通常的加熱控制系統(tǒng)是，為了使被控制點(diǎn)的測量溫度(PV)與設(shè)定溫度(SV)一致，進(jìn)行PID控制計(jì)算，控制加熱器的電源功率。下圖就是加熱控制系統(tǒng)的例子，控制容器內(nèi)液體溫度的系統(tǒng)。



在這個系統(tǒng)中被控對象的液體除自然冷卻以外沒有其他冷卻手段，因此設(shè)定溫度只有高于容器設(shè)置環(huán)境的溫度時，才能實(shí)現(xiàn)溫度控制。

為了不僅實(shí)現(xiàn)高于環(huán)境溫度時的控制，而且實(shí)現(xiàn)低于環(huán)境溫度時的控制，這就不僅需要加熱器也需要冷卻液體的冷卻機(jī)構(gòu)，需要同時控制加熱器和冷卻機(jī)構(gòu)，下圖所示就是存在加熱和冷卻控制的溫度系統(tǒng)。



通常可以選擇加熱冷卻動作的溫控器，加熱側(cè)是反作用，冷卻側(cè)是正作用。這里建議大家看看《怎樣選擇PID調(diào)節(jié)器的正作用和反作用》，深入了解溫控器正反作用，這對溫控器選型和使用很有必要。

◆反作用：溫度測量值增加時，溫控器的輸出減少的控制動作。(溫度上升→加熱輸出減少)
◆正作用：溫度測量值增加時，溫控器的輸出增加的控制動作。(溫度上升→冷卻輸出增加)



2、設(shè)置加熱冷卻控制的PID
需要加熱冷卻的應(yīng)用都帶有加熱控制(加熱器～溫度傳感器)和冷卻控制(冷卻機(jī)構(gòu)～溫度傳感器)，兩個控制系統(tǒng)，并且在大多數(shù)情況下，加熱系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)的響應(yīng)特性不一樣。



為此溫控器也被設(shè)計(jì)成分別設(shè)置加熱系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)的PID參數(shù)。

設(shè)置加熱冷卻PID參數(shù)的方法
設(shè)置加熱冷卻控制的溫控器的PID參數(shù)有兩種方法。具體參數(shù)因溫控器的型號，溫控器檔次以及制造商的不同而有差異。

①只有比例帶可以分別設(shè)置的類型
此類型比例帶可以對加熱系統(tǒng)設(shè)置加熱比例帶，對冷卻系統(tǒng)設(shè)置冷卻比例帶。積分時間設(shè)置和微分時間設(shè)置則是加熱系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)共用。因此此類型的加熱冷卻PID溫控器，由加熱比例帶，冷卻比例帶，積分時間和微分時間4個PID參數(shù)進(jìn)行演算。這種類型設(shè)置只增加了一個調(diào)整項(xiàng)目，雖然調(diào)整簡單，但是微調(diào)整受限制。

②加熱控制系統(tǒng)和冷卻控制系統(tǒng)可以獨(dú)立設(shè)置的類型
此類型因?yàn)榧訜岷屠鋮s的PID常數(shù)可以分別獨(dú)立設(shè)置，所以可以更精確地調(diào)整常數(shù)，但是很難得到最佳PID參數(shù)。

3、加熱冷卻PID動作
為了便于理解，大家隨昌暉儀表來看一個加熱側(cè)和冷卻側(cè)都是比例控制的情況。



圖中紅線是加熱輸出，藍(lán)線是冷卻輸出。如圖所示，測量溫度PV低于設(shè)定溫度SV的領(lǐng)域是加熱側(cè)進(jìn)行輸出，測量溫度PV高于設(shè)定溫度SV的領(lǐng)域是冷卻側(cè)進(jìn)行輸出。

另外，在加熱輸出和冷卻輸出的切換點(diǎn)可以設(shè)置不感帶(死區(qū))，或者重疊輸出。




Ph：加熱比例帶設(shè)置[℃]； Pc：冷卻比例帶設(shè)置[℃]； DB：重疊設(shè)置[℃]

4、冷卻方法和冷卻特性
①電子冷卻器
電子冷卻器是利用帕爾貼效應(yīng)的冷卻器，帕爾貼素子的吸熱面直接固定在被冷卻物上，溫控器的冷卻輸出和吸熱量近似于線性關(guān)系。

②使用風(fēng)扇的風(fēng)冷
用在風(fēng)冷式塑料成型機(jī)等的冷卻方法是，將電風(fēng)扇發(fā)生的風(fēng)加到被加熱(冷卻)物上進(jìn)行冷卻的方法。通常使用繼電器或者固態(tài)繼電器控制電風(fēng)扇的開關(guān)比率，來控制風(fēng)量。因此溫控器的輸出和電風(fēng)扇的開關(guān)比率成正比。但是因?yàn)殡婏L(fēng)扇的慣性和熱傳遞的影響，所以冷卻輸出和吸熱量是非線性關(guān)系。

③用水冷卻
用在水冷式塑料成型機(jī)等的冷卻方法是，利用控制電磁閥向冷卻管注入水的冷卻方法。冷卻管是被配置在100℃以上的被加熱(冷卻)物上的水管。利用水的相變化或者熱傳遞冷卻。同空冷方法一樣溫控器的冷卻輸出和吸熱量是非線性關(guān)系，比風(fēng)冷有更強(qiáng)的非線性關(guān)系。



5、非線性的冷卻特性和PID的自整定
在上面加熱冷卻控制的應(yīng)用中，昌暉儀表制造有限公司介紹了冷卻側(cè)的靜態(tài)特性是非線性特性。在決定PID參數(shù)時，需要考慮加熱系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)的靜態(tài)特性。如果可以近似看作是線性的話，則用一組PID參數(shù)就可以適用整個負(fù)載條件。

如果不能看作是線性的話，則需要根據(jù)運(yùn)行條件進(jìn)行調(diào)整。

那么，對于非線性的控制對象，應(yīng)該如何決定它的PID常數(shù)呢？

①控制點(diǎn)變動不大的場合
溫度設(shè)定值：如果SV是一定的，也沒有大變動的情況下，可以將其運(yùn)行條件附近的響應(yīng)特性近似看作線性，決定PID參數(shù)。



例如，像上圖所示冷卻特性的控制對象，在穩(wěn)定運(yùn)行期間負(fù)載率在20%的場合，將冷卻側(cè)20%附近的冷卻特性近似看作直線決定PID參數(shù)，在這個負(fù)載率附近控制的話，可以得到良好的控制效果。
 
②控制點(diǎn)變動大的場合
溫度設(shè)定值：SV的變動幅度或者變動較大的場合，設(shè)備運(yùn)行時負(fù)載條件也有很大差異，因此不能僅用一個運(yùn)行條件來線性近似。為此，需要考慮設(shè)定溫度條件或者負(fù)載變動條件等，切換到各個條件下對應(yīng)的PID參數(shù)進(jìn)行控制。



在上圖的例子中，
◆冷卻負(fù)載率：20%以下的控制條件(綠色)
◆冷卻負(fù)載率：20%前后的控制條件(紅色)
◆冷卻負(fù)載率：20%以上的控制條件(褐色)
等的負(fù)載條件下，決定線性近似的PID參數(shù)，再根據(jù)運(yùn)行條件切換到相對應(yīng)的PID參數(shù)。

6、總結(jié)
冷卻側(cè)控制，根據(jù)冷卻方法的不同存在非線性特性，和通常的加熱控制相比調(diào)整變得困難。盡管如此能用一臺溫控器控制加熱和冷卻(比如使用昌暉儀表制造有限公司生產(chǎn)的高性能溫控器YR-RJD系列)，也是非常有效的控制方法。
 
為了最大限度地發(fā)揮加熱冷卻控制的優(yōu)勢，昌暉儀表的溫控器搭載了獨(dú)創(chuàng)的加熱冷卻控制算法。無論是利用風(fēng)冷還是超過100℃的水冷都能得到良好的控制效果。

另外，為了能夠得到良好的PID參數(shù)，昌暉儀表制造有限公司準(zhǔn)備了對應(yīng)各種冷卻系統(tǒng)的自整定功能，比如：
◆可以近似看作是線性的冷卻控制系統(tǒng)
◆像空冷式擠出機(jī)那樣冷卻特性不能看作線性的冷卻控制系統(tǒng)
◆像水冷式擠出機(jī)那樣非常強(qiáng)的非線性冷卻控制系統(tǒng)