PID調(diào)節(jié)和溫度控制原理

當(dāng)通過熱電偶采集的被測(cè)溫度偏離所希望的給定值時(shí)，PID控制可根據(jù)測(cè)量信號(hào)與給定值的偏差進(jìn)行比例（P）、積分（I）、微分（D）運(yùn)算，從而輸出某個(gè)適當(dāng)?shù)目刂菩盘?hào)給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，促使測(cè)量值恢復(fù)到給定值，達(dá)到自動(dòng)控制的效果。

比例運(yùn)算是指輸出控制量與偏差的比例關(guān)系。比例參數(shù)P設(shè)定值越大，控制的靈敏度越低，設(shè)定值越小，控制的靈敏度越高，例如比例參數(shù)P設(shè)定為4%，表示測(cè)量值偏離給定值4%時(shí)，輸出控制量變化100%。積分運(yùn)算的目的是消除偏差。只要偏差存在，積分作用將控制量向使偏差消除的方向移動(dòng)。積分時(shí)間是表示積分作用強(qiáng)度的單位。設(shè)定的積分時(shí)間越短，積分作用越強(qiáng)。例如積分時(shí)間設(shè)定為240秒時(shí)，表示對(duì)固定的偏差，積分作用的輸出量達(dá)到和比例作用相同的輸出量需要240秒。比例作用和積分作用是對(duì)控制結(jié)果的修正動(dòng)作，響應(yīng)較慢。微分作用是為了消除其缺點(diǎn)而補(bǔ)充的。微分作用根據(jù)偏差產(chǎn)生的速度對(duì)輸出量進(jìn)行修正，使控制過程盡快恢復(fù)到原來的控制狀態(tài)，微分時(shí)間是表示微分作用強(qiáng)度的單位，儀表設(shè)定的微分時(shí)間越長(zhǎng)，則以微分作用進(jìn)行的修正越強(qiáng)。

PID模塊操作非常簡(jiǎn)捷只要設(shè)定4個(gè)參數(shù)就可以進(jìn)行溫度精確控制：
　　1、溫度設(shè)定
　　2、P值
　　3、I值
　　4、D值
　　PID模塊的溫度控制精度主要受P、I、D這三個(gè)參數(shù)影響。其中P代表比例，I代表積分，D代表微分。
　　比例運(yùn)算（P）
　　比例控制是建立與設(shè)定值（SV）相關(guān)的一種運(yùn)算，并根據(jù)偏差在求得運(yùn)算值（控制輸出量）。如果當(dāng)前值（PV）小，運(yùn)算值為100%。如果當(dāng)前值在比例帶內(nèi)，運(yùn)算值根據(jù)偏差比例求得并逐漸減小直到SV和PV匹配（即，直到偏差為0），此時(shí)運(yùn)算值回復(fù)到先前值（前饋運(yùn)算）。若出現(xiàn)靜差（殘余偏差），可用減小P方法減小殘余偏差。如果P太小，反而會(huì)出現(xiàn)振蕩。
　　積分運(yùn)算（I）
　　將積分與比例運(yùn)算相結(jié)合，隨著調(diào)節(jié)時(shí)間延續(xù)可減小靜差。積分強(qiáng)度用積分時(shí)間表示，積分時(shí)間相當(dāng)于積分運(yùn)算值到比例運(yùn)算值在階躍偏差響應(yīng)下達(dá)到的作用所需要的時(shí)間。積分時(shí)間越小，積分運(yùn)算的校正時(shí)間越強(qiáng)。但如果積分時(shí)間值太小，校正作用太強(qiáng)會(huì)出現(xiàn)振蕩。
　　　　微分運(yùn)算（D）
　　比例和積分運(yùn)算都校正控制結(jié)果，所以不可避免地會(huì)產(chǎn)生響應(yīng)延時(shí)現(xiàn)象。微分運(yùn)算可彌補(bǔ)這些缺陷。在一個(gè)突發(fā)的干擾響應(yīng)中，微分運(yùn)算提供了一個(gè)很大的運(yùn)算值，以恢復(fù)原始狀態(tài)。微分運(yùn)算采用一個(gè)正比于偏差變化率（微分系數(shù)）的運(yùn)算值校正控制。微分運(yùn)算的強(qiáng)度由微分時(shí)間表示，微分時(shí)間相當(dāng)于微分運(yùn)算值達(dá)到比例運(yùn)算值在階躍偏差響應(yīng)下達(dá)到的作用所需的時(shí)間。微分時(shí)間值越大，微分運(yùn)算的校正強(qiáng)度越強(qiáng)。

           通常，對(duì)于溫度控制的理解，是覺得其技術(shù)成熟且改變不大。有一些工業(yè)的應(yīng)用，不僅對(duì)時(shí)間進(jìn)行精確的控制，而且在當(dāng)設(shè)定值改變時(shí)，對(duì)于快速加溫階段和擾動(dòng)的快速響應(yīng)形成最小程度的過沖（overshoot）和下沖（undershoot）。一般采用的PID控制技術(shù)難以滿足這些特殊的場(chǎng)合。
   
    目前存在2種的復(fù)雜溫度控制器。一種方案是基于增加特殊性能的PID，另一種方案是模糊邏輯控制。
   
    增強(qiáng)的PID溫度控制
   
    加熱和冷卻過程中的不同速度（時(shí)間常數(shù)）可根據(jù)溫度設(shè)定值，進(jìn)行PID常數(shù)的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。這樣的調(diào)節(jié)需要一個(gè)加熱模型--加熱過程的反轉(zhuǎn)靜態(tài)特性（inverse static characteristic）。一旦控制系統(tǒng)執(zhí)行加熱模型，它的輸出可被相應(yīng)地用于前饋?zhàn)兞?。前饋?zhàn)兞颗c比例成分的輸出一起使加熱模型符合加熱過程。
   
   
    一個(gè)近似的時(shí)間優(yōu)化控制方法需要將溫度控制的全部過程分為3個(gè)部分，每部分都有其不同控制機(jī)制。在第一階段（溫度在設(shè)定值之下）和最后一個(gè)階段（溫度在設(shè)定值之上），冪常量（分別是滿值和零）被應(yīng)用，控制調(diào)節(jié)誤差。在中間階段（設(shè)定值在中間），線性PID控制開始作用。在這里所謂的線性控制區(qū)（linear control zone，LCZ）、非線性、調(diào)節(jié)誤差限制（regulation error limit ，REL）就能被使用，會(huì)有助于限制溫度的過沖和下沖。圖1中，為加強(qiáng)的PID溫度控制器的框圖，適用范圍較廣。
   
   
   
    模糊邏輯
   
    工程師們對(duì)模糊邏輯的了解已經(jīng)超過35年。模糊控制的魅力在于小規(guī)模的微型控制器，因?yàn)檫@一技術(shù)比常規(guī)的PID要求較少的計(jì)算冪和更少的操作存儲(chǔ)量。
   
    模糊控制的基本形式可模擬人工控制過程。根據(jù)瞬時(shí)溫度背離設(shè)定值（調(diào)節(jié)誤差，e(n)）的程度和溫度改變的速率（或調(diào)節(jié)誤差的背離，(e(n))，人工調(diào)整應(yīng)用于加熱成分的冪。整個(gè)過程由系統(tǒng)的物理或數(shù)學(xué)性質(zhì)決定。溫度的背離和溫度的改變速率是高？是底？還是中等？模糊控制以同樣的過程變量狀態(tài)運(yùn)行。
   
    如圖2，模糊溫度控制器的框圖表明，模糊控制器的輸出是如何在功能加強(qiáng)的傳統(tǒng)的PID控制器的情況下與前饋模塊的輸出相結(jié)合的。類似的適配模塊可使解模糊化過程優(yōu)化（使模糊化輸出變量成為明確的輸出值），并且同時(shí)幫助加熱器模塊更真實(shí)反映加熱過程。
   
   
    
    
    即使像溫度控制這類最簡(jiǎn)單的過程，如果增加了諸如快速增溫階段也可能變得很復(fù)雜。執(zhí)行功能加強(qiáng)的、傳統(tǒng)的PID控制器就成為一項(xiàng)挑戰(zhàn)，特別是如果需要自調(diào)整能力以幫助確定優(yōu)化PID常量時(shí)。然而，不可否認(rèn)的是，PID控制的理論的運(yùn)用相當(dāng)廣泛。
   
    另外，模糊控制似乎能較簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)相同的性能。由一階或更高階的多項(xiàng)式（LCZ在增強(qiáng)PID控制中提供唯一一個(gè)零階近似值）控制的，用于時(shí)間優(yōu)化控制系統(tǒng)的二階轉(zhuǎn)換曲線的近似值使模糊控制在時(shí)間優(yōu)化控制應(yīng)用中頗占優(yōu)勢(shì)。作為相對(duì)較為新的控制方法，它也能提供更多的發(fā)展空間。