溫度控制與PID算法

溫度控制與PID算法下面的敘述以波峰焊及回流焊加熱溫區(qū)的溫度控制為實(shí)例，簡(jiǎn)單地結(jié)合控制理論，以淺顯的方式，將溫度控制及PID算法作一個(gè)簡(jiǎn)單的描述。溫度控制的框圖這是一個(gè)典型的閉環(huán)控制系統(tǒng)，用于控制加熱溫區(qū)的溫度（PV）保持在恒定的溫度設(shè)定值(SV)。系統(tǒng)通過(guò)溫度采集單元反饋回來(lái)的實(shí)時(shí)溫度信號(hào)（PV）獲取偏差值（EV），偏差值經(jīng)過(guò)PID調(diào)節(jié)器運(yùn)算輸出，控制發(fā)熱管的發(fā)熱功率，以克服偏差，促使偏差趨近于零。例如，當(dāng)某一時(shí)刻爐內(nèi)過(guò)PCB板較多，帶走的熱量較多時(shí)，即導(dǎo)致溫區(qū)溫度下降，這時(shí)，通過(guò)反饋的調(diào)節(jié)作用，將使溫度迅速回升。其調(diào)節(jié)過(guò)程如下：溫度控制的功率輸出采用脈寬調(diào)制的方法。固態(tài)繼電器SSR的輸出端為脈寬可調(diào)的電壓UOUT。當(dāng)SSR的觸發(fā)角觸發(fā)時(shí)，電源電壓UAN通過(guò)SSR的輸出端加到發(fā)熱管的兩端；當(dāng)SSR的觸發(fā)角沒(méi)有觸發(fā)信號(hào)時(shí)，SSR關(guān)斷。因此，發(fā)熱管兩端的平均電壓為Ud＝(t/T)*UAN=K*UAN其中K=t/T，為一個(gè)周期T中，SSR觸發(fā)導(dǎo)通的比率，稱(chēng)為負(fù)載電壓系數(shù)或是占空比，K的變化率在0－1之間。一般是周期T固定不便，調(diào)節(jié)t,當(dāng)t在0－T的范圍內(nèi)變化時(shí)，發(fā)熱管的電壓即在0－UAN之間變化，這種調(diào)節(jié)方法稱(chēng)為定頻調(diào)寬法。下面將要描述的PID調(diào)節(jié)器的算式在這里的實(shí)質(zhì)即是運(yùn)算求出一個(gè)實(shí)時(shí)變化的，能夠保證加熱溫區(qū)在外界干擾的情況下仍能保持溫度在一個(gè)較小的范圍內(nèi)變化的合理的負(fù)載電壓系數(shù)K。2.溫度控制的兩個(gè)階段溫度控制系統(tǒng)是一個(gè)慣性較大的系統(tǒng)，也就是說(shuō)，當(dāng)給溫區(qū)開(kāi)始加熱之后，并不能立即觀察得到溫區(qū)溫度的明顯上升；同樣的，當(dāng)關(guān)閉加熱之后，溫區(qū)的溫度仍然有一定程度的上升。另外，熱電偶對(duì)溫度的檢測(cè)，與實(shí)際的溫區(qū)溫度相比較，也存在一定的滯后效應(yīng)。這給溫度的控制帶來(lái)了困難。因此，如果在溫度檢測(cè)值（PV）到達(dá)設(shè)定值時(shí)才關(guān)斷輸出，可能因溫度的滯后效應(yīng)而長(zhǎng)時(shí)間超出設(shè)定值，需要較長(zhǎng)時(shí)間才能回到設(shè)定值；如果在溫度檢測(cè)值（PV）未到設(shè)定值時(shí)即關(guān)斷輸出，則可能因關(guān)斷較早而導(dǎo)致溫度難以達(dá)到設(shè)定值。為了合理地處理系統(tǒng)響應(yīng)速度（即加熱速度）與系統(tǒng)穩(wěn)定性之間地矛盾，我們把溫度控制分為兩個(gè)階段。PID調(diào)節(jié)前階段在這個(gè)階段，因?yàn)闇貐^(qū)的溫度距離設(shè)定值還很遠(yuǎn)，為了加快加熱速度，SSR與發(fā)熱管處于滿負(fù)荷輸出狀態(tài)，只有當(dāng)溫度上升速度超過(guò)控制參數(shù)“加速速率”，SSR才關(guān)閉輸出?！凹铀偎俾省泵枋龅氖菧囟仍趩挝粫r(shí)間的跨度，反映的是溫度升降的快慢，如上圖所示。用“加速速率”限制溫升過(guò)快，是為了降低溫度進(jìn)入PID調(diào)節(jié)區(qū)的慣性，避免首次到達(dá)溫度設(shè)定值（SV）時(shí)超調(diào)過(guò)大。在這個(gè)階段，要么占空比K=0,SSR關(guān)閉；要么占空比K=100％,SSR全速輸出。PID調(diào)節(jié)器不起作用，僅由“加速速率”控制溫升快慢。（2）PID調(diào)節(jié)階段在這個(gè)階段，PID