溫度控制器

選擇的考慮因素

電熱的可控性

控制器的基本功能是將實(shí)際溫度與設(shè)定值 比較，并產(chǎn)生用于維持設(shè)定值的輸出。

控制器是整個(gè)控制系統(tǒng)的一部分，在選擇 合適的控制器時(shí)應(yīng)對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行分析。 選擇控制器時(shí)應(yīng)考慮以下各項(xiàng)：

1. 輸入傳感器的類型（熱電偶、RTD、 卡式和溫度范圍）
2. 傳感器的布置
3. 所需控制算法（通/斷、比例、PID、 自動(dòng)整定PID）
4. 所需輸出硬件的類型（機(jī)電式繼電 器、SSR、模擬輸出信號(hào)）
5. 附加輸出或系統(tǒng)要求（要求的溫度和/ 或設(shè)定值顯示屏、冷卻輸出、報(bào)警、 限值、計(jì)算機(jī)通信等）

輸入類型

輸入傳感器的類型取決于所需溫度范圍、 所需測量分辨率和精度、傳感器的安裝方 法和位置。

傳感器的布置

傳感元件相對于工作位置和熱源的正確布 置對良好的控制為重要。如果三者可以 近距離布置，將能夠較容易地得到很高的 精度，甚能達(dá)到控制器的精度。但 是，如果熱源距工作位置較遠(yuǎn)，將傳感元 件定位在加熱器和工作位置之間不同的地點(diǎn)，所達(dá)到的精度會(huì)有很大差異。

選擇傳感元件的位置前，應(yīng)先確定熱量需 求是基本穩(wěn)定的還是有所變化。如果熱量 需求相對穩(wěn)定，將傳感元件布置在熱源 附近可將工作位置處的溫度變化保持在 小。

而當(dāng)熱量需求變化時(shí)，將傳感元件布置在 工作位置附近將使其能夠更快速地感知熱 量需求的變化。但是，由于加熱器和傳感 元件之間熱滯后加大，會(huì)發(fā)生更大的過調(diào) 量和欠調(diào)量，造成在高溫度和低溫度 之間更大的分散。通過選擇PID控制器可 以減小這種分散。

控制算法（模式）

控制器嘗試將系統(tǒng)溫度恢復(fù)到所需水平所 采取的方法。兩種常見的方法是二位（ 通斷）控制和比例（節(jié)流）控制。

通斷控制

通斷控制簡單的控制模式。它具 有死區(qū)（差值），以輸入量程的比 表示。設(shè)定值通常位于死區(qū)中心。因 此，如果輸入為0 ～ 1000?F，死區(qū)為 1%且設(shè)定值為500?F，當(dāng)溫度為495?F或 更低時(shí)，輸出將為全通，直到溫度達(dá)到 505?F， 此時(shí)輸出將為全斷。它將保持全 斷狀態(tài)，直到溫度降到495?F。

如果過程的響應(yīng)速率很快，在495?F和 505?F之間的將很快。過程的響應(yīng)速 率越快，過調(diào)量和欠調(diào)量會(huì)越大，當(dāng) 用作終控制元件時(shí)，接觸器的也 越快。

通斷控制通常用在不需要控制的場 合，例如無法使能源頻繁接通和切斷的 系統(tǒng)中，因系統(tǒng)太大而溫度變化極 慢的情況，或者用作溫度報(bào)警。

用作報(bào)警的一種特殊類型的通斷控制裝置 為限制控制器。這種控制器使用必須手動(dòng) 復(fù)位的鎖定繼電器，用于在達(dá)到特定溫度 時(shí)關(guān)閉過程。

比例

比例控制設(shè)計(jì)用于伴隨通斷控制的循 環(huán)。比例控制器在溫度接近設(shè)定值時(shí)降低 供給加熱器的平均功率。這能夠減慢加熱 器加熱，以便溫度不會(huì)超過設(shè)定值，但會(huì) 接近設(shè)定值并維持在一個(gè)穩(wěn)定的溫度。這 種比例作用可通過以短時(shí)間間隔接通和切 斷輸出來實(shí)現(xiàn)。這種“時(shí)間比例控制”通 過“打開”時(shí)間和“關(guān)閉”時(shí)間的比率變 化來控制溫度。

兩次連續(xù)“接通”之間的時(shí)間稱為“ 時(shí)間”或“工作周期”。比例作用發(fā)生在 設(shè)定溫度附近的一個(gè)“比例帶”內(nèi)。超出 此比例帶，控制器的作用方式與通斷控制 器一樣，輸出為全通（比例帶以下）或全 斷（比例帶以上）。但是，在比例帶內(nèi)， 輸出的接通和切斷與測量值和設(shè)定值之差 成比例。在設(shè)定值（比例帶的中點(diǎn)）處， 輸出通斷比為1:1，即接通時(shí)間和切斷時(shí) 間相等。如果溫度遠(yuǎn)離設(shè)定值，接通時(shí)間 和切斷時(shí)間與溫差成比例變化。如果溫度 低于設(shè)定值，輸出接通時(shí)間較長。如果溫 度高于設(shè)定值，輸出切斷時(shí)間較長。

比例帶通常以輸入滿量程的比或度 表示。它也可以稱為增益，是比例帶的 倒數(shù)。在許多裝置中，時(shí)間和/或比 例帶寬度可以調(diào)節(jié)，從而使控制器可以 很好地匹配特定的過程。

比例控制器有一個(gè)手動(dòng)復(fù)位（微調(diào)）調(diào)節(jié) 裝置，可用于調(diào)節(jié)穩(wěn)態(tài)溫度和設(shè)定值之間 的偏移量。

除機(jī)電和固態(tài)繼電器輸出外，比例控制器 也可以有比例模擬信號(hào)輸出，如4 ～ 20 mA或0 ～ 5 Vdc。在這些輸出 中，變化 的是實(shí)際輸出電平振幅，而不是通斷時(shí)間 的比例。

圖1：比例控制

比例加積分加微分控制模式(PID)：

這種控制器與比例控制器的工作方式相 同，只是微調(diào)功能由積分功能（自動(dòng)復(fù) 位）自動(dòng)執(zhí)行， 從而對負(fù)載變化進(jìn)行自 動(dòng)補(bǔ)償，使溫度在所有工作條件下都與 設(shè)定值一致， 偏移得以。

微分功能（速率作用）補(bǔ)償快速發(fā)生的 負(fù)載變化。一個(gè)示例是間斷輸送產(chǎn)品的 輸送帶烘道。當(dāng)產(chǎn)品進(jìn)入烘道時(shí)，熱量 需求急速上升，當(dāng)輸送帶停止時(shí)，有 了多余的熱量。微分作用可在這種情況 下減少溫度的欠調(diào)量和過調(diào)量，從而 阻止因烘烤過度或不足而產(chǎn)生不合格 產(chǎn)品。

與通斷或比例控制器相比，PID控制器 可提供更、更穩(wěn)定的控制。它適 用于相對較小，對過程所加能源的 變化反應(yīng)迅速的系統(tǒng)。在負(fù)載變化頻繁 的系統(tǒng)中，建議使用這種控制器。該控 制器能夠隨著設(shè)定值的頻繁變化，自動(dòng) 補(bǔ)償可供能源量和要控制的。

圖2：速率功能補(bǔ)償快速變化

比例、積分和微分項(xiàng)必須進(jìn)行“整定” ，即針對特定過程進(jìn)行調(diào)節(jié)。這一操作 通過試誤法完成。有些控制器稱為自 整定控制器，它們會(huì)嘗試自動(dòng)調(diào)節(jié)PID 參數(shù)。

圖3：復(fù)位功能偏移。

控制輸出硬件的類型

溫度控制器的輸出硬件可以是幾種形式 中的一種。要使用的控制硬件類型取決 于所用的加熱器和可用功率、所選的控 制算法，以及控制器外部可用于處理加 熱器負(fù)載的硬件。常用的控制器輸出 硬件如下：

時(shí)間比例或通斷

1. 機(jī)械式繼電器
2. 三端雙向可控硅開關(guān)（交流固態(tài)繼電器
3. 直流固態(tài)繼電器驅(qū)動(dòng)器（脈沖）

模擬比例

1. 4 ～ 20 mA直流
2. 0 ～ 5 Vdc或0 ～ 10 Vdc

時(shí)間比例輸出為負(fù)載供電的時(shí)間是固定循 環(huán)時(shí)間的數(shù)。例如：對于10秒的 時(shí)間，如果控制器輸出設(shè)置為60%，繼電 器將通電（閉合、供電）6秒，然后斷電 （打開、不供電）4秒。

機(jī)電式繼電器通常是的一種，一般 在時(shí)間大于10秒、負(fù)載相對較小的系統(tǒng)中選用。

選擇交流固態(tài)繼電器或直流電壓脈沖能夠 地驅(qū)動(dòng)外部SSR，因?yàn)樗鼈儾话?任何移動(dòng)零件。對于要求短時(shí)間的過 程，也使用它們。外部固態(tài)繼電器可 能需要交流或直流控制信號(hào)。

振幅比例輸出通常是模擬電壓（0 ～ 5 Vdc）或電流（4 ～ 20 mA）。這種輸出 的輸出電平也由控制器設(shè)置。如果輸出 設(shè)置為60%，輸出電平將是5V的60%， 即3V。對于4 ～ 20 mA輸出（16 mA的 量程），60%等于(0.6 x 16) + 4，即 13.6 mA。這種控制器常常與SCR電源 控制器或比例閥一起使用。

電阻式加熱器使用的功率通常以瓦為單 位表示。繼電器的負(fù)載電流以安為單位 表示。決定繼電器額定要求的常用 公式為：

W = V(A)(1.5) 或A = W/(V)(1.5) 其中A = 繼電器的額定電流，單位為安W = 加熱器的大功率，單位為瓦
V = 使用的電壓
1.5 =系數(shù)

可用在控制器外部處理負(fù)載的可用硬件類型如下：

1. 機(jī)械式接觸器
2. 交流控制固態(tài)繼電器
3. 直流控制固態(tài)繼電器
4. 零交越SCR電源控制器
5. 相角起通SCR電源控制器

機(jī)械接觸器為外部繼電器，可以在需要控 制器中的繼電器的大電流時(shí)使 用，或者用在某些三相系統(tǒng)中。對于短于 15秒的時(shí)間，不建議使用它們。

與機(jī)械接觸器相比，固態(tài)繼電器的優(yōu)點(diǎn)是 它們沒有移動(dòng)部件，因此可以在時(shí)間 短時(shí)使用。時(shí)間越短，死滯后越小， 控制越好。“切換”在交流的零電壓 交越點(diǎn)發(fā)生，從而不會(huì)產(chǎn)生可感知的電氣 噪聲。交流控制固態(tài)繼電器與控制器的機(jī) 械式繼電器或三端雙向可控硅開關(guān)輸出一 起使用，高可用于480 Vac下90 A的電 流。直流固態(tài)繼電器與直流固定驅(qū)動(dòng)器 （脈沖）輸出一起使用。“接通”信號(hào)可 以為3 ～ 32 Vdc，有多種型號(hào)，高可 控制480 Vac下90A的電流。

零交越SCR電源控制器 用于控制更大負(fù)載 的單相或三相電源。它們可以用于480 V 下高達(dá)200 A的電流。控制器通常需要輸 出一個(gè)4 ～ 20 mA直流控制信號(hào)。零交越 SCR電源控制器將模擬輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成 一個(gè)時(shí)間約為2秒或更小的時(shí)間比例 信號(hào)，并在零交越點(diǎn)進(jìn)行切換，以避免產(chǎn) 生電氣噪聲。

相角SCR電源控制器也由4 ～ 20 mA直流 控制器輸出操作。通過控制一個(gè)完整的交 流正弦波每半周的接通（起通）點(diǎn)來控制 負(fù)載的供電。這使電壓在單個(gè)0.0167 秒周期內(nèi)變化的作用。通過比較，時(shí)間 比例控制器在整個(gè)時(shí)間（通常大于1 秒，常常會(huì)大于15秒）上變化平均功率。 相角SCR電源控制器用于燈 或電熱絲加熱器等低熱慣性加熱元件。