溫度調節器

本文以（洛克菲勒/ROCKEFELLER公司出品的溫度控制器為例）

溫度控制的概要

什麼是溫度控制？

把控制對象的溫度操作至需要的溫度，這個過程就是溫度控制。

溫度控制的好壞

在對控制對象進行控制的過程中，把溫度變化的結果叫控制結果。控制的好就是怎樣把控制結果去接近理想的響應。

理想的溫度控制是當目標溫度變化時（變更設定值、投入電源時的起動）、控制的溫度可以忠實地跟蹤。現實中，由於控制對象、溫度檢測部分、操作部分等有時間延遲，所以，控制部分對延遲返回的溫度進行補正動作。因此，產生“上沖”，“下沖”現象。如果為了得到好的控制結果，把控制動作的增益（響應性）減小，則達到目標溫度的時間變長了，或振蕩減不下去，甚至變大。

把哪個作為好的控制結果？因控制對象的用途以及目的而異，適當的響應性，且振蕩少。

控制動作的種類

● 二位置動作（開關動作）

電取暖器或電熨斗進行的溫度控制就是開關控制，即如果實際的溫度比設定值高就關斷（OFF）電爐絲的電源，如果比設定值低就接通（ON）電爐絲的電源。象這樣對於設定溫度來說，根據測量溫度的高低進行的OFF/ON控制叫二位置動作或開關（OFF/ON）動作。

控制簡單，缺點是產生振蕩。

● 比例動作（P動作）

輸出與設定值和測量值的偏差的大小成比例的操作量，進行控制。

以設定值為中心設置比例帶，一旦測量溫度進入比例帶內，就漸漸地減小操作量。

溫度在比例帶內尋找平衡點趨於穩定，但測量值與設定值很少一致。

設定溫度與穩定溫度的偏差叫殘留偏差。

● 積分動作（I動作）

用比例動作進行控制會發生殘留偏差。用積分動作（I動作）消除殘留偏差。

積分動作是輸出偏差（設定值與測量值的差）的大小和發生偏差的時間圍成的面積，即與積分值的大小成比例。

鑒此，只要有偏差，積分動作就為了消除偏差起作用，進而消除殘留偏差。

積分動作的強弱用積分時間表示。積分動作所產生的輸出（操作量）與比例動作產品的輸出（操作量）相等時所經過的時間叫積分時間。

積分時間越短，積分效果越強。積分時間越長，積分效果越弱。

如果積分效果太強，則易發生振蕩，不穩定。

● 微分動作（D動作）

按照與發生偏差（設定值和測量值的差）的速度成比例的操作量進行控制，用於防止偏差的變大於未然的動作叫微分動作（D動作）。

微分動作的強弱用微分時間表示。微分時間為微分動作所產生的輸出（操作量）與比例動作產生的輸出（操作量）相等時所經過的時間叫微分時間。

微分時間越長，微分效果越強。微分時間越短，微分效果越弱。

如果微分效果太強，即使偏差的變化小，也出現大的輸出變化，發生振蕩，而不穩定。

● PID動作

PID動作是比例動作、積分動作、微分動作的組合。用比例動作可得到沒有振蕩的穩定控制結果，用積分動作消除殘留偏差，用微分動作改善外亂的影響。

適用於無效時間大過調節（上沖）大的場合。

控制動作的種類

● 正動作和逆動作

正動作是當實際溫度比設定值高的場合，增加操作量。

正動作用於冷卻控制。

逆動作是當實際溫度比設定值低的場合，增加操作量。

逆動作用於加熱控制。

● 加熱冷卻控制

控制分加熱和冷卻控制。

通過去1台溫度控制器可以輸出加熱和冷卻兩種操作量。

● 位置比例控制

在採用可控馬達的控制中，輸入可控馬達的開度（電阻尺的位置），輸出控制信號。也備有對應「不用電阻尺」可控馬達溫度控制器。

● 級聯控制

對於想控制溫度的部位與熱源之間有較大時間延遲的對象有效。

把一次控制器（主）的控制輸出作為二次控制器（從屬）的遠程設定輸入。

二次控制器用一次控制器的控制輸出一邊修正溫度設定值，一邊進行熱源的溫度控制。

● 手動控制

不是通過控制器進行自動控制，而是用手動使操作輸出變化進行控制。

用於過程式控制制的起動時、試運行時等。

● PV偏置

在測量輸入加上用PV偏置設定的值，補正測量輸入。

用於補正各個感測器參差不齊的偏差或與其他儀器的測量值的偏差的場合。

例：用2台溫控儀測量相同點的溫度時，顯示的測量值為

溫控儀A：200℃

溫控儀B：198℃

如果在溫控儀B設定PV偏置為+2℃，則顯示值為：

顯示值=測量值+PV偏值

=198℃+2℃=200℃。

●數字濾波

用於降低輸入的雜波干擾。等價為一次延遲的CR低通濾波器。

濾波器的時間常數根據控制對象的特性和雜波等級進行設定，可以抑制輸入雜波的影響。

如果時間常數太小，則得不到濾波效果。如果時間常數太大，則響應性變差。

●冷接點溫度補償電路

熱電偶根據儀錶端子和測量點的溫度差產生相應的熱電動勢。

端子部位的溫度是設置儀錶的室內溫度，所以僅產生相當於儀錶端子和測量點的溫度差的熱電動勢。

冷接點溫度補償電路是檢測出室溫，把室溫部分的熱電動勢加上進行補償，使其成為對應測溫點的溫度的熱電動勢。

● 開平方演算

在測量流量的場合，使用差壓式流量計時，一般其輸出信號Δ、P（差壓）與流量（Q）有如下關係：

Q=∝√ Δ P

因些，可把來自流量計的輸出信號Δ、P進行開平方即可求出流量（Q）。

● 切除PV低輸入

進行開平方演算的場合，在輸入小的時候，即使差壓變化幅度小，也會導致測量流量大幅變化、或者因輸入雜波引起不穩定。為了避免上述現象，把測量的Δ P1以下的部分算為零的功能。

● 設定限幅器

限制設定值的設定範圍的功能。

● 設定變化率限幅器

設定變更了設定值時每單位時間設定值的變化量的功能。

用於變更了設定值而不希望輸出激劇變化的場合，或用於簡易程序控制的場合。

● 多存儲區域功能

預先將設定值（SV）、PID常數、警報設定值、比例帶（P）、積分時間（I）、微分時間（D）等各種參數組登錄在數個存儲器上的功能。

把可登錄的參數組數叫存儲器數、能登錄8組的場合叫8存儲器。

根據需要調出相應的存儲器（區域）用於控制。

可把繁瑣的設定變更簡單化。

● 遠程設定

用來自外部的模擬信號進行設定值（SV）設定。

·RS倍率

對於遠程設定值乘以倍率的功能。

·RS偏值

對於遠程設定值用RS偏置加（減）得到的值為設定值。

有關控制

● 敏捷PID控制

PID控制是通過設定P（比例帶）、積分時間（I）、微分時間（D）的各常數，想得到穩定的控制結果，現在被廣泛應用。但是，此PID控制的缺點是：

如果為了使「對應設定的響應」好而設定PID各常數，則「對應外亂的響應」變壞；相反，如果為了使「對應外亂的響應」好而設定PID各常數，則「對應外亂的響應」變壞。

敏捷PID控制，在使「對應外亂的響應」好而設定的PID參數的基礎上，可以從三種「對應設定的響應」的形狀Fast、Medium、Slow中選擇。

把這3種響應形狀叫控制響應參數。如果注重響應速度則選“Fast”，如果為了不產生過調節（上沖）則選“Slow”。

● 自動演算（AT）

自動演算（AT）是對於設定的溫度自動地演算、設定最佳PID常數的功能。

自動演算可以從投入電源后升溫中、控制穩定時的任意狀態開始。

● AT偏置

AT偏置是進行測量值（PV）不超過設定值（SV）的自動演算的場合設定。

如果一旦設定AT偏置，則可以變更進行自動演算的設定值（SV）即[AT點]。

● 控制狀態判斷型自我演算

當判斷控制已滋亂的場合，自我演算功能起作用。

在正常控制中不實行自我演算，考慮了信賴溫度必一和穩定性。

● RFB（Reset Feed Back）限幅器

測量值（PV）與設定值（SV）的偏差長時間持續的場合，PID演算結果會超出操作量的有效範圍（0~100%）。特別是積分（I）輸出值大超過了需要、即使偏差變小了，實行修正動作也慢。

RFB限幅器是當PID演算結果超過了限幅點（100%）的場合，為了使PID演算結果經常在有效範圍內把超過的部分反饋成積分值，使演算結果保持在限幅點而進行修正動作。

●arw（Anti Reset Windup）

PID控制的場合，如果從控制對象起動時就使積分（I）動作起作用的話，就會產生很大的上沖。

ARW是通過限制積分動作（I）的生效範圍，抑制上沖的功能。積分動作僅在消除殘留偏差時起作用即可，所以在比例帶內減小積分動作起作用的範圍，可把上沖抑制在最小。

有關警報

● 偏差警報

偏差[測量值（PV）-設定值（SV）]達到警報設定時為警報狀態。

警報設定值的移動伴隨設定值而變化。

● 輸入值警報

測量值（PV）達到警報設定時為警報狀態。

● 設定值警報

設定值（SV）達到警報設定時為警報狀態。

● 警報動作間隙

當測量值（PV）在警報設定值附近時，由於輸入值的飄移等有時會導致警報輸出反覆ON、OFF。通過設定警報動作間隙可以防止反覆ON、OFF。

● 警報待機動作

所謂待機動作是指當投入電源時，或把運行方式從停止（STOP）切換至執行（RUN）時，或變更了設定值時，即使測量值（PV）在警報區域也一直等到測量值（PV）脫離警報區域前，使警報功能無效的動作。

※ 請注意有的儀錶叫再待機動作，是指包含變更設定值（SV）的待機動作的場合。而待機動作則不包含變更設定值（SV）的待機動作。

● 警報延遲定時

警報延遲定時是指測量值（PV）即使進入了警報區域也要經過警報延遲定時設定的時間后才成為警報狀態的功能。

● 警報鎖定

警報鎖定是指測量值（PV）一旦進入警報區域即使測量值（PV）再次脫離警報區域也保持警報狀態的功能。

可以用前面操作按鍵或外部接點解除警報鎖定。

● 警報的勵磁/非勵磁

·勵磁警報：警報狀態時，繼電器接點閉合。

·非勵磁警報：警報狀態時，繼電器接點斷開。

有關控制

● 加熱器斷線警報（HBA）

加熱器斷線警報是用電流檢測器（CT）檢測出通過電熱器的電流，將檢測出的值與電熱器斷線警報（HBA）設定值進行比較，在如下場合時為警報狀態的功能。

① 控制輸出為ON時，CT的輸入值為電熱器斷線警報設定值以下的場合

原因：電熱器斷線、操作器異常等。

② 控制輸出為OFF時，CT的輸入值為電熱器斷線警報設定值以下的場合

原因：繼電器的接點熔接等。

● 控制迴路斷線警報（LBA）

控制迴路斷線警報是當控制輸出變為100%（或輸出限幅器上限）以上或0%（或輸出限幅器下限）以下的時刻開始、以每隔LBA設定時間為單位檢測測量值（PV）的變化量、根據其變化量判斷控制迴路是否有異常。

以下場合為警報狀態：

① 控制輸出為100%以上（或輸出限幅器上限）時

正動作的場合：在LBA設定時間內，測量值（PV）下降幅度小於LBA判斷變幅度（2℃）的場合。

逆動作的場合：在LBA設定時間內，測量值（PV）上升幅度小於LBA判斷變幅度（2℃）的場合。

② 控制輸出為0%以上（或輸出限幅器下限）時

正動作的場合：在LBA設定時間內，測量值（PV）上升幅度小於LBA判斷變幅度（2℃）的場合。

逆動作的場合：在LBA設定時間內，測量值（PV）下降幅度小於LBA判斷變幅度（2℃）的場合。

原因

控制對象異常：加熱器斷線、未供給負載電源、配線錯誤等。

感測器異常：感測器脫落、短路等。

操作器異常：繼電器的接點熔合等。

儀器內部異常：儀器內部的繼電器的接點熔合等。

※ 控制迴路斷線警報判斷控制迴路內的異常，但是不能判斷異常的部位，需要確認控制系統。

·LBA不感帶

由於外亂（受其他熱源的影響等）即使控制系統沒有異常也有可能成為警報狀態（控制迴路斷線警報）。這種場合通過設定LBA不感帶（LBD），可以設定不成為警報狀態的區別。

有關輸出

● 輸出限幅器

限制（上限、下限）控制輸出量的範圍的功能。控制輸出為100%的輸出的話，會給裝置帶來不良影響的場合，進行設定輸出限幅器。

● 輸出變化率限幅器

設定單位時間內的控制輸出的變化量的功能。

用於怕輸出激劇變化的裝置。

● 模擬輸出（轉換輸出）

把測量值（PV）·設定值（SV）·控制輸出值（MV）·測量值與設定值的偏差值（DEV）·開度輸入值等以直流電壓·電流的狀態輸出。

可用於記錄儀等的輸入。

有關接點輸入

● 事項輸入（外部接點輸入）

用來自外部的信號可以進行控制的停止/開始、遠程/本地切換、存儲區域的切換、階梯（SV1/SV2的切換）、程序模型的切換等。