脈沖焊機自整定PID溫度控制設計及實現*

徐作棟

（湖南三一工業職業技術學院，長沙 410129）

0 引言

脈沖焊接機也稱脈沖熱壓式回流焊接機，脈沖焊接機用于焊接FFC排線、印刷電路板、液晶顯示屏、連接器、端子等產品。脈沖焊設備工作原理是通過調節熱壓頭上的脈沖電壓，在一定的脈沖電壓的作用下，電流通過熱壓頭（鉬合金焊頭）產生熱量發熱，通過傳導帶動連接器溫度升高，當溫度升到事先設定的溫度值（一般是焊錫的熔點），此時即將電子原件通過錫熔融連接在了一起[1]。

1 脈沖焊機溫度控制器設計要求

脈沖焊接質量的保證主要源于控制錫在加熱中的“時間-溫度”曲線，即脈沖焊接溫度曲線。如圖1所示，脈沖焊的設計都是基于脈沖焊接溫度曲線而展開的，整個過程時間極短，為4～5 s。脈沖焊的重點任務就是通過控制各溫區的實時溫度、連接器的運動速率，使二者之間形成一定的函數關系，從而生成所需要的溫控曲線，達到保證焊接質量的目標。

圖1 脈沖焊接溫度設定曲線

2 溫度控制系統設計

脈沖焊的控制系統設計目標是實際溫度控制曲線變化規律與理想焊接溫度曲線相重合，雖然實際溫度控制曲線在不同時間點是不斷變化的，但要求其波動相對于理論值在一個可控范圍內，以保證各個溫控區的溫度相對恒定。

2.1 溫度閉環控制原理

溫度控制原理PLC根據采集熱電偶信號進行PID運算，輸入4～20 mA電流信號驅動SCR進行加熱。溫度閉環控制原理框圖如圖2所示。

圖2 溫度閉環控制原理框圖

系統使用熱電偶作為反饋元件，將溫度電信號（當前溫度值）反饋給溫度控制器，構成溫度反饋回路，從而組成一個完整的溫度閉環控制系統[2]，如圖3所示。

2.2 PID控制原理

圖3 脈沖焊溫區溫度閉環控制結構框圖

將比例、積分、微分各個動作組合形成的控制方式稱為PID動作，以目標值濾波型2自由度微分先行PID控制方式進行[3]，如圖4所示。

圖4 PID動作框圖

PID控制器的數學描述為：

式中：KP為比例系數；TI為積分間常數，TD為微分時間常數。

使用簡單PID運算防止超調，干擾的穩定性所需的時間將會被延長，反之如果加快這一過程，將會發生超調，從而對目標值的響應速度將會放緩。在兩自由度PID運算中，由于不會發生超調，可以快速穩定干擾，加快目標值的響應。利用PID控制，控制量快速達到并且保持在目標值可通過優化參數的方式來實現。

3 自整定PID溫度控制設計

3.1 PID參數控制調整

整定PID參數是PID控制的核心，首先要保證系統的穩定，同時還要兼顧到系統的抗干擾能力和帶負載能力，從而使系統接近理想的控制性能[4]。自整定PID參數之前，引入反饋是關鍵的環節，這關系到系統可控性和穩定性，因此引入負反饋至關重要，那么硬件必須保證PLC與熱電偶的極性一致，軟件上采用逆動作控制。

具體進行PID的整定時，選用的PID指令參數要求具有自調整功能。由于預設參數為初始值，在進行參數整定時，需要對各參數的設置進行定性把控，這樣在調試過程中可實現向收斂區間的迅速靠近，提高調試效率。PID各組成部分作用不同?？偟膩碚f，P起到的作用越強，可實現向指定區間的快速收斂，穩態誤差也隨之越小，但是性能雖然有所提高，卻與收斂速度不成比例，即性能提高較慢。系統要求溫度超調量保證在2%以內，但系統自身就會產生一定的超調，因此如果P過大，會導致因振蕩而發生超調現象，若超過超調量則必須要降低P的作用。消除靜差可通過增大I來實現，但是超調情況也會伴隨著I的增強而產生，因此I的增大也應適當。增大D可有效增加系統穩定性和快速性，而穩定性增加的同時又可起到增大P的復合作用，增大D對系統的穩定性提高作用較大，但是D作用的增大會導致系統抗干擾性的降低，而抗干擾性的降低又會導致系統穩定性變差，控制系統的不穩定性對PID參數的調整是沒有意義的，因此不能因D值的增大而影響到系統的穩定性，D的取值應在合理范圍。本系統通過PID參數調節為二階系統的階躍響應，瞬態特性為單調變化曲線，無超調或振蕩，是收斂穩定的。整定PID參數的順序按照先比例P后積分I，目的是簡化參數整定，即先把積分作用取消或弱化，待調整好比例度，使控制系統基本穩定，然后再加上積分I[5]，最后再加上微分D環節。通過三者參數的微調試驗，逐步湊出滿意的結果。PID參數和控制狀態的一般關系是，不希望產生超程時，不考慮整定時間，那么就擴大比例帶P。希望盡快達成穩定的控制狀態時，即使產生超調也可以接受，那么就縮小比例帶P，但是，如果過小，要考慮到會產生震顫。當積分動作過強達不到目標值時，就會出現寬幅的震顫或重復超調現象。縮小震顫可以采取擴大比例帶P或增加積分時間I兩種方法。當產生短周期的震顫時，控制系統的響應速度加快，帶動微分動作過大[6]，此時應縮小微分作用D。

3.2 PID程序設計

（1）PID指令

[F355 PID，S]，起始編碼S（30字），PID運算參數。

（2）參數設置

[S]：控制模式；[S+1]：設定值（SP）；[S+2]：測量值（PV）；[S+3]：輸出值（MV）；[S+4]：輸出下限值；[S+5]：輸出上限值；[S+6]：比例增益（Kp）；[S+7]：積分時間（TI）；[S+8]：微分時間（TD）；[S+9]：控制周期（Ts）；[S+10]：自整定進程指定；[S+11]～[S+29]：PID運算工作區。

（3）PID運算模式

①方向。正動作和逆動作，輸出的變化方向可根據過程的變化而改變。逆動作的情況是：輸出值隨測量值的降低而升高 （例如：加熱）。正動作的情況是：輸出值隨測量值的上升而增大（例如：冷卻）。②運算。微分先行型（P-I-D）和比例微分先行型（I-P-D）[7]，在使用“微分先行型PID控制”的情況下，當設定值發生變化時，輸出值會有較大波動，可以確保跟隨性，但能迅速收斂。在使用“比例微分先行型PID控制”的情況下，調整設定值后，達到穩態值需要較長時間，但輸出值的波動明顯減小，可以確保穩控性。

（4）PID運算

使測量值[S+2]與設定值[S+1]保持一致，并將結果輸出到［S+3］中。

4 PID溫度閉環控制程序

PID控制部分主要分為非自調整模式和自調整模式兩部分。非自調整模式多用于PID參數已經實驗保存好，可以執行自動啟動工作模式。自調整模式是啟動機器的前期準備，收集正確的PID運算參數，對于剛剛研制的機器，調試和換檔位前，都要首先進行PID運算自調整模式去獲取正確的PID參數。

4.1 非自調整模式

開機默認PID已經調試好，檔位無變動，這樣避免不必要的調試，節約時間。首先設定PID運算模式，賦值D200 H110選擇模式，逆動作，正常運行模式即不執行自調整模式。賦值D206-D208 KP、TI、TD，調整好參數。賦值最高和最低極限。PID參數調節完成后，根據工藝流程和過程，條件滿足后啟動PID運算，運行PID，結果反饋到PID計算區。

4.2 自調整模式

自調整模式一般用于機器的調試，是獲取最佳的PID參數途徑，對于剛剛研制的機器和需要換擋的機器（增加或者減少功率）都要進行PID調整。脈沖電焊機按功率不同共設置3個檔位，檔位選擇不同，PID參數也就不同，為確定正確參數，需先收集相應PID參數值，所有每次調換檔位都要手動去空焊一次或者數次，去自動尋找合適的PID參數，直到溫度趨勢圖和理想設定路線相近為止。

執行自整定后，根據過程量的測定值，PID的3個參數KP、TI和TD即可自行推測出結果，并在自整定完成后自動將結果返回到PID參數區[8]。程序選擇自調整執行自整定時，DT200賦值H8110，自調整模式，微分先行，逆動作。結果保存PID參數區，如果覺得溫度不理想可以重復調整幾次，直到滿意為止。自調整后，需要設置一下各個參數的運行范圍極限。

4.3 程序驗證

為驗證溫度控制系統的可行性，以焊接20454 40P FPC連接器為例，以調試后獲取的PID系數進行溫度曲線實測，如圖5所示，從圖中可以看出，最終實際溫度曲線與理想曲線路線相近，滿足系統對溫度曲線路線的控制要求，因此本脈沖焊機自整定PID溫度控制的設計是成功的。

圖5 溫度測試曲線

5 結束語

脈沖焊溫度控制系統，采用溫度閉環控制原理，利用自整定算法計算PID參數，傳輸給PLC，實現溫度的實時控制。通過PID自調整模式控制完成了設備的調試和換擋，通過非自調整模式完成了設備的自動啟動調整，最后以焊接20454 40P FPC連接器為例，通過控制結果分析比較發現，實際溫度曲線和理想溫度曲線擬合度較好，滿足溫度曲線路線的控制要求，從而驗證了設計的可行性。