- 已发布 2023年2月10日
- 最后修改 2024年3月15日
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PID温度控制器介绍，PID控制器设备购买指南
在本指南中，我们将准确解释PID控制器是什么，以及其在日常工业使用中的工作原理。
什么是PID控制器？
PID控制器是一种包含控制回路机制的设备，可用于工业控制应用，以调节一系列过程变量，包括温度、压力和速度。
PID（Proportion Integration Differentiation，比例-积分-微分）控制器通过使用数学公式计算设定点和被监控变量的当前状态之间的差值，强制反馈匹配所需的设定点。然后，PID控制器使用计算的结果根据需要自动补偿系统中检测到的变化，确保过程变量尽可能接近所需的设定值。
PID控制器的历史
早在1600年代，人们就可以看到这种对负载系统进行连续控制的早期尝试。最早的例子之一是在17世纪发明的，当时设计了一种基于旋转重物的离心式调速机械，以补偿在较高负载下较大的和较小的磨石轮之间增加的转速差异。
1922年，尼古拉斯·米诺尔斯基（Nicolas Minorsky）在现今公认的PID控制方面取得了真正的突破。米诺尔斯基的观察和数学处理最终将发展成为当今广泛用作PID系统的电子工业控制机制。
PID控制器如今广泛用于许多工业过程，它们已成为跨多个部门和行业使用的一些最常见的自动化和控制设备。这主要是因为PID控制器非常适合在广泛的环境和应用程序中提供可靠、强大的性能。就设计和操作而言，PID控制器本质上也是相当用户友好。
温度控制装置有哪些不同类型？
想要了解有关PID温度控制器的更多信息，首先要了解其他类型的温度控制设备的功能，这样才有助于突出它们之间的关键差异。
简而言之，所有温度控制设备都以类似的方式有效工作。其核心作用是通过热电偶等传感器的一系列持续测量来监控和计算操作员在任何给定时间所需的过程温度（设定点）与当前过程温度之间的精确差异。
为了能够执行自动温度调节，所有控制设备都需要一种控制器模块，允许它们根据传感器的读数计算适当的响应函数。然后将得到的指令输出到控制元件。这可能是加热器、风扇、闭环液体冷却系统或三者的组合。
各种类型的温度控制设备之间的关键差异在于它们如何使用这些采样信息并对其做出反应的精确方法，以及它们随后为执行各自版本的温度控制而采取的步骤。因此，共有三种核心温度控制装置类型，如下所示：
开关温度控制器
- 该设备执行基本的二进制开关功能（打开或关闭），以帮助调整过程温度以响应传感器输入
- 这些设备提供最简单的自动温度控制形式，并且只能以一种或另一种方式响应超过设定点的温度
- 因此，它们通常仅用于绝对精度不重要的系统，或者温度变化只会非常缓慢地发生的系统
- 作为自动化温度控制的最基本形式，开/关设备通常包含自锁继电器开关，必须在达到指定的关断温度后手动复位
- 这种类型的温度控制器可能难以解决的一个问题是关闭/开启状态之间的快速循环，这是由传感器在温度非常接近设定点时记录边界结果触发的
- 为了解决这个问题，它们可以设计为包括滞后，这实际上意味着有一个内置缓冲区来防止设备在安全温度范围内开/关之间振动
比例温度控制器
- 比例温度控制设备采用更复杂的方法，而不是简单地依靠滞后来防止设备在开/关状态之间振动
- 相反，它能够根据需要以与当前温度和设定点之间的差异相匹配的比率来增加或节流功率
- 为了提高效率和经济性，这种比例控制通常仅在设定点任一侧的定义温度范围内进行
- 在这个相对狭窄的窗口之外，设备返回到二进制开/关操作模型
- 比例控制器的一个固有限制是，由于它们会随着温度接近设定点而减小调整曲线，因此实际上永远不会达到精确的零差
PID温度控制器的优点是什么？
与标准热敏电阻、热电偶和其他温度监控/加热设备相比，PID温度控制器的主要优势在于PID控制器在过程中的突然干扰和波动做出反应方面非常有效。如果长时间不加以检查，这些都会对被测量或生产的产品的质量产生巨大影响，这就是PID温度控制器特别方便的地方。这些设备几乎可以立即处理此类干扰。
PID控制器的应用
PID控制器广泛用于各种行业、部门和应用场景。
除了相对容易设置和调整之外，其控制回路反馈机制的准确性使PID仪器在数字跟踪和自动调节方面非常有效，包括各种变量的过程和环境因素。
事实上，虽然本指南专门针对PID温度控制器，但PID设备的基本功能可以应用于更广泛的自动化和控制过程，包括流量、压力、速度、频率等。
温度控制
如前所述，PID温度控制器与其他类型的温度控制装置具有某些共同特征。特别是，它仍然从传感器（通常是热电偶或类似物）获取读数，再通过数字控制组件将指令输出到机械执行器设备，例如加热器或风扇阵列。
这种基本监控和调整模型的高度通用性意味着PID控制器在许多行业中具有广泛的潜在温度控制应用，包括：
- 熔炉和批次温度控制
- 各种片材的固化调质
- 温度敏感的干燥和蒸发过程
- 工业零件和设备的热处理和回火
- 医学科学和药物开发
- 食品生产和准备
PID控制器调整
PID设备通常由其制造商提供，其默认设置为比例、积分和微分编程。安装和使用任何类型的PID仪器的操作员必须首先校准设备，确保对其进行正确编程和调整，以适应相关工业过程的特定需求。这还包括确保运行所需的环境参数适合该过程中发生的潜在变量。在此过程完成之前，不能让PID控制器自动处理其分配的工作负载。
这同样适用于PID温度控制器，并且有不同的方法可以实现这种调整。在实践中，所有不同的方法都针对相同的结果，即单独调整或调整每个比例、积分和微分项，以使模块作为一个整体提供所需的性能。
简单的试错法往往被视作在许多系统和场景中调整PID控制器的最实用方法。它基于将设备安装在工作系统中并有效地将所有设置归零。然后操作员从比例值开始，向上调整增益，直到达到围绕设定点振荡的点。
一旦达到这种状态——这在精度要求很高的系统中是不能令人满意的，并且暴露了纯比例温度控制装置的关键限制之一——积分和微分的值可以分别调整。前者，如果做得正确，应该开始将振荡率限制到几乎为零，而后者将增加响应速度，因为已接近安装的系统和设备类型的最佳设置。
试错法的替代方法是齐格勒-尼科尔斯（Ziegler-Nichols）方法。这种方法涉及在闭环系统下观察连续循环和阻尼振荡。然而，这种方法有一定的局限性，许多操作者仍然喜欢通过反复试验来达到他们想要的结果。
