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通常的加熱控制系統(tǒng)是，為了使被控制點的測量溫度(PV)與設定溫度(SV)一致，進行PID控制計算，控制加熱器的電源功率。下圖就是加熱控制系統(tǒng)的例子，控制容器內(nèi)液體溫度的系統(tǒng)。



在這個系統(tǒng)中被控對象的液體除自然冷卻以外沒有其他冷卻手段，因此設定溫度只有高于容器設置環(huán)境的溫度時，才能實現(xiàn)溫度控制。

為了不僅實現(xiàn)高于環(huán)境溫度時的控制，而且實現(xiàn)低于環(huán)境溫度時的控制，這就不僅需要加熱器也需要冷卻液體的冷卻機構(gòu)，需要同時控制加熱器和冷卻機構(gòu)，下圖所示就是存在加熱和冷卻控制的溫度系統(tǒng)。



通常可以選擇加熱冷卻動作的溫控器，加熱側(cè)是反作用，冷卻側(cè)是正作用。這里建議大家看看《怎樣選擇PID調(diào)節(jié)器的正作用和反作用》，深入了解溫控器正反作用，這對溫控器選型和使用很有必要。

◆反作用：溫度測量值增加時，溫控器的輸出減少的控制動作。(溫度上升→加熱輸出減少)
◆正作用：溫度測量值增加時，溫控器的輸出增加的控制動作。(溫度上升→冷卻輸出增加)



2、設置加熱冷卻控制的PID
需要加熱冷卻的應用都帶有加熱控制(加熱器～溫度傳感器)和冷卻控制(冷卻機構(gòu)～溫度傳感器)，兩個控制系統(tǒng)，并且在大多數(shù)情況下，加熱系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)的響應特性不一樣。



為此溫控器也被設計成分別設置加熱系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)的PID參數(shù)。

設置加熱冷卻PID參數(shù)的方法
設置加熱冷卻控制的溫控器的PID參數(shù)有兩種方法。具體參數(shù)因溫控器的型號，溫控器檔次以及制造商的不同而有差異。

①只有比例帶可以分別設置的類型
此類型比例帶可以對加熱系統(tǒng)設置加熱比例帶，對冷卻系統(tǒng)設置冷卻比例帶。積分時間設置和微分時間設置則是加熱系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)共用。因此此類型的加熱冷卻PID溫控器，由加熱比例帶，冷卻比例帶，積分時間和微分時間4個PID參數(shù)進行演算。這種類型設置只增加了一個調(diào)整項目，雖然調(diào)整簡單，但是微調(diào)整受限制。

②加熱控制系統(tǒng)和冷卻控制系統(tǒng)可以獨立設置的類型
此類型因為加熱和冷卻的PID常數(shù)可以分別獨立設置，所以可以更精確地調(diào)整常數(shù)，但是很難得到最佳PID參數(shù)。

3、加熱冷卻PID動作
為了便于理解，大家隨昌暉儀表來看一個加熱側(cè)和冷卻側(cè)都是比例控制的情況。



圖中紅線是加熱輸出，藍線是冷卻輸出。如圖所示，測量溫度PV低于設定溫度SV的領(lǐng)域是加熱側(cè)進行輸出，測量溫度PV高于設定溫度SV的領(lǐng)域是冷卻側(cè)進行輸出。

另外，在加熱輸出和冷卻輸出的切換點可以設置不感帶(死區(qū))，或者重疊輸出。




Ph：加熱比例帶設置[℃]； Pc：冷卻比例帶設置[℃]； DB：重疊設置[℃]

4、冷卻方法和冷卻特性
①電子冷卻器
電子冷卻器是利用帕爾貼效應的冷卻器，帕爾貼素子的吸熱面直接固定在被冷卻物上，溫控器的冷卻輸出和吸熱量近似于線性關(guān)系。

②使用風扇的風冷
用在風冷式塑料成型機等的冷卻方法是，將電風扇發(fā)生的風加到被加熱(冷卻)物上進行冷卻的方法。通常使用繼電器或者固態(tài)繼電器控制電風扇的開關(guān)比率，來控制風量。因此溫控器的輸出和電風扇的開關(guān)比率成正比。但是因為電風扇的慣性和熱傳遞的影響，所以冷卻輸出和吸熱量是非線性關(guān)系。

③用水冷卻
用在水冷式塑料成型機等的冷卻方法是，利用控制電磁閥向冷卻管注入水的冷卻方法。冷卻管是被配置在100℃以上的被加熱(冷卻)物上的水管。利用水的相變化或者熱傳遞冷卻。同空冷方法一樣溫控器的冷卻輸出和吸熱量是非線性關(guān)系，比風冷有更強的非線性關(guān)系。



5、非線性的冷卻特性和PID的自整定
在上面加熱冷卻控制的應用中，昌暉儀表介紹了冷卻側(cè)的靜態(tài)特性是非線性特性。在決定PID參數(shù)時，需要考慮加熱系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)的靜態(tài)特性。如果可以近似看作是線性的話，則用一組PID參數(shù)就可以適用整個負載條件。

如果不能看作是線性的話，則需要根據(jù)運行條件進行調(diào)整。

那么，對于非線性的控制對象，應該如何決定它的PID常數(shù)呢？

①控制點變動不大的場合
溫度設定值：如果SV是一定的，也沒有大變動的情況下，可以將其運行條件附近的響應特性近似看作線性，決定PID參數(shù)。



例如，像上圖所示冷卻特性的控制對象，在穩(wěn)定運行期間負載率在20%的場合，將冷卻側(cè)20%附近的冷卻特性近似看作直線決定PID參數(shù)，在這個負載率附近控制的話，可以得到良好的控制效果。
 
②控制點變動大的場合
溫度設定值：SV的變動幅度或者變動較大的場合，設備運行時負載條件也有很大差異，因此不能僅用一個運行條件來線性近似。為此，需要考慮設定溫度條件或者負載變動條件等，切換到各個條件下對應的PID參數(shù)進行控制。



在上圖的例子中，
◆冷卻負載率：20%以下的控制條件(綠色)
◆冷卻負載率：20%前后的控制條件(紅色)
◆冷卻負載率：20%以上的控制條件(褐色)
等的負載條件下，決定線性近似的PID參數(shù)，再根據(jù)運行條件切換到相對應的PID參數(shù)。

6、總結(jié)
冷卻側(cè)控制，根據(jù)冷卻方法的不同存在非線性特性，和通常的加熱控制相比調(diào)整變得困難。盡管如此能用一臺溫控器控制加熱和冷卻(比如使用昌暉儀表生產(chǎn)的高性能溫控器YR-RJD系列)，也是非常有效的控制方法。

為了最大限度地發(fā)揮加熱冷卻控制的優(yōu)勢，昌暉儀表的溫控器搭載了獨創(chuàng)的加熱冷卻控制算法。無論是利用風冷還是超過100℃的水冷都能得到良好的控制效果。

另外，為了能夠得到良好的PID參數(shù)，昌暉準備了對應各種冷卻系統(tǒng)的自整定功能，比如：
◆可以近似看作是線性的冷卻控制系統(tǒng)
◆像空冷式擠出機那樣冷卻特性不能看作線性的冷卻控制系統(tǒng)
◆像水冷式擠出機那樣非常強的非線性冷卻控制系統(tǒng)