2自由度PID調節儀在溫控系統中的應用

王鴻鈺 陸虹

摘要：在介紹微分先行PID、2自由度PID的基礎上，較詳細地介紹了BCx2系列調節儀在熱分析溫控系統中的應用和2自由度PID系數的設定。介紹的內容可供相關的工程技術人員參考。

關鍵詞：2自由度PID;調節儀;熱分析;溫控系統

0引言

PID調節技術已在工業自動化領域廣泛應用。不過，傳統的PID控制技術只能設定一組PID參數，故又可稱為1自由度PID。實際的控制系統中，既要求抑制外擾，又對跟蹤目標值有一定要求，而2種工況對應的過程不同，所以需要2組不同的參數。1自由度PID控制系統的控制響應見圖1（a）、

（b），不可能使外擾抑制特性和目標值跟蹤特性同時最佳。參數的設定不得不在兩者之間進行折衷。圖1（c）是2自由度PID的控制響應，控制效果明顯提高。

表1是日本神港公司通過調節PID參數使外擾抑制特性最佳和目標值跟蹤特性最佳的試驗結果。為了進一步改善系統的控制品質，有必要獨立設定兩組參數。

1微分先行PID

大多數工業過程可用一階或二階慣性加滯后描述，PID控制是這類系統中廣泛使用的行之有效的控制技術。它的輸出u與輸入e的時域表達式為

為使控制效果更好，避免設定值調整時微分給過程造成的沖擊，故實際使用的控制算法一般都對原算法加以改進，微分先行PID算法是很常見的一種。日本神港公司使用的微分先行算法的原理框圖見圖2。它的拉氏變換式為

2 2自由度PID

圖3是日本神港公司2自由度PID控制技術的原理框圖，它是在微分先行算法的原理框圖上增加了目標值濾波器構成的。其中a是比例增益2自由度系數、β是積分2自由度系數、y是表內已經設定的參數。a、β、y是與PID獨立的另一組參數。目標值SV作階躍變化，經目標值濾波器濾波，輸出延遲上升。控制效果見圖4，其中SV作200°C階躍變化，圖4（b）的目標值跟蹤特性比圖4（a）明顯提高。

3調節儀在熱分析溫控系統中的應用

3.1 BCx2調節儀在熱分析溫控系統中的應用

BCx2系列調節儀是神港公司推出的具有2自由度PID調節功能的高性價比5位顯示儀表，適合在眾多工業領域應用。它正在取代已經廣泛使用的IIC系列調節儀：而且，還可以在同時要求外擾抑制特性最佳和目標值跟蹤特性最佳的環境中使用。BCx2調節儀在熱分析中的應用就是典型的一類應用。

熱分析可分為差熱分析（DTA）、示差掃描量熱分析（DSC）、熱重分析（TG）和熱分析聯用技術等多種方法。其中差熱分析（DTA），它是在程序控制溫度（以一定速度升溫或降溫、恒溫）下，測量試樣和在測定條件下不產生熱效應的參比物之間的溫度差AT和溫度z關系的分析技術，AT=f（T）。示差掃描量熱分析（DSC），它是在程序控制溫度下，測量為使試樣和參比物溫度一致所需的能量差△驕口溫度T的關系，△E=f（T）。DSC和DTA的分析曲線類似，但更準確。熱重分析（TG）也是在程序控制溫度下進行的，測量試樣的質量變化與溫度的關系。

以差熱分析儀為例，它的原理示意圖見圖5。BCx2調節儀的輸入接測溫熱電偶，測量加熱爐的溫度;它的輸出通過加熱器加熱放在電爐內2個坩堝中的參比物和試樣。參比物的溫度與加熱爐的程序溫度一致，試樣溫度隨吸熱和放熱過程的發生而偏離程序溫度，如圖6所示。試樣熱電偶和參比熱電偶反向串接，經放大器放大后接記錄儀△T端，記錄儀的T端接參比熱電偶（反映程序溫度）。溫控系統利用BCx2調節儀的2自由度PID調節功能，使得等速升溫（如15℃/min）過程中的溫度與時間之間呈現非常好的線性關系（最佳的跟蹤特性），便于準確確定樣品反應變化時的溫度和獲得良好的差熱曲線：與此同時，實驗中的程序溫度還具有很好的外擾抑制特性。

為了獲得準確的分析結果或擴大分析內容，對一個試樣的分析常常同時聯用多種熱分析技術或者聯用熱分析技術與其他分析技術。以熱分析與質譜聯用為例，在程序控溫下，測量試樣在熱過程中質量熱焓和析出氣體組成的變化，剖析物質的組成、結構及研究熱分解或熱合成機理。

a、β保持出廠值，調節儀的PID參數可在有外擾的情況下通過自整定自動設定，使抑制外擾特性最佳;若還不滿意，還可按P、I、D在調整中的作用稍作修改。此時，目標值跟蹤特性也基本上最佳。若要進一步改善跟蹤特性，可在a=0.00～1.00，β=0.00～10.00之間調整，使目標值跟蹤特性更佳。由2自由度PID控制技術的原理框圖（圖3）知，調整a、β時，對已調整好的使抑制外擾特性最佳的PID參數沒有影響。

4結論

2自由度PID控制技術已成功地應用在定值控制、程序控制、串級控制、程序控制+串級控制等諸多場合。在1自由度PID控制的基礎上增加目標值濾波器即可構成2自由度PID控制電路，結構簡單易懂;2自由度PID控制既改善了控制性能，又容易進行調整：對串級控制而言，級數越多效果越好。本文介紹的BCx2調節儀在熱分析溫控系統中的應用僅是眾多應用中的一個例子。因這種熱分析技術能快速準確地測定物質的質量變化、相相轉變、熔融、升華、吸附、脫水、分解等，因此，對無機、有機及高分子材料的物理及化學性能都是重要的測試手段。