温度测量元器件的选择

温度的测量可采用精密热电阻 (常用PT100) 、热电偶、半导体温度传感器或集成数字化传感器等感温元件。通过测量放大电路将温度量转换成电压信号, 再经A/D转换, 非线性修正得到温度测量值。

关于温度的闭环反馈控制开环控制应用于控制量和被控制参数有一一对应关系的控制场合。例如数控、程控和摇床应用中的光照控制等。此控制方法不适合对温度的控制。恒温摇床的加热功率和测量温度值之间没有直接对应关系, 通常是通过测量温度采集, 与设定温度比较, 得到偏差值, 再经控制器 (俗称调节器) 运算得到控制量 (输出) , 再经过执行机构 (如加热器、调压器) 进行控制, 通过不断重复这个过程, 使偏差逐渐趋于零, 整个重复过程就是闭环反馈的控制。

温度的PID控制和参数整定

温度控制器可以采用位式控制, 即测量温度低于设定温度接通加热, 测量温度高于设定温度关断加热。位式控制的控制输出只有0或者1两种状态, 执行机构可以比较简单。由于控制对象都具有惯性和滞后现象, 故采用位式控制的效果是温度始终处于上下波动状态。比例控制的输出是一个连续量 (可以定义为0-100%区间) , 从完全不加热变化至全功率加热。比例控制器即可以理解为偏差越大, 输出控制量越大。这中间有一个可变系数, 即比例带P (0-100%, 输出满幅度变化时输入偏差的成比例范围, 是放大倍数的倒数) , P越小相当于放大倍数越大, 控制越灵敏。但当偏差=0时, 控制输出=0, 但实际输出=0就无法实现控温, 所以偏差不能为0, 理论上这是一种有误差的控制。要实现无误差控制通常要加入积分|。在积分控制中, 只要有偏差就会根据偏差极性确定输出积累增加或积累减少, 直到消除偏差。所以只有加了积分才能最终消除误差。

积分参数单位为秒, 1-300秒表示经过300秒, 输出积累得到相当于比例作用的输出量。显然I越小积分输出越快, 表明消除误差的能力越大。D (微分) 作用是对输入的变化率起作用, 对温度的波动到超抑制作用。理论上当输入阶跃突变时输出为无穷大, 但维持时间为零, 这样控制扰动太大、对惯性对象控制作用也不明显。实际控制中采用不完全微分算法, 微分增益为5-10, 微分时间是指微分衰减时间, 显然D越大, 微分作用越强, D设为0表明不用微分。实践表明, 采用PID闭环控制算法, 对PID这三种控制作用进行组合对大部分的控制系统都能得到较好的控制效果。

针对不同的控制对象进行参数选择以达到系统调节的快速稳定称为系统参数整定。当参数设置不当, 系统可能出现程定并产生较大误差, 其表现为温度一直处于波动状态, 甚至出现发散现象。理想的控制对象是较大的时间常数、惯性较大、保温性好。为了减少当设定值变化时引起的波动度, 可以采用测量值微分先行的PID控制算法。为了加快大偏差时实际测量值快速变化到设定值附近, 可考虑当偏差大于一定数值时采用位式控制 (可以满功率加热) , 当偏差减小到一定数值后再进入PID实现精准控制。