塑料挤出机温度控制.

塑料挤出机温度控制
1控制要求
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 控制方法分析
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。个别温控器虽然具有智能化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怎样设定PID温控器
PID代表Proportional-Integral-Derivative，即比例积分微分，指的是一项流行
的线性控制策略。在PID控制器中，错误信号（受控系统期望的温度与实际温度
之间的差值）在加到温度控制电源驱动电路之前先分别以三种方式（比例、积分
和微分）被放大。比例增益向错误信号提供瞬时响应。积分增益求出错误信号的
积分，并将错误减低到接近零的水平。积分增益还有助于过滤掉实测温度信号中
的噪音。微分增益使驱动依赖于实测温度的变化率，正确运用微分增益能缩短响
应定位点改变或其它干扰所需的稳定时间。然而，在许多情况下，比例积分
（PI:Proportional-Integral，没有微分增益）控制策略也可以产生满足要求的结
果，而且通常要比完全的PID控制器更容易调整到稳定的运行状态，并获得符合
要求的稳定时间。PID与PI控制器都可以在基于ispPAC的温度控制下轻松实
现。由于热时间常数通常以秒为单位，ispPAC20或30器件必须外接RC网络，以
在控制器上产生相应的时间常数。虽然外接的元件是固定的，但ispPAC器件内部
提供的可变增益常常可以用来调整温度控制器的性能。

在定值控制问题中，如果控制精度要求不高，一般采用双位调节法，不用PID。但如果
要求控制精度高，而且要求波动小，响应快，那就要用PID调节或更新的智能调节。调节器是根据设定值和实际检
测到的输出值之间的误差来校正直接控制量的，温度控制中的直接控制量是加热或制冷的功率。PID调节中，用比例
环节（P来决定基本的调节响应力度，用微分环节（D来加速对快速变动的响应，用积分环节（I来消除残留误差。

手动对PID进行整定时，总是先调节比例环节，然后一般是调节积分环节，最后调节微
分环节。温度控制中控制功率和温度之间具有积分关系，为多容系统，积分环节应用不当会造成系统不稳定。许多
文献对PID整定都给出推荐参数。PID的调节可以先确定I值，然后可以根据实测温度与设定温度值调节PD值，那
样就方便了，千万不要一起调，那样容易造成混乱。

例如：设定温控于60度，在实际温度为20和40度时，加热的功率就不一样。积分：
如果长时间达不到设定值，积分器起作用，进行修正。例如：设置于60度，如果环境温度在慢慢降低，则可能实际
温度总在59度达不到60度，积分器起作用，将自动增加加温功率。微分：如果趋向于设定值的速度过快或过慢，
则进行修正。例如：设置于60度，但实际温度上升太快，使温度可能超过设定温度，这时微分器起作用，使上升速
度正常。

PID是依据瞬时误差(设定值和实际值的差值随时间的变化量来对加热器的控制进行相
应修正的一种方法!!!如果不修正,温度由于热惯性会有很大的波动.大家讲的都不错.比例：实际温度与设定温度差得越
大，输出控制参数越大。 例如：设定温控于60度，在实际温度为50和55度时，加热的功率就不一样。而20度
和40度时,一般都是全功率加热.是一样的.积分：如果长时间达不到设定值，积分器起作用，进行修正积分的特点是
随时间延长而增大.在可预见的时间里,温度按趋势将达到设定值时,积分将起作用防止过冲!微分：用来修正很小的振
荡.方法是按比例.微分.积分的顺序调.一次调一个值.调到振荡范围最小为止.再调下一个量.调完后再重复精调一次.要
求不是很严格.

PID常用口诀:参数整定找最佳，从小到大顺序查，先是比例后积分，最后再把微分加，
曲线振荡很频繁，比例度盘要放大，曲线漂浮绕大湾，比例度盘往小扳，曲线偏离回复慢，积分时间往下降，曲线
波动周期长，积分时间再加长，曲线振荡频率快，先把微分降下来，动差大来波动慢，微分时间应加长，理想曲线
两个波，前高后低4比1

3.1比例带PB参数原理定义
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。

3.2积分常数I参数原理定义
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 微分常数D参数原理定义
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U(输出量=P量+I量-D量，因此D量是用来控制温度急剧变化时，
输出的快速反应以减少和设定值的误差。D量值是由公式中TD*1/Pb de/dt 计算取
得，因此当D值愈大时，反应的速度愈快；反之，D值愈小，反应速度愈慢 (图
7。

图7 微分常数D控温效果
综合以上所述，D值是否愈大愈好呢?我们如果将D值设定的过大，只要温度一产
生变化，将会造成温度的快速反应，反倒是会造成振荡的情形。若D值设定非常
大时，则温度略有变化即输出急剧改变，甚至产生发散现象而无法控制。