功能，但是由于不支持双程对象控制，因此当选择PID自整定控制方式时，反而会造成精度误差更大。原因是DTA温控器不支持双输出的功能，所以只可单选加热，挤出机上方配备的冷却风扇则是利用DTA的警报输出来触发，作为冷却输出。而DTA的自整定，必须在自然冷却或者冷却方式相对恒定的环境进行，而利用警报来做冷却控制，实际已变成突发事件，不在正常的情形之下，如此会造成降温时间及振荡周期变短，将造成振荡情形更加的剧烈。

       3.PID控制参数人工整定的适用性分析。由于挤出机设备出厂值是一般能达到控制要求的，所以于此设备中，以出厂值即可达到所需的要求，反倒是执行自整定会测得不正确参数，造成温度的上下振荡。如果对于有些场合，温度上升需要加快的话，适当调小P值即可。

       4.由于塑料设备冷却速度非常的慢，所以超温时利用警报输出来触发风扇加速冷却。需要注意DTA中使用警报进行风扇冷却，须将ALARM范围设定的较大（如超出4度时才执行），因为除非异常情形，平时温度是不易超出此范围的，如果ALARM设定过小(如1度)，超出设定值即冷却，会造成冷却速度太快，产生温度振荡。

    3.DTA仪器仪表PID控制原理及调整方式

    3．1比例带PB参数原理定义
       控制器的P值其实就是比例带(PB)；I值为积分时间(Ti)；D值为微分时间(Td)。P值指的是比例，若是P设定为20，SV（目标温度）设定为150度，此时于150-20=130度之前，输出将以全输出的方式来执行，所以若是我们将P值调整的太小，则将会产生温度加热过高的情形。出厂值P为47.6，若我们欲达到的温度为100度，则于100-47.6=52.4度时即展开比例控制输出量，所以除非加热速度很快，否则不会造成上下振荡的情形。
 
       比例带PB控制输出量的大小是控制温度精度的基础因素，根据PID算法的输出量公式如下：

       由以上可得知，I及D为零时，输出量即为1/PBe，故只有P控制。而e=PV(现在值)–SV(设定值)，所以也可得知，当目前温度已等于设定温度时，e值即为零，此时P控制中即无输出量，P无输出量是无法将温度一直保持在设定值的，此时便需利用I控制来执行补偿的动作。

    3.2积分常数I参数原理定义

       I值指的是积分量。由上述公式中可得知，输出量是由P量+I量+D量，所以当未进入比例控制时，是不执行I控制的，因这时系统已处于全输出状态，I量无法再增加上去。那么，控制的积分量将于何时来激活积分动作呢？如图5所示，积分动作触发时机为温度先由上升至反转下降的时候，我们可推论，于加热开始时，原本温度即会产生超调现象，若此时再增加积分量，那么温度也就过高更多了。因此当我们激活积分动作时，此时公式中1/Ti*1/PB∫edt也随之运算，式中也可知Ti是位于算式中分母的位置，所以当Ti值愈小时，所算得的积分量愈大；反之，Ti值愈大，则计算的积分量则愈小。

       本文示例设备的出厂的I默认值为260，是为避免积分量太大，会造成加热温度过高产生振荡，而又为何在此挤出机中执行AutoTuning会测得过小的I值呢？I值是由（周期时间/2）计算取得，而塑机中的温度下降速度（不激活风扇）是相当缓慢的，所以I值将相当的大，但我们利用风扇加速风扇的冷却，此时周期时间大大的缩短，I值相对的也大大的变小了，因此振荡情形也更加的剧烈了。

      自动整定(AutoTuning)的动作完成后，控制器也将自动填入一值至参数Iof中，目的是当我们以PID方式控制时，我们知道于系统稳定时(PV现在值=SV设定值)，此时P量是为零的，所以必须藉由I量来控制稳定所需输出量，此输出量可由系统稳定时参数OUT来得知，以此挤出机为例，当系统稳定时，进入参数观察输出量13%，因此系统将此值(13)自动填入Iof参数中，当我们重新再激活系统时，输出量将为P量+Iof量，如此可加速加热的过程时间。

    3.3微分常数D参数原理定义

       D值指的是微分量。当系统温度产生变化时，将激活D量控制

。若于加热的系统中，温度快速的下降，此时U(输出量)=P量+I量+D量。相反的，系统中温度快速的上升，此时U(输出量)=P量+I量-D量，因此D量是用来控制温度急剧变化时，输出的快速反应以减少和设定值的误差。D量值是由公式中TD*1/Pbde/dt计算取得，因此当D值愈大时，反应的速度愈快；反之，D值愈小，反应速度愈慢。
 
       综合以上所述，D值是否愈大愈好呢?我们如果将D值设定的过大，只要温度一产生变化，将会造成温度的快速反应，反倒是会造成振荡的情形。若D值设定非常大时，则温度略有变化即输出急剧改变，甚至产生发散现象而无法控制。

    3.4台达DTA系列温控器输出选型

        当选择继电器为输出的DTA系列温控器输出类型机种并执行PID控制时，此时请注意控制周期的问题。此考虑在于Relay的寿命，因此出厂值为20秒，而于电压及电流为输出的机种中，因较无寿命的问题，出厂值为4秒，而输出控制是以PWM(可调脉宽)的方式来执行，因此若是加热速度较快并且控制周期较长时，可能会造成温度的振荡，原因在于若是输出量为40%，此时周期时间为20秒，则将会执行。藉由上述可知，控制周期的大小是会影响控制上的精度，因此使用上需在精度及Relay寿命上取得平衡，或是改为其它输出的机种来克服此问题。

    4结束语

    1.于挤出机中，如果使用DTA中的警报输出作为冷却控制，此时执行自我整定(AutoTuning)的动作，所测得之PID值是不正确的。

    2.在可执行自我整定的系统中，建议先执行整定功能，除非控制效果不足，才考虑手动调整PID方式。

    3.出厂的PID值适用于大部分的系统中，此出厂值优点为稳定，但需略长时间达设定值。
 
    4.某些品牌的控制是以全输出方式，当温度超过设定值1～2度即激活风扇急速降温，因此温度振荡，并且风扇激活频繁，增加能源消耗。

    5.DTA的PID控制中，温度将不易超出设定值，因此风扇几乎不动作，于设备未运转时温度几乎是稳定在设定值，运转中因原料的流动，可达上下2～3度的误差。

    6.DTB和DTC系列中因提供双输出功能，因此可直接执行整定功能，或直接以出厂之PID值运行，也可达正负2度的精度要求。