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摘 要：工业中常遇到一些特殊的温度控制系统，此时常规的自动温控程序不能很好地满足其控制要求。该文以复合材料表面处理的温度调节为例，建立了一种以手工方式调节PID参数的快速方法，从而可以很好地满足特殊温度系统下控制要求。经实践验证该方法取得了良好的应用效果。
关键词：温度 PID 控制
中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）07（a）-0041-01
在工业的温度控制中，常会使用到电热烘箱。对于多数用户而言，对烘箱的要求仅仅局限于目标温度的精确性和稳定性上。但在一些特殊的温控系统中，烘箱温控仪中的常规控制程序常常不能很好地满足这些特殊要求。此时如果只关注目标温度的精确性和稳定性，很容易在批量化生产时影响到产品外观质量的一致性。此时就必须放弃自动温度控制，而转为手动调节，实现对烘箱工作全程各个阶段的严格控制，从而满足不同用户的个性化需求。
1 温控系统中的温度曲线
温控过程中的动态传递函数为：G（s）=Kp[1+（1/Ti）s+Tds]。其中Kp—偏差增益比例系数，Ti—积分时间常数，Td—微分时间常数。可见通过修改Kp、Ti和Td的值，可以获得不同动态响应的温度控制曲线。该加热曲可以划分为3个阶段：
（1）升温段：它是一个近似于线性的直线段。斜率越大表示其升温速度越快，斜率由传递函数中的参数Kp决定。
（2）震荡段：随着实际温度逐渐接近目标值，系统在时间积分常数Ti和时间微分常数Td的作用下开始震荡。同时控制器的负反馈使得这种震荡逐步收敛并最终稳定在目标温度左右。
（3）稳定段：这是烘箱最后的工作阶段，为一条平直的直线。但实际上稳定段仍然是一条具有微小波动的曲线，其振幅就代表了烘箱工作温度的精度和稳定范围。稳定段的形态主要受参数Ti控制。
简单地说：一个良好的温控系统，要求升温段系统响应要“快”，震荡段要“准”， 而稳定段则要“稳”。
当Kp、Ti和Td这三个参数一旦被确定后，温控曲线的形态即被唯一确定。反之，用户可以根据自己实际的温度需要，自行设计一条最适合自己工艺要求的温度曲线，然后通过设置不同的Kp、Ti和Td的值以实现并获得该控制过程。
升温段、震荡段和稳定段这三者之间并非各自独立存在，它们是相互影响的，主要表现为：若要让系统响应变“快”，就必然要牺牲系统的“准”和“稳”；反之亦反。
2 特殊温控系统的特点
在实际生产中常常会遇到一些特殊的温控系统，如复合材料表面处理时，温度要求比较特殊，主要表现在以下几个方面。
2.1 工作时间极短
与常规烘箱动辄数小时的工作时长相比，复合材料表面处理的单件工时仅仅为十几分钟，升温段和震荡段占全程时间的1/4至1/3，此时升温段和震荡段对整个温度系统的影响就绝不能再象常规的烘箱那样被忽略掉。
2.2 升温速度和温度过冲二者相互对立
表面处理的单件工时通常是落后于缠绕工时的，因此表面处理环节总是生产中最大的瓶颈。从提高生产效率的角度讲，应尽量减少表面处理的时间，唯一的方法只能是通过提高升温段的升温速度，但这就势必造成震荡段的过冲和稳定后的精度误差变得更为严重。
3 手动调节PID参数实现特殊的温度控制
3.1 PID调节在表面处理设备温度系统中的应用原理
在表面处理设备中，通过修改温控仪中PID控制器上的P、I和D这三个参数的大小，可以直接获得预想中特殊温度控制曲线的形态。
（1）P值：表示为按误差比例的大小反映表面处理设备内部工作温度的当前偏差，它直接决定了升温阶段的速度。系统一旦出现偏差，比例调节立即产生作用以减少偏差。增大P值则升温速度放慢，同时也可抑制震荡和超调，系统也变得更加稳定，但系统的响应会随之减慢。
（2）I值：主要用于消除表面处理设备温度系统最后的稳态误差，以提高系统的无差度。只要系统还有误差，积分调节就一直进行。故增大I值，积分项逐渐增大，此时可获得误差更小的稳态精度，同时也可抑制震荡段的过冲，但温度系统的响应会变慢，整体抗干扰性降低。
（3）D值：主要反映了温度系统偏差信号的变化率，可以产生超前控制，在干扰偏差还没有形成之前，就已被微分调节作用消除掉。因此它可以大为改善整体温度系统的动态性能。但在增加微分作用的同时，系统的稳定性和抗干扰能力同样也会下降[1]。
由上可知，在复合材料制品表面处理设备中，温控仪中P、I和D这三个参数在以环扣环方式的共同作用下控制着系统的温度变化，因此理论上只要电加热管的功率足够大，用户可以任意构建一条完全满足自己需求的温度控制曲线。
下面，以某复合材料制品工艺要求为例，说明用户是如何实现个性化的温度控制的。
3.2 以手动调节PID实现理想的温控形态
（1）以自整定为手动调节的起始点。
为了更快速地找出最佳的温控参数，最好先对温控仪做一次常规的PID自整定，得到常规温度曲线的P、I和D的值，在此基础上再对其做进一步的修正可以大为节省调试时间。
（2）始终按照先P、再I、最后D的顺序逐一调节。
将自整定后的温度系统与理想系统的要求之间进行比较。手动调节时，先根据系统差异修改P值，建议先减小直到出现震荡时再增大；然后修改I值，建议先增大，若发现振荡周期超过要求后再减小；最后调节D值，根据超调量的实际要求慢慢减小D值。这样就基本上可以获得在不发生震荡的情况下，取得最大和最强烈的控制效果。
（3）经现场反复调试表明，对复合材料表面处理的温度系统而言，P的最佳值一般介于4.5～10.4之间，I的最佳值介于320～560之间，D则应小于90。在调节过程中，如果明显超越了上述范围应考虑重新调节，否则获得温控状态将来可能不够稳定。
（4）反复优化。
通过上述调节后就可以得到P、I和D的粗略值了，接下来只需要结合现场的实际情况对这3个值进行更细致的优化即可。
4 结语
在特殊的温度系统中，对温度的要求较为严格，常规PID自整定后所得到的温控参数不能很好地满足上述要求。
为更好地满足这些特殊温控要求，须采用PID手动调节控制参数。通过反复实践和摸索，总结了一些手动调节温控参数的经验、方法和步骤，调试时遵循这些经验和方法，可大为化简设备的调试过程。
参考文献
[1] 科昊.PID控制原理[D].厦门科昊自动化有限公司，2008.
关键词：温度 PID 控制
中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）07（a）-0041-01
在工业的温度控制中，常会使用到电热烘箱。对于多数用户而言，对烘箱的要求仅仅局限于目标温度的精确性和稳定性上。但在一些特殊的温控系统中，烘箱温控仪中的常规控制程序常常不能很好地满足这些特殊要求。此时如果只关注目标温度的精确性和稳定性，很容易在批量化生产时影响到产品外观质量的一致性。此时就必须放弃自动温度控制，而转为手动调节，实现对烘箱工作全程各个阶段的严格控制，从而满足不同用户的个性化需求。
1 温控系统中的温度曲线
温控过程中的动态传递函数为：G（s）=Kp[1+（1/Ti）s+Tds]。其中Kp—偏差增益比例系数，Ti—积分时间常数，Td—微分时间常数。可见通过修改Kp、Ti和Td的值，可以获得不同动态响应的温度控制曲线。该加热曲可以划分为3个阶段：
（1）升温段：它是一个近似于线性的直线段。斜率越大表示其升温速度越快，斜率由传递函数中的参数Kp决定。
（2）震荡段：随着实际温度逐渐接近目标值，系统在时间积分常数Ti和时间微分常数Td的作用下开始震荡。同时控制器的负反馈使得这种震荡逐步收敛并最终稳定在目标温度左右。
（3）稳定段：这是烘箱最后的工作阶段，为一条平直的直线。但实际上稳定段仍然是一条具有微小波动的曲线，其振幅就代表了烘箱工作温度的精度和稳定范围。稳定段的形态主要受参数Ti控制。
简单地说：一个良好的温控系统，要求升温段系统响应要“快”，震荡段要“准”， 而稳定段则要“稳”。
当Kp、Ti和Td这三个参数一旦被确定后，温控曲线的形态即被唯一确定。反之，用户可以根据自己实际的温度需要，自行设计一条最适合自己工艺要求的温度曲线，然后通过设置不同的Kp、Ti和Td的值以实现并获得该控制过程。
升温段、震荡段和稳定段这三者之间并非各自独立存在，它们是相互影响的，主要表现为：若要让系统响应变“快”，就必然要牺牲系统的“准”和“稳”；反之亦反。
2 特殊温控系统的特点
在实际生产中常常会遇到一些特殊的温控系统，如复合材料表面处理时，温度要求比较特殊，主要表现在以下几个方面。
2.1 工作时间极短
与常规烘箱动辄数小时的工作时长相比，复合材料表面处理的单件工时仅仅为十几分钟，升温段和震荡段占全程时间的1/4至1/3，此时升温段和震荡段对整个温度系统的影响就绝不能再象常规的烘箱那样被忽略掉。
2.2 升温速度和温度过冲二者相互对立
表面处理的单件工时通常是落后于缠绕工时的，因此表面处理环节总是生产中最大的瓶颈。从提高生产效率的角度讲，应尽量减少表面处理的时间，唯一的方法只能是通过提高升温段的升温速度，但这就势必造成震荡段的过冲和稳定后的精度误差变得更为严重。
3 手动调节PID参数实现特殊的温度控制
3.1 PID调节在表面处理设备温度系统中的应用原理
在表面处理设备中，通过修改温控仪中PID控制器上的P、I和D这三个参数的大小，可以直接获得预想中特殊温度控制曲线的形态。
（1）P值：表示为按误差比例的大小反映表面处理设备内部工作温度的当前偏差，它直接决定了升温阶段的速度。系统一旦出现偏差，比例调节立即产生作用以减少偏差。增大P值则升温速度放慢，同时也可抑制震荡和超调，系统也变得更加稳定，但系统的响应会随之减慢。
（2）I值：主要用于消除表面处理设备温度系统最后的稳态误差，以提高系统的无差度。只要系统还有误差，积分调节就一直进行。故增大I值，积分项逐渐增大，此时可获得误差更小的稳态精度，同时也可抑制震荡段的过冲，但温度系统的响应会变慢，整体抗干扰性降低。
（3）D值：主要反映了温度系统偏差信号的变化率，可以产生超前控制，在干扰偏差还没有形成之前，就已被微分调节作用消除掉。因此它可以大为改善整体温度系统的动态性能。但在增加微分作用的同时，系统的稳定性和抗干扰能力同样也会下降[1]。
由上可知，在复合材料制品表面处理设备中，温控仪中P、I和D这三个参数在以环扣环方式的共同作用下控制着系统的温度变化，因此理论上只要电加热管的功率足够大，用户可以任意构建一条完全满足自己需求的温度控制曲线。
下面，以某复合材料制品工艺要求为例，说明用户是如何实现个性化的温度控制的。
3.2 以手动调节PID实现理想的温控形态
（1）以自整定为手动调节的起始点。
为了更快速地找出最佳的温控参数，最好先对温控仪做一次常规的PID自整定，得到常规温度曲线的P、I和D的值，在此基础上再对其做进一步的修正可以大为节省调试时间。
（2）始终按照先P、再I、最后D的顺序逐一调节。
将自整定后的温度系统与理想系统的要求之间进行比较。手动调节时，先根据系统差异修改P值，建议先减小直到出现震荡时再增大；然后修改I值，建议先增大，若发现振荡周期超过要求后再减小；最后调节D值，根据超调量的实际要求慢慢减小D值。这样就基本上可以获得在不发生震荡的情况下，取得最大和最强烈的控制效果。
（3）经现场反复调试表明，对复合材料表面处理的温度系统而言，P的最佳值一般介于4.5～10.4之间，I的最佳值介于320～560之间，D则应小于90。在调节过程中，如果明显超越了上述范围应考虑重新调节，否则获得温控状态将来可能不够稳定。
（4）反复优化。
通过上述调节后就可以得到P、I和D的粗略值了，接下来只需要结合现场的实际情况对这3个值进行更细致的优化即可。
4 结语
在特殊的温度系统中，对温度的要求较为严格，常规PID自整定后所得到的温控参数不能很好地满足上述要求。
为更好地满足这些特殊温控要求，须采用PID手动调节控制参数。通过反复实践和摸索，总结了一些手动调节温控参数的经验、方法和步骤，调试时遵循这些经验和方法，可大为化简设备的调试过程。
参考文献
[1] 科昊.PID控制原理[D].厦门科昊自动化有限公司，2008.