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温控器的基本工作原理

■温度控制的构成例
介绍进行温度控制的基本结构。根据温度调节器的种类选择不同可连接传感器与操作器。



■温度控制
向温控器输入设定值使其动作, 但在有些控制对象的特性下可能无法立刻让温度稳定下来。一般来说要加快响应速度, 就会产生温度超出的超调和温度振荡, 如果要消除这些现象就只能延迟响应速度。但是在有些用途下, 例如图(1)那样虽然发生了超调仍要求尽快恢复稳定控制, 或者如图(3)那样就算费些时间仍希望抑制超调的情况也存在。也就是说对温度控制的评价随用途、目的的不同而不同。一般认为图(2) 为适当的控制波形。

( 1 ) 振动的响应(几次重复超调后才稳定下来)
( 2 ) 适合的响应
( 3 ) 难以到达变更后的设定值的响应(缓慢)


■控制对象的特性
要用温度控制来进行适当的控制, 在选择温控器和测温体之前, 必须充分了解控制对象的热特性。


ON/OFF动作
如图所示, 当前温度如果低于设定值, 将输出ON, 向加热器通电。如果高于设定值, 将输出OFF后切断加热器。象这样以设定值为标准重复进行ON、OFF操作,将温度保持在固定水平的控制方式就称为ON/OFF动作。另外, 操作量以设定值为标准按0%和 100%2个值进行动作, 因此也称为双位置动作。


P动作(比例动作)
输出与输入成比例的输出的一种控制动作。
对于设定值具有一个比例带, 其中操作量(控制输出量) 与偏差成比例的动作就称为比例动作。
一般当前温度低于比例带时操作量就为100%, 在比例带之内时操作量与偏差成比例逐渐缩小, 设定值和当前温度一致(无偏差)后操作量就为50%。也就是说,和ON/OFF动作相比这种控制的振荡较小且比较平滑。


I 动作(积分动作)
输出与输入的时间积分值成比例的输出的一种控制动作。在比例动作中会产生偏移。
因此在比例动作的同时配合使用积分动作, 随着时间推移, 偏移会逐渐消失, 控制温度就会与设定值变为一致。


D动作(微分动作)
输出与输入的时间微分值成比例的输出的一种控制动作。比例动作和积分动作是对于控制结果的一种修正, 因此对于剧烈的变化, 响应必定会变慢。微分动作就是对这种现象的一种补救措施。通过添加与温度变化的斜率成比例的操作量来进行修正动作。对于剧烈的干扰给予较大的操作量, 尽早使其恢复原先的控制状态的一种动作。


PID控制
PID控制就是将比例动作、积分动作、微分动作组合起来的一种控制。用比例动作进行没有振荡的平滑控制, 用积分动作自动修正偏移, 用微分动作加快对于噪声的响应。


2自由度PID控制
以前的PID控制方式中, 用同一个调节部位控制对目标值的响应和对干扰的响应。因此, 在调节部位的PID参数设定中如果重视 ①干扰响应(一般P、I设定得较小, D设定得较大), 目标值响应则振动(出现超调) , 反过来如果重视②目标值响应(一般 P设定得较大, I也设定得较大), 干扰响应就会变慢, 无法同时满足双方的响应性是这种方式的缺点。
为了消除这个缺点, 可以通过引进2自由度PID控制方式, 在保留 PID的优点的同时, 可以同时满足③目标值响应和干扰响应。

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