基于连续式热风回火炉系统改造的温度控制PID参数整定
随着工业技术的飞速发展，传统的工业控制系统已经不能满足现代控制的需求。以第四次工业革命为代表的工业智能化、一体化逐渐成为工业自动化的发展方向。我国也紧跟时代步伐，适时提出中国制造2025计划，逐步使我们的工业体系由中国制造向中国智造转变。
温度作为工业过程控制中主要的被控参数之一，广泛应用在冶金、食品、建材等工业制造行业中，并具有举足轻重的作用。温度控制对于不同工艺、不同系统、不同精度，所采用的感温器件、温度控制器大有不同；同时对于不同的产品要求和温度控制精度，所采用的控制算法也有所不同。
工业温度控制系统中的核心元件为温度控制器，现如今国内外有许多温控器的生产厂家，各种品牌的温控器广泛应用于各种工业现场控制。台达集团旗下品牌中达电通作为国内工业自动化的领军人物，从2003年第一代DTA系列温控器问世以来，已经拥有DTA、DTB、DTC、DTD、DTE等多个系列，应用范围包含各种工业领域，如橡胶、包装、食品、印刷等。台达温控器作为全新功能的温度控制器，操作简便、反应实时、整合容易接口能与用户互动，可以适用于各种开放式或密闭式的应用场合，能够使温控曲线达到平顺和稳定。
本次工业温度控制系统的主要对象为三区连续式热风回火炉，由于特殊的工艺需求，控制要求三区温度保持恒定，不能产生较大波动。温度控制为三区分别控制，一区为预热区、二区为加热区、三区为保温区。控制精度要求为±3℃，具备一定的抗扰动能力。该系统之前采用传统温控器PID运算控制接触器通断来保持加热温度恒定，由于老式温控器和接触器存在多种弊端，容易出现温度控制不稳定、精确度不高和接触器频繁吸合产生火花等问题，系统的整体稳定性和安全性得不到保证。
在对系统整体工艺了解后，进行工艺设备改造，综合系统控制要求和扰动量等多方面因素，选用台达DTE-10T+DTE-2DS温控器，由于台达全系列温控器能够精确采集区域温度和温度变化量，环境适应性和抗干扰能力强，系统整体稳定和跟随性好，并可通过内部精确PID运算来控制输出量，保证系统整体温度恒定和稳定性。同时配合功能强大的台达DVP-14SS2可编程控制器和DOP-B07SS411触摸屏来显示当前温度、系统参数和设备曲线等。
系统整体温度自动控制过程为，首先通过三区双路热电偶对K type采集温度信号送入DTE温控器输入通道INA，然后通过触摸屏设置设定温度、温度上下限、PID参数等，最后经由DTE温控器进行内部运算，转换为PWM形式输出量通过输出通道OUT1控制可控硅进行区域加热。
通过对系统的现场勘查和技术人员问询，综合系统运行环境和设备条件，判断该系统为非闭环系统且含有较大的扰动量，系统保温性能一般；在系统实际运行时不同的弹簧材质、大小和工人放料速度会对系统稳定性产生较大的影响，导致系统达到稳态调节时间较长，温度波动较大。
在系统硬件设备和程序设计完成后，需要对系统整体运行效果进行初步判断，根据初步运行结果对系统进行温度PID参数的整定和修改。在实际的工程设计过程中，对于全新陌生的过程控制系统，想要得到较为准确稳定的PID控制参数，首先需要足够的工程经验和对控制系统的了解。工程中常用的PID参数整定方法有经验法和试凑法。由于现场调试经验不足，对陌生的温度控制系统一时难以找到合适的温度PID参数设定范围，结合本次系统改造选用的台达DTE系列智能温控器带有高精度PID自整定功能，首先考虑使用温控器进行PID参数自整定，在系统自整定参数的基础上根据系统的实际运行状况进行微调，观察并记录不同温度设定值时系统的超调量、调节时间和扰动量，对PID参数进行选择性调整。
对连续式热风回火炉温度控制系统进行自整定时应注意将三个温控区域独立进行PID参数整定，同时打开风机和传送带，模拟系统正常运行时的扰动环境。台达DTE温控器进行PID参数自整定时，根据系统条件不同，其自整定时间有所差别，少则几十分钟多则需要几个小时。温控器在启动自整定功能后，进行连续的加热、冷却控制，系统运行第一个周期会被忽略，智能温控器会根据第二个震荡周期的波形计算出温控系统的PID参数并储存在温控器内部中供用户查看，如图1。
图1 PID自整定过程
其中PID自整定参数计算公式为：P=震荡幅度×3.7 I=震荡周期/2 D=震荡周期/8。
在DTE系列温控器进行PID参数自整定时，AT灯在自整定运行时闪烁，自整定完毕后AT灯熄灭。自整定时应注意不能对温控器进行任何参数操作，任何操作都会中断自整定过程。另外在使用自整定功能时应该首先打开控制回路执行，且控制方式设置为PID，因为自整定功能只有在两者都设定启用后才能正常运行。由于该系统选用DTE-2DS配合DTE-10温控器使用，在进行PID自整定时不需要通过上位机DTE通讯软件或PLC的MODBUS读写指令打开该功能。在对应的控制回路执行和控制方式设置正确后，通过DTE-2DS进行功能选择（如图2），启动自整定即可。
台达智能温控器PID与我们通常所了解的PID参数单位有所不同，台达温控器中P（比例系数）单位为度，I（积分时间）和D（微分时间）单位都为秒。PID控制器是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的，其控制的最终目的是根据误差值调整输出量，最终将PV值恒定在SV值。其中SV（Set Value）为设定值或目标值，PV（Present
图2 PID参数自整定设定
Value）为检测值或当前值，且PV－SV＝误差值。PID控制流程图和台达PID计算公式如图3。
图3 PID控制流程图和计算公式
比例控制是一种最简单的控制方式，其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。如图4，SV=100℃，P=10的情况下，PV在小于90℃时，输出量为100%。在PV大于90℃时，进入P区（红色部分）。输出量就会根据误差以比例方式调整输出量。在调节时应注意台达温控P是以℃为单位。
图4 比例控制P
积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系，如图5。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。常用的比例+积分（PI）控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。
单独P控制，输出量是静态的。存在静态误差。需要I来消误差。随着I作用的叠加输出量也会越来越小，直到误差消失。因为I在分母位置，I越小作用越大，I越大作用越小。I如果太大，则会出现震荡，回稳时间较长，最终稳定。I如果太小，出现迟迟达不到设定值的情况，最终稳定。在调节过程中应注意积分项控制单位为秒，并且I必须与P配合使用，因为积分控制无法单独存在。
图5 积分控制I
微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系，如图6。 自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后(Delay)组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。在调节过程中应根据变化温度变化的趋势对D值进行改变。如果上升趋势较大则提前减小输出量防止温度过冲；如果下降趋势较大，则增加输出量防止温度下滑。设置参数时D值越大，作用越强。D值越小,作用越弱。如果 D值太大会出现震荡，不会停止，系统稳定性变差。注意D控制单位为秒，且必须与P或PI一同配合使用。
在整个系统PID自整定完成后，通过DTE-2DS查看PID自整定参数并通过触摸屏重新输入至温控器中，启动系统并观察系统整体稳定性和抗扰动性，同时根据现场实际情况对参数进行微调。因为该温度控制系统温控一区为弹簧进料口，其保温性和抗干扰能力较差，根据参数调整规则得知系统扰动较大应该改变D值大小，调整时应依次增大不可一次性调整过多，减小规则应与增大相同。在系统运行过程中，发现温度下滑过快和加热温度过冲，在保
图6 微分控制D
证P值不变的情况下，适当加大D值来改善当前系统超调量和稳定性。当发现系统达到稳态调节时间过长且出现回稳慢的现象时应适当减小I值，同样应注意调整幅度。由于该过程控制系统工艺流程需要不同的温度设定值，当在系统运行过程中改变温度设定值时会出现当前值迟迟达不到设定值的情况，根据调整规则应当适当增大积分时间I值。在对PID自整定参数进行微调过程中发现加热温度上升过快且超调量较大，应适当增加P值，但要注意调整范围不能过大。在不同的温度设定值时出现温度上升较慢的现象，针对该现象应适当减小P值同时观察系统温度波动变化。在所有PID参数调整过程中，对不同的PID参数进行改变后应观察1-2个系统运行周期，综合系统各项性能指标进行下次调整。切记不可在参数调整后系统尚未达到稳态的情况下再次修改PID参数。
对于本次改造的连续式热风回火炉温度控制系统，不同温控区域的PID参数设定值相差较大。因为该系统温控一区加热功率较大且系统保温性能较差，系统运行时放入不同材质的弹簧会对温控一区稳定性产生较大干扰，所以温控一区P值和D值较大。温控二区和三区相对于一区系统扰动较小，但温控二区与三区加热功率和保温性能有所不同，因此温控二区P值处于一区和三区P值中间。温控三区与温控二区相比保温性能较好且扰动量小，其微分时间D值也就相对较小。针对该温度控制系统的PID参数微调整定过程，首先应在系统没有工料的状态下进行PID参数调整，然后在系统无料状态且较为稳定的PID参数基础上进行带料运行，根据系统运行状态再次调整PID参数，直到系统达到长时间稳定且有较强的抗扰动能力，最后保存并记录相应的PID参数。
在实际工程运用中，温控器的PID自整定参数只能作为参考，使用时应综合多方面因素进行微调，不能过分依赖系统自整定参数。在温度控制系统中，不同的温度设定值有相应的PID参数设置，不能将一个温度设定值的PID参数作为所有温度设定值PID参数。若将固定的PID参数应用在所有的温度设定区间，会对系统整体稳定性产生影响。
附：台达PID参数微调规则和PID参数作用
1）台达PID参数微调规则
P值的大小，直接可以判断出系统的热惯性的大小。通常情况下P=SV×(20%~60%) 都是合理范围。如果超过此范围就需要考量系统的加热功率太大或者传感器安装的位置是否合理等问题。以加热系统为例。在发现升温太慢时，就可以考虑适当减小P值。范围还是在SV×(20%~60%)。建议逐步减小，减小太多会出现温度超调现象。
I值的大小可以判断出，系统回稳能力。在加热系统中可以参考为热系统的保温能力。I值调整过大，则会出现系统回稳慢的现象，温度不断有波动，但是最终回稳定。 I值过小，则出现，PV值始终与SV出现一定偏差。无法到达设定值的情况。
D值作为系统中，根据PV的升降趋势来补偿输出量的功能。D值大说明系统外界干扰较大。过大的D值会产生PV值恒定波动的现象。过小的D值则会影响温度的恒定。
台达仪表参数中还有lof（积分预设值）一项。在自整定后，系统会写入一个参数。lof会对于积分控制的输出量累加一个输出值。其目的在于加快系统的输出响应，好让系统快些升温度，在恒定情况下也可以让系统保持稳定。一般情况下，只需要自整定得出的参数就好。
2）PID参数作用
①P作用：输出与输入误差成比例关系。
P越大，作用越弱；P越小，作用越大。
②I作用：消除稳态误差，加快系统响应时间。
I越大，作用越小；I越小，作用越大。
③D作用：增强系统抗干扰能力，保证系统稳定。
D越大，作用越大；D越小，作用越小。
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