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| 臺達溫控器PID控制原理及在塑料機械上的應用 |
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摘 要：塑料制品在生產生活中無處不在。塑料生產設備多種多樣。多數利用熱塑性原理工作的塑料生產設備的設備都會用到溫度控制器。本文以塑料擠出機為例介紹臺達溫控的PID控制原理及應用。
關 鍵 詞：臺達溫控器 PID 塑料機械
1 引言
塑料有其獨特的熱塑性物理化學特性。在塑料行業的生產過程中，加工溫度的控制，是
決定產品質量最重要的環節之一。塑料擠出機（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，與相應的輔機（包括成型機頭）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DTA等系列溫控器（圖2）利用PID控制算法，保證在復雜生產環境中，精確控制原料生產溫度，避免因為溫度過高或者過低造成廢品率高的現象。以圖2為例，一臺擠出機中使用多個DTA溫控器控制加熱，并且于每個加熱器上，對應配有一組散熱風扇，或者水冷裝置。
圖1 塑料擠出機
圖2 臺達溫控器
2塑料擠出機溫度控制原理
2.1控制要求
基于原材料的物理物理化學特性，要求控制溫度不能超過設定溫度正負2攝氏度。溫度過低，擠出口出料不暢，造成前端擠出機構負載過大；溫度過高，則可能改變原料特性導致成品報廢。
2.2 控制方法分析
1 控制方法效果比較。根據對象特性與現場考察，如果控制方式選擇較為容易操作的ON-OFF控制方式，此方式會導致目標溫度振蕩超差(圖3)。在理想的工藝控制范圍，ON-OFF控制是無法達到穩定的，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控制參數自整定的適用性分析。雖然臺達DTA系列溫控器具有智能化PID參數自整定功能，但是由于不支持雙程對象控制，因此當選擇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，擠出機上方配備的冷卻風扇則是利用DTA的警報輸出來觸發，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境進行，而利用警報來做冷卻控制，實際已變成突發事件，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控制參數人工整定的適用性分析。由于擠出機設備出廠值是一般能達到控制要求的，所以于此設備中，以出廠值即可達到所需的要求，反倒是執行自整定會測得不正確參數，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，適當調小P值即可。
4 由于塑料設備冷卻速度非常的慢，所以超溫時利用警報輸出來觸發風扇加速冷卻。需要注意DTA中使用警報進行風扇冷卻，須將ALARM范圍設定的較大（如超出4度時才執行），因為除非異常情形，平時溫度是不易超出此范圍的，如果ALARM設定過小(如1度)，超出設定值即冷卻，會造成冷卻速度太快，產生溫度振蕩。
3 DTA 儀表PID控制原理及調整方式
3．1 比例帶PB參數原理定義
控制器的P值其實就是比例帶(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設定為20，SV（目標溫度）設定為150度，此時于150-20=130度之前，輸出將以全輸出的方式來執行，所以若是我們將P值調整的太小，則將會產生溫度加熱過高的情形。出廠值P為47.6，若我們欲達到的溫度為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因素，根據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(現在值) – SV(設定值)，所以也可得知，當目前溫度已等于設定溫度時，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定值的，此時便需利用I控制來執行補償的動作。
3.2積分常數I參數原理定義
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， 所以當未進入比例控制時，是不執行I控制的，因這時系統已處于全輸出狀態，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， 積分動作觸發時機為溫度先由上升至反轉下降的時候，我們可推論，于加熱開始時，原本溫度即會產生超調現象，若此時再增加積分量，那么溫度也就過高更多了。因此當我們激活積分動作時，此時公式中1/Ti*1/PB∫edt也隨之運算，式中也可知Ti是位于算式中分母的位置，所以當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I控溫效果（1）
本文示例設備的出廠的I默認值為260，是為避免積分量太大，會造成加熱溫度過高產生振蕩，而又為何在此擠出機中執行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，而塑機中的溫度下降速度（不激活風扇）是相當緩慢的，所以I值將相當的大，但我們利用風扇加速風扇的冷卻，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Iof 中，目的是當我們以PID方式控制時，我們知道于系統穩定時(PV現在值=SV設定值)，此時P量是為零的，所以必須藉由I量來控制穩定所需輸出量，此輸出量可由系統穩定時參數OUT來得知，以此擠出機為例，當系統穩定時，進入參數觀察輸出量13%，因此系統將此值(13)自動填入Iof參數中，當我們重新再激活系統時，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D參數原理定義
D值指的是微分量。當系統溫度產生變化時，將激活D量控制。若于加熱的系統中，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，輸出的快速反應以減少和設定值的誤差。D量值是由公式中TD*1/Pb de/dt 計算取得，因此當D值愈大時，反應的速度愈快；反之，D值愈小，反應速度愈慢 (圖7)。
圖7 微分常數D控溫效果
綜合以上所述，D值是否愈大愈好呢?我們如果將D值設定的過大，只要溫度一產生變化，將會造成溫度的快速反應，反倒是會造成振蕩的情形。若D值設定非常大時，則溫度略有變化即輸出急劇改變，甚至產生發散現象而無法控制。
3.4 臺達DTA系列溫控器輸出選型
當選擇繼電器為輸出的DTA系列溫控器輸出類型機種并執行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(可調脈寬)的方式來執行(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種來克服此問題。
圖8 PWM脈寬調制輸出
4 結束語
1于擠出機中，如果使用DTA中的警報輸出作為冷卻控制，此時執行自我整定(Auto Tuning)的動作，所測得之PID值是不正確的。
2 在可執行自我整定的系統中，建議先執行整定功能，除非控制效果不足，才考慮手動調整PID方式。
3出廠的PID值適用于大部分的系統中，此出廠值優點為穩定，但需略長時間達設定值。
4某些品牌的控制是以全輸出方式，當溫度超過設定值1～2度即激活風扇急速降溫，因此溫度振蕩，并且風扇激活頻繁，增加能源消耗。
5 DTA的PID控制中，溫度將不易超出設定值，因此風扇幾乎不動作，于設備未運轉時溫度幾乎是穩定在設定值，運轉中因原料的流動，可達上下2～3度的誤差。
6 DTB和DTC系列中因提供雙輸出功能，因此可直接執行整定功能，或直接以出廠之PID值運行，也可達正負2度的精度要求。 |
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