- 發布於 2024年1月9日
- 最後修改 2024年1月10日
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PID 溫度控制器完整指南
本指南是我們工業自動化中心的一部分，您可以在其中了解有關人工智能、自動化和控制的更多信息。
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什麼是PID控制器？
PID控制器是包含控制迴路機制的裝置。 這些儀器可用於工業控制應用，調節一系列過程變量，包括溫度、壓力和速度。
PID（比例積分微分）控制器的工作原理是使用數學公式計算設定點與被監控變量的當前狀態之間的差異，從而強制反饋與所需的設定點相匹配。 然後，設備使用計算結果根據需要自動補償系統中檢測到的變化，確保過程變量盡可能接近所需的設定值。
PID控制器的歷史
早在 1600 年代就有人嘗試對負載下的系統進行連續控制。 最早的例子之一是在 17 世紀發明的，當時設計了一種離心調節器機構（基於旋轉重量），以補償在較高負載下較大和較小磨石輪之間不斷增加的轉速差異。
1922 年，Nicolas Minorsky 在我們現在公認的真正 PID 控制方面取得了真正的突破。 米諾斯基的觀察和數學處理最終為我們提供了當今廣泛用作 PID 系統的電子工業控制機制。
PID 控制器現已廣泛應用於許多工業過程中，並且已成為多個部門和行業中最常用的自動化和控制設備。 這主要是因為 PID 控制器非常適合在各種環境和應用中提供可靠、穩健的性能。 它們在設計和操作方面也本質上是用戶友好且簡單的。
溫度控制裝置有哪些不同類型？
為了了解有關 PID 溫度控制器的更多信息，了解其他類型的溫度控制裝置的工作原理以突出關鍵差異將很有幫助。
簡而言之，所有溫度控制設備都以類似的方式有效工作。 它們的核心作用是通過熱電偶等傳感器的一系列持續測量來監控和計算操作員所需的過程溫度（設定點）與任何給定時間的當前過程溫度之間的精確差異。
為了能夠執行自動溫度調節，所有控制設備都需要一種控制器模塊，使其能夠根據傳感器的讀數計算適當的響應函數。 然後將所得指令輸出到控制元件。 這可以是加熱器、風扇、閉環液體冷卻系統或三者的組合。
各種類型的溫度控制設備之間的關鍵根本區別在於它們使用採樣信息並對採樣信息做出反應的精確方法以及它們隨後為了執行各自版本的溫度控製而採取的步驟。 因此，核心溫度控制裝置共有三種類型，如下所示：
開關溫度控制器
- 該設備執行基本的二進制開關功能（打開或關閉），以幫助調整過程溫度以響應傳感器輸入
- 這些設備提供最簡單形式的自動溫度控制，並且只能以一種或另一種方式響應超過設定點的溫度
- 因此，它們通常僅用於絕對精度不重要或溫度變化往往非常緩慢的系統中 作為自動化溫度控制的最基本形式，開/關裝置通常包含閉鎖繼電器開關，在達到指定的關閉溫度後必須手動重置
- 這種類型的溫度控制可能遇到的一個問題是關閉/打開狀態之間的快速循環，這是由傳感器在溫度非常接近設定點時記錄邊界結果所觸發的
- 為了解決這個問題，它們可以被設計為包含遲滯，這實際上意味著有一個內置的緩衝區，以防止設備在安全溫度範圍內的開/關之間顫動
比例溫度控制器
- 比例溫度控制裝置採用比簡單地依靠磁滯更複雜的方法來防止裝置在開/關狀態之間顫動
- 相反，它能夠根據需要以與當前過程溫度和設定點之間的差異相匹配的比率增加或節流反向功率
- 為了提高效率和經濟性，這種比例控制通常僅在設定點兩側的規定溫度範圍內進行
- 在這個相對狹窄的窗口之外，設備返回到二進制開/關操作模型
- 比例控制器的一個固有限制是，因為當溫度接近設定點時，它們會減小調節曲線，因此實際上永遠不會達到精確的零差值
PID溫度控制器
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PID 控制器通過將比例控制與其他兩種調整算法（即積分和微分測量）結合起來，使比例模型更進一步
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簡單來說，積分是指定時間段內所有測量值的總和。 它的工作原理類似於誤差平均值，有助於補償比例控制中的下降
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導數實際上是測量的溫度變化率，有助於微調積分以防止超調
因此，PID 溫度控制器可以在讀取和調整測量值方面提供更加靈敏、通用和反應靈敏的方法
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它們最適合用於精確度至關重要的系統，或者係統中較低的總體質量/體積使得更有可能突然頻繁發生有問題的波動的系統
PID溫度控制器有哪些優點？
與標準熱敏電阻、熱電偶和其他溫度監測/加熱設備相比，PID 溫度控制器的主要優勢在於，PID 控制器在對正在進行的過程中的突然干擾和波動做出反應方面非常有效。
如果在任何時間內不進行檢查，這些都會對正在測量或生產的產品的質量產生巨大影響，而這正是 PID 溫度控制器特別方便的地方。 這些設備擅長幾乎立即處理此類干擾。
PID控制器的應用
PID 控制器廣泛應用於各行各業、部門和應用。
除了相對容易設置和調整之外，其控制迴路反饋機制的準確性使得 PID 儀器在數字跟踪和自動調節各種變量的各種過程和環境因素方面非常有效。
事實上，雖然本指南特別關注 PID 溫度控制器，但 PID 設備的基本功能可以應用於更廣泛的自動化和控製過程，包括流量、壓力、速度、頻率等。
溫度控制 如前所述，PID 溫度控制器與其他類型的溫度控制裝置具有某些共同特徵。 特別是，它仍然從傳感器（通常是熱電偶或類似傳感器）獲取讀數，並且通常通過數字控制組件將指令輸出到機械致動器設備，例如加熱器或風扇陣列。
這種基本監控和調節模型的高度通用性意味著 PID 控制器在許多行業中具有廣泛的潛在溫度控制應用，包括：
- 爐子和批次溫度控制
- 各種板材的固化和調質
- 對溫度要求嚴格的干燥和蒸發過程
- 工業零件和設備的熱處理和回火
- 醫學科學和藥物開發
- 食品生產和準備
PID控制器整定
PID 設備通常由其製造商提供比例、積分和導數的默認設置。 安裝和使用任何類型 PID 儀器的操作員必須首先校准設備，確保其經過正確編程和調整，以滿足相關工業過程的特定需求。 這還包括確保操作所需的環境參數適合該過程中發生的潛在變量。 在該過程完成之前，PID 控制器不能自動處理其分配的工作負載。
對於 PID 溫度控制器來說也是如此，並且可以通過多種不同的方式來實現這種調節。 在實踐中，所有不同的方法都旨在實現相同的結果，即單獨調整或調諧每個比例項、積分項和微分項，以使整個模塊提供所需的性能。 簡單的試錯法通常被視為針對許多系統和場景調整 PID 控制器的最實用方法。 它基於在工作系統中安裝設備並有效地將所有設置歸零。 然後，操作員從比例值開始，向上調整增益，直到達到圍繞設定點振蕩的點。 一旦達到這種狀態（這在精度關鍵的系統中是不能令人滿意的，並且暴露了僅比例溫度控制裝置的關鍵限制之一），則可以分別調整積分和導數的值。 前者如果做得正確，應該開始將振盪速率限製到幾乎為零，而後者將隨著所安裝的系統和設備類型的最佳設置接近而提高響應速度。 試錯法的另一種方法是齊格勒-尼科爾斯方法。 這種方法涉及觀察閉環系統下的連續循環和阻尼振盪。 然而，這種方法有一定的局限性，許多操作者仍然喜歡通過反複試驗來達到他們想要的結果。
