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溫控器的基本工作原理

■溫度控制的構成例
介紹進行溫度控制的基本結構。根據溫度調節器的種類選擇不同可連接傳感器與操作器。



■溫度控制
向溫控器輸入設定值使其動作, 但在有些控制對象的特性下可能無法立刻讓溫度穩定下來。一般來說要加快響應速度, 就會產生溫度超出的超調和溫度振蕩, 如果要消除這些現象就只能延遲響應速度。但是在有些用途下, 例如圖(1)那樣雖然發生了超調仍要求盡快恢復穩定控制, 或者如圖(3)那樣就算費些時間仍希望抑制超調的情況也存在。也就是說對溫度控制的評價隨用途、目的的不同而不同。一般認為圖(2) 為適當的控制波形。

( 1 ) 振動的響應(幾次重復超調后才穩定下來)
( 2 ) 適合的響應
( 3 ) 難以到達變更后的設定值的響應(緩慢)


■控制對象的特性
要用溫度控制來進行適當的控制, 在選擇溫控器和測溫體之前, 必須充分了解控制對象的熱特性。


ON/OFF動作
如圖所示, 當前溫度如果低于設定值, 將輸出ON, 向加熱器通電。如果高于設定值, 將輸出OFF后切斷加熱器。象這樣以設定值為標準重復進行ON、OFF操作,將溫度保持在固定水平的控制方式就稱為ON/OFF動作。另外, 操作量以設定值為標準按0%和 100%2個值進行動作, 因此也稱為雙位置動作。


P動作(比例動作)
輸出與輸入成比例的輸出的一種控制動作。
對于設定值具有一個比例帶, 其中操作量(控制輸出量) 與偏差成比例的動作就稱為比例動作。
一般當前溫度低于比例帶時操作量就為100%, 在比例帶之內時操作量與偏差成比例逐漸縮小, 設定值和當前溫度一致(無偏差)后操作量就為50%。也就是說,和ON/OFF動作相比這種控制的振蕩較小且比較平滑。


I 動作(積分動作)
輸出與輸入的時間積分值成比例的輸出的一種控制動作。在比例動作中會產生偏移。
因此在比例動作的同時配合使用積分動作, 隨著時間推移, 偏移會逐漸消失, 控制溫度就會與設定值變為一致。


D動作(微分動作)
輸出與輸入的時間微分值成比例的輸出的一種控制動作。比例動作和積分動作是對于控制結果的一種修正, 因此對于劇烈的變化, 響應必定會變慢。微分動作就是對這種現象的一種補救措施。通過添加與溫度變化的斜率成比例的操作量來進行修正動作。對于劇烈的干擾給予較大的操作量, 盡早使其恢復原先的控制狀態的一種動作。


PID控制
PID控制就是將比例動作、積分動作、微分動作組合起來的一種控制。用比例動作進行沒有振蕩的平滑控制, 用積分動作自動修正偏移, 用微分動作加快對于噪聲的響應。


2自由度PID控制
以前的PID控制方式中, 用同一個調節部位控制對目標值的響應和對干擾的響應。因此, 在調節部位的PID參數設定中如果重視 ①干擾響應(一般P、I設定得較小, D設定得較大), 目標值響應則振動(出現超調) , 反過來如果重視②目標值響應(一般 P設定得較大, I也設定得較大), 干擾響應就會變慢, 無法同時滿足雙方的響應性是這種方式的缺點。
為了消除這個缺點, 可以通過引進2自由度PID控制方式, 在保留 PID的優點的同時, 可以同時滿足③目標值響應和干擾響應。

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