台达PID控制

台达PID控制

PID

摘要：塑料制品在生产生活中无处不在。塑料生产设备多种多样。多数利用热塑性原理

工作的塑料生产设备的设备都会用到温度控制器。本文以塑料挤出机为例介绍台

达温控的PID控制原理及应用。

关键词：台达温控器 PID 塑料机械

1

塑料有其独特的热塑性物理化学特性。在塑料行业的生产过程中，加工温度的控制，是

决定产品质量最重要的环节之一。塑料挤出机（图1）一般有单螺杆和双螺杆之分，主要用

来挤制软、硬聚氯乙烯、聚乙烯等热塑性塑料之用，与相应的辅机（包括成型机头）配合，

可加工多种塑料制品，如膜、管、棒、板、丝、带电缆绝缘层及中空制品等，亦可用于造粒。

台达DTA等系列温控器（图2）利用PID控制算法，保证在复杂生产环境中，精确控制原

料生产温度，避免因为温度过高或者过低造成废品率高的现象。以图2为例，一台挤出机中使用多个DTA温控器控制加热，并且于每个加热器上，对应配有一组散热风扇，或者水冷

装置。

图1 塑料挤出机

图2 台达温控器

2

2.1

基于原材料的物理物理化学特性，要求控制温度不能超过设定温度正负2摄氏度。温度过低，挤出口出料不畅，造成前端挤出机构负载过大；温度过高，则可能改变原料特性导致

成品报废。

2.2

1 控制方法效果比较。根据对象特性与现场考察，如果控制方式选择较为容易操作的

ON-OFF控制方式，此方式会导致目标温度振荡超差(图3)。在理想的工艺控制范围，ON-OFF控制是无法达到稳定的，而PID控制会比ON-OFF更加的精确。

图3 控制方法效果比较

2 PID控制参数自整定的适用性分析。虽然台达DTA系列温控器具有智能化PID参数自整定功能，但是由于不支持双程对象控制，因此当选择PID自整定控制方式时，反而会

造成精度误差更大。原因是DTA温控器不支持双输出的功能，所以只可单选加热，挤出机

上方配备的冷却风扇则是利用DTA的警报输出来触发，作为冷却输出。而DTA 的自整定，必须在自然冷却或者冷却方式相对恒定的环境进行，而利用警报来做冷却控制，实际已变成

突发事件，不在正常的情形之下，如此会造成降温时间及振荡周期变短，将造成振荡情形更

加的剧烈。

3 PID控制参数人工整定的适用性分析。由于挤出机设备出厂值是一般能达到控制要

求的，所以于此设备中，以出厂值即可达到所需的要求，反倒是执行自整定会测得不正确参

数，造成温度的上下振荡。如果对于有些场合，温度上升需要加快的话，适当调小P值即可。

4 由于塑料设备冷却速度非常的慢，所以超温时利用警报输出来触发风扇加速冷却。

需要注意DTA中使用警报进行风扇冷却，须将ALARM范围设定的较大（如超出4度时才执行），因为除非异常情形，平时温度是不易超出此范围的，如果ALARM 设定过小(如1度)，超出设定值即冷却，会造成冷却速度太快，产生温度振荡。

3 DTA PID

31 PB

控制器的P值其实就是比例带(PB)；I值为积分时间(Ti)；D值为微分时间(Td)。

P值指的是比例(图4)，若是P设定为20，SV（目标温度）设定为150度，此时于150-20=130度之前，输出将以全输出的方式来执行，所以若是我们将P值调整的太小，则将会产生温

度加热过高的情形。出厂值P为47.6，若我们欲达到的温度为100度，则于100-47.6=52.4度时即展开比例控制输出量，所以除非加热速度很快，否则不会造成上下振荡的情形。

图4 比例带PB控温效果

比例带PB控制输出量的大小是控制温度精度的基础因素，根据PID算法的输出量公式如下：

由以上可得知，I及D为零时，输出量即为1/PBe，故只有P控制。而e = PV(现在值) – SV(设定值)，所以也可得知，当目前温度已等于设定温度时，e值即为零，此时P控制中即无输出量，P无输出量是无法将温度一直保持在设定值的，此时便需利用I控制来执行补偿的动作。

3.2I

I值指的是积分量。由上述公式中可得知，输出量是由P量+I量+D量，所以当未进入比例控制时，是不执行I控制的，因这时系统已处于全输出状态，I量无法再增加上去。那么，控制的积分量将于何时来激活积分动作呢？如图5所示，积分动作触发时机为温度先

由上升至反转下降的时候，我们可推论，于加热开始时，原本温度即会产生超调现象，若此

时再增加积分量，那么温度也就过高更多了。因此当我们激活积分动作时，此时公式中

1/Ti*1/PB?edt也随之运算，式中也可知Ti是位于算式中分母的位置，所以当Ti值愈小时，

所算得的积分量愈大；反之，Ti值愈大，则计算的积分量则愈小。

图5 积分常数I控温效果（1）

本文示例设备的出厂的I默认值为260，是为避免积分量太大，会造成加热温度过高产

生振荡，而又为何在此挤出机中执行Auto Tuning会测得过小的I 值呢？如图6中所示，I值是由（周期时间/2）计算取得，而塑机中的温度下降速度（不激活风扇）是相当缓慢的，

所以I值将相当的大，但我们利用风扇加速风扇的冷却，此时周期时间大大的缩短，I值相对的也大大的变小了，因此振荡情形也更加的剧烈了。

图6 积分常数I控温效果（2）

自动整定(Auto Tuning)的动作完成后，控制器也将自动填入一值至参数Iof 中，目的是当我们以PID方式控制时，我们知道于系统稳定时(PV现在值=SV设定值)，此时P量是为零的，所以必须藉由I量来控制稳定所需输出量，此输出量可由系统稳定时参数OUT来得知，以此挤出机为例，当系统稳定时，进入参数观察输出量13%，因此系统将此值(13)自动填入Iof参数中，当我们重新再激活系统时，输出量将为P量 + Iof量，如此可加速加热的过程时间。

3.3 D

D值指的是微分量。当系统温度产生变化时，将激活D量控制。若于加热的系统中，

温度快速的下降，此时U(输出量)=P量+I量+D量。相反的，系统中温度快速的上升，此时