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低溫專題 | 溫度控制

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一個完整的溫度控制系統通常包含溫度控制器、加熱器、溫度傳感器、線纜等。其中,溫度控制器的基本功能是將實際溫度與設定值比較,并輸出信號控制加熱器,以維持設定值溫度。
選擇控制器時應考慮以下兩項因素:
1. 儀器設備的工作溫區
2. 輸入傳感器的類型(熱電偶、PT100、二極管溫度計、薄膜傳感器等)

 PID算法

當今的閉環自動控制技術都是基于反饋的概念以減少不確定性,反饋包括測量、比較、執行三部分,以PID算法最為常用。做出正確的測量和比較后,通過PID調節更好地糾正系統。

PID三個字母的含義如下:

1) P:比例(proportion)。

通常,以滿量程的%或度表示溫度范圍,稱為比例或比例帶。在此范圍內,控制器發生比例作用,即控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關系。比例帶越寬,圍繞設定值發生比例作用的區域越大。有時也用增益表示,增益是比例帶的倒數。

2) I:積分(integration)。

積分,又稱為復位,根據設定值調節比例帶寬,以補償偏離設定值的偏移量(固定偏差),也就是說,它在系統穩定后將控制的溫度調節到設定值。

3) D:微分(differentiation)。

微分,又稱為速率,感應系統溫度上升或下降的速率,并自動調節比例帶,從而將下沖或過沖降到最小。

 如何調節PID值

根據目標設定所需溫度值后,再設定PID參數,通常,先設定P值,I輸入0(先找到合適的P后再調I);D輸入0(一般不調)。

觀察升溫曲線,可能會出現如下情況:

(a)P值偏大




P值太大,溫度會一直震蕩,無法穩定。由于在設定值附近得到的P值可能不準確,所以要先關閉加熱器,將溫度降下來,遠離設定值,減小P值后,再重新加熱觀察升溫曲線。


(b)P值偏小



P值太小,無法達到設定溫度。用(a)中方法增大P值再觀察升溫曲線即可。

(c)P值合適





找到合適的P值后,通過溫度曲線計算出溫度隨時間的振蕩周期(單位是秒),根據振蕩周期計算I值,I=1000/振蕩周期。設定I值之后,再將當前P值減半,觀察,觀察曲線變化。
通過PID調節,溫度精度可達mK量級。
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