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摘 要:塑料制品在生產(chǎn)生活中無處不在。塑料生產(chǎn)設(shè)備多種多樣。多數(shù)利用熱塑性原理工作的塑料生產(chǎn)設(shè)備的設(shè)備都會用到溫度控制器。本文以塑料擠出機(jī)為例介紹臺達(dá)溫控的PID控制原理及應(yīng)用。

關(guān) 鍵 詞:臺達(dá)溫控器 PID 塑料機(jī)械

1 引言
塑料有其獨(dú)特的熱塑性物理化學(xué)特性。在塑料行業(yè)的生產(chǎn)過程中,加工溫度的控制,是
決定產(chǎn)品質(zhì)量最重要的環(huán)節(jié)之一。塑料擠出機(jī)(圖1)一般有單螺桿和雙螺桿之分,主要用來擠制軟、硬聚氯乙烯、聚乙烯等熱塑性塑料之用,與相應(yīng)的輔機(jī)(包括成型機(jī)頭)配合,可加工多種塑料制品,如膜、管、棒、板、絲、帶電纜絕緣層及中空制品等,亦可用于造粒。臺達(dá)DTA等系列溫控器(圖2)利用PID控制算法,保證在復(fù)雜生產(chǎn)環(huán)境中,精確控制原料生產(chǎn)溫度,避免因?yàn)闇囟冗^高或者過低造成廢品率高的現(xiàn)象。以圖2為例,一臺擠出機(jī)中使用多個DTA溫控器控制加熱,并且于每個加熱器上,對應(yīng)配有一組散熱風(fēng)扇,或者水冷裝置。



圖1 塑料擠出機(jī)



圖2 臺達(dá)溫控器

2塑料擠出機(jī)溫度控制原理
2.1控制要求
基于原材料的物理物理化學(xué)特性,要求控制溫度不能超過設(shè)定溫度正負(fù)2攝氏度。溫度過低,擠出口出料不暢,造成前端擠出機(jī)構(gòu)負(fù)載過大;溫度過高,則可能改變原料特性導(dǎo)致成品報廢。

2.2 控制方法分析
1 控制方法效果比較。根據(jù)對象特性與現(xiàn)場考察,如果控制方式選擇較為容易操作的ON-OFF控制方式,此方式會導(dǎo)致目標(biāo)溫度振蕩超差(圖3)。在理想的工藝控制范圍,ON-OFF控制是無法達(dá)到穩(wěn)定的,而PID控制會比ON-OFF更加的精確。


圖3 控制方法效果比較

2 PID控制參數(shù)自整定的適用性分析。雖然臺達(dá)DTA系列溫控器具有智能化PID參數(shù)自整定功能,但是由于不支持雙程對象控制,因此當(dāng)選擇PID自整定控制方式時,反而會造成精度誤差更大。原因是DTA溫控器不支持雙輸出的功能,所以只可單選加熱,擠出機(jī)上方配備的冷卻風(fēng)扇則是利用DTA的警報輸出來觸發(fā),作為冷卻輸出。而DTA 的自整定,必須在自然冷卻或者冷卻方式相對恒定的環(huán)境進(jìn)行,而利用警報來做冷卻控制,實(shí)際已變成突發(fā)事件,不在正常的情形之下,如此會造成降溫時間及振蕩周期變短,將造成振蕩情形更加的劇烈。
3 PID控制參數(shù)人工整定的適用性分析。由于擠出機(jī)設(shè)備出廠值是一般能達(dá)到控制要求的,所以于此設(shè)備中,以出廠值即可達(dá)到所需的要求,反倒是執(zhí)行自整定會測得不正確參數(shù),造成溫度的上下振蕩。如果對于有些場合,溫度上升需要加快的話,適當(dāng)調(diào)小P值即可。
4 由于塑料設(shè)備冷卻速度非常的慢,所以超溫時利用警報輸出來觸發(fā)風(fēng)扇加速冷卻。需要注意DTA中使用警報進(jìn)行風(fēng)扇冷卻,須將ALARM范圍設(shè)定的較大(如超出4度時才執(zhí)行),因?yàn)槌钱惓G樾?,平時溫度是不易超出此范圍的,如果ALARM設(shè)定過小(如1度),超出設(shè)定值即冷卻,會造成冷卻速度太快,產(chǎn)生溫度振蕩。

3 DTA 儀表PID控制原理及調(diào)整方式
3.1 比例帶PB參數(shù)原理定義
控制器的P值其實(shí)就是比例帶(PB);I值為積分時間(Ti);D值為微分時間(Td)。
P值指的是比例(圖4),若是P設(shè)定為20,SV(目標(biāo)溫度)設(shè)定為150度,此時于150-20=130度之前,輸出將以全輸出的方式來執(zhí)行,所以若是我們將P值調(diào)整的太小,則將會產(chǎn)生溫度加熱過高的情形。出廠值P為47.6,若我們欲達(dá)到的溫度為100度,則于100-47.6=52.4度時即展開比例控制輸出量,所以除非加熱速度很快,否則不會造成上下振蕩的情形。



圖4 比例帶PB控溫效果
比例帶PB控制輸出量的大小是控制溫度精度的基礎(chǔ)因素,根據(jù)PID算法的輸出量公式如下:



由以上可得知,I及D為零時,輸出量即為1/PBe,故只有P控制。而e = PV(現(xiàn)在值) – SV(設(shè)定值),所以也可得知,當(dāng)目前溫度已等于設(shè)定溫度時,e值即為零,此時P控制中即無輸出量,P無輸出量是無法將溫度一直保持在設(shè)定值的,此時便需利用I控制來執(zhí)行補(bǔ)償?shù)膭幼鳌?br/>
3.2積分常數(shù)I參數(shù)原理定義
I值指的是積分量。由上述公式中可得知,輸出量是由P量+I量+D量, 所以當(dāng)未進(jìn)入比例控制時,是不執(zhí)行I控制的,因這時系統(tǒng)已處于全輸出狀態(tài),I量無法再增加上去。那么,控制的積分量將于何時來激活積分動作呢?如圖5所示, 積分動作觸發(fā)時機(jī)為溫度先由上升至反轉(zhuǎn)下降的時候,我們可推論,于加熱開始時,原本溫度即會產(chǎn)生超調(diào)現(xiàn)象,若此時再增加積分量,那么溫度也就過高更多了。因此當(dāng)我們激活積分動作時,此時公式中1/Ti*1/PB∫edt也隨之運(yùn)算,式中也可知Ti是位于算式中分母的位置,所以當(dāng)Ti值愈小時,所算得的積分量愈大;反之,Ti值愈大,則計算的積分量則愈小。



圖5 積分常數(shù)I控溫效果(1)
本文示例設(shè)備的出廠的I默認(rèn)值為260,是為避免積分量太大,會造成加熱溫度過高產(chǎn)生振蕩,而又為何在此擠出機(jī)中執(zhí)行Auto Tuning會測得過小的I 值呢?如圖6中所示,I值是由(周期時間/2)計算取得,而塑機(jī)中的溫度下降速度(不激活風(fēng)扇)是相當(dāng)緩慢的,所以I值將相當(dāng)?shù)拇?,但我們利用風(fēng)扇加速風(fēng)扇的冷卻,此時周期時間大大的縮短,I值相對的也大大的變小了,因此振蕩情形也更加的劇烈了。



圖6 積分常數(shù)I控溫效果(2)
自動整定(Auto Tuning)的動作完成后,控制器也將自動填入一值至參數(shù)Iof 中,目的是當(dāng)我們以PID方式控制時,我們知道于系統(tǒng)穩(wěn)定時(PV現(xiàn)在值=SV設(shè)定值),此時P量是為零的,所以必須藉由I量來控制穩(wěn)定所需輸出量,此輸出量可由系統(tǒng)穩(wěn)定時參數(shù)OUT來得知,以此擠出機(jī)為例,當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定時,進(jìn)入?yún)?shù)觀察輸出量13%,因此系統(tǒng)將此值(13)自動填入Iof參數(shù)中,當(dāng)我們重新再激活系統(tǒng)時,輸出量將為P量 + Iof量,如此可加速加熱的過程時間。

3.3 微分常數(shù)D參數(shù)原理定義
D值指的是微分量。當(dāng)系統(tǒng)溫度產(chǎn)生變化時,將激活D量控制。若于加熱的系統(tǒng)中,溫度快速的下降,此時U(輸出量)=P量+I量+D量。相反的,系統(tǒng)中溫度快速的上升,此時U(輸出量)=P量+I量-D量,因此D量是用來控制溫度急劇變化時,輸出的快速反應(yīng)以減少和設(shè)定值的誤差。D量值是由公式中TD*1/Pb de/dt 計算取得,因此當(dāng)D值愈大時,反應(yīng)的速度愈快;反之,D值愈小,反應(yīng)速度愈慢 (圖7)。



圖7 微分常數(shù)D控溫效果
綜合以上所述,D值是否愈大愈好呢?我們?nèi)绻麑值設(shè)定的過大,只要溫度一產(chǎn)生變化,將會造成溫度的快速反應(yīng),反倒是會造成振蕩的情形。若D值設(shè)定非常大時,則溫度略有變化即輸出急劇改變,甚至產(chǎn)生發(fā)散現(xiàn)象而無法控制。

3.4 臺達(dá)DTA系列溫控器輸出選型
當(dāng)選擇繼電器為輸出的DTA系列溫控器輸出類型機(jī)種并執(zhí)行PID控制時,此時請注意控制周期的問題。此考慮在于Relay的壽命,因此出廠值為20秒,而于電壓及電流為輸出的機(jī)種中,因較無壽命的問題,出廠值為4秒,而輸出控制是以PWM(可調(diào)脈寬)的方式來執(zhí)行(圖8),因此若是加熱速度較快并且控制周期較長時,可能會造成溫度的振蕩,原因在于若是輸出量為40%,此時周期時間為20秒,則將會執(zhí)行。藉由上述可知,控制周期的大小是會影響控制上的精度,因此使用上需在精度及Relay壽命上取得平衡,或是改為其它輸出的機(jī)種來克服此問題。



圖8 PWM脈寬調(diào)制輸出

4 結(jié)束語
1于擠出機(jī)中,如果使用DTA中的警報輸出作為冷卻控制,此時執(zhí)行自我整定(Auto Tuning)的動作,所測得之PID值是不正確的。

2 在可執(zhí)行自我整定的系統(tǒng)中,建議先執(zhí)行整定功能,除非控制效果不足,才考慮手動調(diào)整PID方式。

3出廠的PID值適用于大部分的系統(tǒng)中,此出廠值優(yōu)點(diǎn)為穩(wěn)定,但需略長時間達(dá)設(shè)定值。

4某些品牌的控制是以全輸出方式,當(dāng)溫度超過設(shè)定值1~2度即激活風(fēng)扇急速降溫,因此溫度振蕩,并且風(fēng)扇激活頻繁,增加能源消耗。

5 DTA的PID控制中,溫度將不易超出設(shè)定值,因此風(fēng)扇幾乎不動作,于設(shè)備未運(yùn)轉(zhuǎn)時溫度幾乎是穩(wěn)定在設(shè)定值,運(yùn)轉(zhuǎn)中因原料的流動,可達(dá)上下2~3度的誤差。

6 DTB和DTC系列中因提供雙輸出功能,因此可直接執(zhí)行整定功能,或直接以出廠之PID值運(yùn)行,也可達(dá)正負(fù)2度的精度要求。

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