台达温控器PID控制原理及在塑料机械上的应用

摘 要：塑料制品在生产生活中无处不在。塑料生产设备多种多样。多数利用热塑性原理工作的塑料生产设备的设备都会用到温度控制器。本文以塑料挤出机为例介绍台达温控的PID控制原理及应用。

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1 引言
塑料有其独特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
决定产品质量最重要的环节之一。塑料挤出机（图1）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（图2）利用PID控制算法，保证在复杂生产环境中，精确控制原料生产温度，避免因为温度过高或者过低造成废品率高的现象。以图2为例，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。

图1 塑料挤出机



图2 台达温控器

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(图3)。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更加的精确。


图3 控制方法效果比较

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(图4)，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。



图4 比例带PB控温效果
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。



图5 积分常数I控温效果（1）
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Auto Tuning会测得过小的I 值呢？如图6中所示，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。



图6 积分常数I控温效果（2）
自动整定(Auto Tuning)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/Pb de/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 (图7)。



图7 微分常数D控温效果
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(图8)，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。



图8 PWM脉宽调制输出

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(Auto Tuning)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。