第一章 何謂溫度控制？
1.前言
自動控制在有效率運作工廠和設備上是不可或缺的一環。例如，藉由自動控制來發揮省資源、節能、省力之效，進而對工廠和設備營運目的之一的降低營運成本帶來貢獻。此外，作業條件保持恆定，具有減少偏差、確保平均性、提升產品品質等優點。近年來，基於環保之需，而將各種控制用於低公害作業及公害防止裝置等。其中，溫度控制更被運用於多項製程上，因此維持恆定溫度，大多有助於獲得生產品質均勻的產品。
本章將以溫度控制為主題，闡述基本控制的概念。
2.何謂溫度控制？
接著如圖1所示，以飼養熱帶魚為例，我們來思考一般所謂的溫度控制，具有何種功能及執行哪些操作。最適合飼養熱帶魚的水溫為30℃，因此一邊觀察玻璃溫度計，同時切換水槽內的電子加熱器開關，以維持水槽的恆定溫度。
接著分解上述行動如下。
(1) 設定運轉目標。
將水槽溫度設定為30℃。(2) 掌握運轉狀態。
目視觀察玻璃溫度計。(3) 掌握運轉目標和運轉狀態的差異。
觀察玻璃溫度計溫度和目標值30℃是否一致。(4) 如有差異，則執行消除差異的操作。
玻璃溫度計溫度和目標值30℃如有差異，則切換加熱器。
依此對於所定目標值，採取之判斷與行動以維持恆定溫度，即稱為「溫度控制」或「溫度管控」。此外，此時透過人手控制溫度即稱為「手動控制」。
3.自動溫度控制
如圖2所示，採用溫度調節器替代用手切換加熱器開關，以便在不經由人手之下自動將水槽溫度維持在30℃的恆定狀態。此外，會設置溫度檢測器取代玻璃溫度計。
溫度感測器檢測水槽溫度後，若溫度調節器檢測到的溫度在30℃以下，即啟動加熱器電源；若超過30℃，則關閉加熱器電源。藉由重複此步驟，將水槽溫度維持在30℃附近。
與手動進行溫度控制一樣，也將這些行動分解如下。
(1) 設定運轉目標。
將水槽溫度為30℃後，並設置於溫度調節器。(2) 掌握運轉狀態。
用溫度感測器進行偵測，傳達給溫度調節器。(3) 觀察運轉目標和運轉狀態的差異。
比較溫度調節器內所設定的目標值和溫度感測器檢測到的當前值。(4) 如有差異，則執行消除差異的操作。
如有差異，則從溫度調節器切換加熱器電源。
可藉由上述水槽溫度 → 溫度感測器 → 溫度調節器 → 加熱器 → 水槽溫度的一系列流程維持恆定溫度。
4.環境溫度的影響
在此將試著思考水槽的環境溫度影響。周圍是無風的穩定環境，室溫也在30℃，當水槽溫度變成30℃時，就會長時間穩定維持這種狀態。然而，當室溫為20℃時，即便水槽達到30℃並關閉加熱器電源，水溫也會因環境溫度的影響，而立即降低，此時就必須經常啟動加熱器電源。反之，當室溫為40℃時，水槽溫度自然會變成30℃ 以上，此時必須用冷卻器取代加熱器來降溫。水槽溫度經常會受到這種環境溫度所影響，而從控制系統外直接影響到控制對象，即稱為「外亂」。
如方塊圖所畫的圖3所示，將此稱為回饋環。
5.關於回饋控制
讓回饋群組的控制結果（輸出）返回輸入端，再與目標值做比較，以為下一個控制帶來助力，因而稱為回饋控制，當今的控制幾乎都採用這種方式。
回饋控制的詳細構造如圖4。
關於各項目說明如下。
目 標 值
作為控制目標的值（水槽設定溫度）。調 節 部
比較設定溫度和檢測溫度的差異，對操作部發出信號以縮小差異（透過溫度調節器或人工，來進行加熱器的ON/OFF）。操 作 部
依照調節部的信號進行作動，以操作控制對象溫度（加熱器）。感測器部
檢測控制對象的變化（溫度檢測器）。控制對象
受控制的對象（水槽溫度）。外亂
對控制對象直接造成影響（室溫）。6.回饋控制的缺點
若將回饋控制稱為控制標準內容一點也不為過，但因屬於「觀察結果後再進行修正的控制」，因此也具有不耐外亂的缺點。總之，當發生風從窗戶灌入因而改變室溫等外亂時，會對控制對象（水槽溫度）造成影響，而產生設定溫度和當前值的差異，因於此差異產生之後才實施控制，故本質上而言外亂的影響無法避免。
要補償這種回饋控制的缺點，就需精細調整PID參數（在第四章中有詳細介紹），以及在外亂對控制對象造成影響之前先進行檢測等所需操作量的準備。
7.控制的構成要素
一般而言，執行回饋控制上的所需要素，大致可分為感測器部位、控制部位、操作部位3大部分。由此觀察水槽溫度控制案例時可得知，是透過執行溫度檢測的溫度感測器 → 執行比較和判斷的溫度調節器 → 為水槽溫度賦予變化的電子加熱器組合，自動重複進行此動作，以便將水槽溫度調整為恆定狀態。
感測器部、控制部、操作部相關概要如下。感測器部
對於控制而言，感測器是相當重要的要素。若未能藉由感測器取得控制對象（水槽溫度）的正確訊息，就會讓控制變得不明確。
| 種類 | 檢測方法 | 特徵 | 缺點 | 常用 溫度範圍 |
|---|---|---|---|---|
| 電熱偶T/C | 熱電動勢 （賽貝克效應(Seebeck Effect)） | ● 相對適合測量高溫度部 ● 可進行遠端測量 ● 應答速度快 ● 準確度佳 | ● 需要冷接點補償 ● 從熱電偶到測量儀器為止的配線，必須採用補償導線 ● 不適合測量低溫部（因熱電動勢較小） | -180~1400℃ |
| 電阻溫度感測器RTD | 電阻值變化 | ● 相對適合測量低溫度部 ● 可進行遠端測量 ● 應答速度快 ● 準確度佳 | ● 不可測量高溫部 | -50~400℃ |
| 液體膨脹型 （液體膨脹） | 甲苯、矽油等液體膨脹 | ● 現場式測量儀（檢視部和指示、調節部為一體） ● 較便宜 ● 易用性佳 ● 操作簡單 | ● 使用溫度範圍狹窄 ● 不可進行遠端測量 ● 應答速度緩慢 準確度不優良 | -15~200℃ |
| 雙金屬式 | 兩種金屬之間的熱膨脹係數差異 | ● 便宜 ● 易用性佳 ● 操作簡單 | ● 使用溫度範圍狹窄 ● 應答速度緩慢 ● 準確度不佳 ● 壽命不長 | -15~200℃ |
| 輻射檢測器 | 物體的輻射熱 （紅外線能量） | ● 可測量比熱電偶更高之高溫部 ● 可進行遠端測量 ● 應答速度快 ● 可用非接觸方式測量測溫物質 | ● 需依測量物質修正輻射率 ● 昂貴 ● 容易受周圍環境和外亂的影響 | 0~數千度 |
控制部（溫度調節器）
作為控制部的溫度調節器，屬於控制的中心部分，目前的控制演算法幾乎被PID控制所佔據。
以往大多採用類比式溫度計。其後則出現1970年代後半所登場的內置微處理器(microprocessor)數位式溫度調節器，目前所用的控制器幾乎都是數位式。（參照圖6）
操作部
所謂操作部是指接收到來自溫度調節器的操作信號後，直接給予控制對象變化的裝置。操作部會依處理的製程而異。以下將說明溫度控制常用的操作部範例。（參照圖7）
控制電子加熱器時
繼電器
SSR（固態繼電器(Solid State Relay)）
SCR（閘流體機組）
控制水等流體時
氣動式調節閥（需要電空定位）
電動閥
電磁閥
8.彙總
近年來，除了構成控制的3大要素之外，對於控制而言，用於支援使用者輕鬆操作的觸控面板等人機介面(man-machine interface)也顯得格外重要。雖然順應使用者多樣化需求的產品和裝置，皆已朝向高功能和多功能化而發展中，但另一方面卻也帶來複雜的操作性。因此對話形式的設定和可監控的觸控面板等，皆被裝配於多項裝置中。（參照圖8）
此外，為了順應使用者操作簡單的需求，就連溫度調節器也具有需內置可連接觸控面板等通信功能的調節器高度需求。
在往後的控制領域中，除了感測器部、控制部、操作部的組合之外，就連使用者易用性和包括已考量維修性之人機介面在內的控制迴路的構成也極為重要。
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