温控故障处理

论文题目 论文题目 温度控制系统中的温度控制系统中的PIDPID参数整定实例参数整定实例 姓名 姓名 单位 单位 原技术工种名称 原技术工种名称 申请时间 申请时间 1 温度控制系统中的温度控制系统中的 PIDPID 参数整定实例参数整定实例 杨远生 汕头爱美高自动化设备有限公司 摘要 摘要 在温度控制系统中 PID 控制的应用很多 由于温度这个物理量存在很大的惯性 如何整定 PID 的参数 以在达到最佳的温度控制不是一件简单的事情 网上好多资料 或 者各种教科书都有 PID 参数整定的方法说明 但是 实践表明 如果从理论上确定 PID 参 数 远不如你在实践中摸索来得快和准 本文通过我们公司包装纸巾的 TP 100SK 软抽单 包机的温度控制系统为例 阐述了本人如何摸索整定 PID 参数以达到理想的温控效果的过 程 总结出整定经验 希望能与同行互相探讨学习 关键词关键词 温度控制器 PID 控制 热电偶 论文主体论文主体 温度控制已成为工业生产 科研活动中很重要的一个环节 能否成功地将温度控制 在所需的范围内关系到整个活动的成败 由于控制对象的多样性和复杂性 导致采用 的温控手段的多样性 在一些控制精度要求不高的场合 一般采用双位调节法 而在 一些控制精度较高的场合 就要用 PID 调节法 PID 调节 就是比例 积分 微分调 节 它以其结构简单 稳定性好 工作可靠 调整方便而成为工业控制主要技术之一 PID 调节中 用比例环节 P 来决定基本的调节响应力度 用微分环节 D 来加速对 快速变动的响应 用积分环节 I 来消除残留误差 PID 控制原理如图 1 图1 2 我们公司生产的 TP 100SK 软抽单包机包装的时候会经过喂料 推料定点 包括 送膜 中送 出料等几道工序 出料部位主要对裹了一层膜的折叠式纸巾两端进行 加热封紧 封膜牢不牢固关键取决于出料的端封温度 端封温度的变化会由感温元件 热电偶检测到 再将热信号转换为电信号反馈给温度控制器 温度控制器会对当前值 与设定值进行比较 得到的差值再经过内部运算得到相应的控制值 将控制量送给控 制系统进行相应的控制 从而达到自动调节的目的 我们的系统是通过触摸屏与温度 控制器之间的通讯 直接在触摸屏上人为地调整温度参数以及观察温度的变化 温度 控制系统示意图 如图 2 图 2 在生产过程中 出料端封温度必须设定为 180 度 有时可以为 170 度 控 制精度在 1 度之间 这样纸巾两端才能封得紧固而且不会出现边缘融化的现象 我 们在给发热管加热的时候 前期温度会有线性地快速上升 当到达设定值 180 度后 由于温度具有滞后性 温度还会继续上升 当到达一定的温度后又会重新下降 下降 到一个温度后又上升 形成一个不规则的波浪曲线 如图 3 最后会稳定在一个范 围内进行振荡 所以 温度的不稳定性会影响到产品的合格率 3 图 3 为了实现温度的稳定性 我们系统引入了 PID 调节 在温控电路中 我们采用台 达 E 系列的智能温度控制器 它内部提供了 4 种控制模式 0 为 PID 1 为 ON OFF 2 为手动 3 为可程式 PID 由于出厂时内部默认为 ON OFF 模式 所以首先我在触 摸屏上将控制模式设置为 0 这样我就可以在触摸屏上对温度进行 PID 的参数设置 当出料端封温度出现异常后 系统报警 触摸屏上显示温度超高 针对这个问题 我先在触摸屏的温度界面 见附录 1 上观察温度的变化 由于我设定的端封温度为 180 度 在开始给端封升温时 当前温度初始值显示是 32 4 度 过了 4 秒的时间温度 才开始升高 如图 4 所示 可在生产过程中 实际温度却飙升到 215 度以上 在机器 调试之前 由于我在温控界面设置了温度的 HIA 上限报警 为 210 度 所以当 PV 值 目前温度值 大于 HIA 值时 系统报警 机器停止 于是我打开温度的 PID 参数 界面 见附录 1 因为台达 E 系列的温度控制器具有智能化 PID 参数自整定功能 所以我们之前在打开发热电源时 系统就开启了 PID 的自整定 PID 参数值会自动默 认为出厂值 即 PB 值 比例带 为 47 6 Ti 值 积分时间 为 26 Td 值 微分时 间 为 4 系统会在经过 2 3 次振荡后稳定在 SV 值 设定值 上下 0 5 度之间 但由 于温控器只做单输出 既加热输出 而没有冷却输出 控制精度有时也就会变差 4 图4 在我知道 PID 自整定没法满足温控系统的稳定后 我先关闭掉 PID 的自整定功能 重新人为地调整 PID 值 由 PID 控制原理图可知 PID 调节类似于一种闭环控制系统 它根据给定值 r t 与实际输出值 c t 构成控制偏差 e t 即 e t r t c t 然后将偏 差的比例 积分 微分三种通过线性组合来达到相应的控制量 在我们的温控系统中 由于 SV 值为 180 度 而 PV 值却达到 215 度 这是明显的温度加热过高 由于系统 默认 PB 值为 47 6 所以此时于 180 47 6 132 4 度之前 输出将以全输出的方式执行 如图 5 5 图5 当 P 值调整得太小 则会发生过冲和振荡 就会产生温度过高的现象 所以 我 将 PB 值调高到 60 Ti 值和 Td 值都设为 0 系统只做比例控制 这时温度慢慢降下来 最后在 185 度到 200 度之间剧烈变化 这时我想可能是因为我将 PB 值设置得太大导 致系统自激振荡 于是我适当的减小 PB 值 PB 54 温度在经过一段时间波动后 最后 PV 值降到接近 SV 值 大概在 181 度到 182 度之间 当我再减小 PB 值到 53 时 温度又降到 178 度左右 故我确定了 PB 值为 54 这时系统振荡很小 而且又接近设 定值 说明这时系统已经达到临界振荡状态 见图 6 图6 由比例调节的公式可知 y kp e t e t SV PV y 为输出值 kp 为比例系数 e t 为设定值与实际值的误差值 当 SV PV 时 y 0 这时系统无输出 当对于一 个自平衡的对象来说 温度是不会一直维持在设定值的 当它达到设定值后经过一段 时间又会开始下降 这时误差又出现了 也就是比例控制最终会维持一个输出值来使 系统处于一个固定状态 既然又输出 误差也就不等于 0 了 这个误差就是静差 图 2 中的 D 6 由于存在静差 而且在我们的系统中 出料端封温度要求控制精度在 1 度之间 我们避免不了静差 那就只能减小静差在一个允许的范围内 另外 最终的温度变化 还要使衰减比控制在 4 1 到 10 1 之间 图 2 中的 B 与 C 的比值 因为在这个范围 内过渡过程开始阶段的变化速度比较快 被调参数在受到干扰的影响和调节作用的影 响后 能比较快地达到一个峰值 然后马上下降 又较快地达到一个低峰值 所以我 在确定 PB 值后将 Ti 值设置为出厂值 26 这时温度又发生了变化 不过是按照我预期 的方向在变化 待一段时间后最终的 PV 值在 181 3 度到 181 8 度之间波动 由积分 调节的公式可知 当 Ti 越大 则输出 y 越小 精度越高 误差也就越 dtte Ti y 1 小 所以我逐渐调大 Ti 值 边调边观察温度的变化 当我将 Ti 值调整到 285 时 这 时的 PV 值已在 180 4 度到 180 6 度之间变化 实际温度已趋近于设定温度 误差范 围也在我们的控制精度范围内 于是 我断掉机器的电源 等系统冷却下来后 再 重 新上电 观察温度的变化 温度一开始迅速上升 当到达设定值后又继续上升 达到 221 度后又马上下降 当温度降到 167 度后回升 经过一段时间的振荡后最终停留在 178 8 度到 180 3 度之间 这时较调节之前误差范围发生了变化 而且超调量变大了 我猜可能是温度存在较大的滞后性 具有抑制误差的作用 其变化总是落后于误差的变 化 解决的办法是使抑制误差的作用的变化 超前 即在误差接近零时 抑制误差的 作用就应该是零 所以这时应该适当的增加微分项 它能预测误差变化的趋势 由于微 分调节的输出与被调量或其偏差对于时间的导数成正比 即与输入偏差速度成正比 于是我将 D 值设置为 4 一段时间后发现温度在 180 3 度到 180 6 度之间 虽有波动 但波动范围比较小 而且也控制在我们的精度内 所以最终达到了我们预期的控制要 求 经过这次对我们温度控制系统的调控 我对 PID 参数的调整有了一定的认识 下面是我总结的一些经验 1 关闭I和D 也就是设为0 加大P 使其产生振荡 2 减小P 找到临界振荡点 3 加大I 使其达到目标值 4 重新上电看超调 振荡和稳定时间是否吻合要求 5 针对超调和振荡的情况适当的增加一些微分项 7 6 注意所有调试均应在最大争载的情况下调试 这样才能保证调试完的结果可以在 全工作范围内均有效 结束语结束语 PID 控制原理的优点在于能够在控制过程中根据预先设定好的控制规律不停地自 动调节控制量以使被控系统朝着设定的平衡状态过度 最后达到控制范围精度内的稳 定的动态平衡状态 要使用好 PID 控制原理 关键在于根据实际情况确定 PID 的各种参数 这项工作