易解PID控制的故事 (2) 常用的控制方法其1

2020-05-25

目錄
前言
何謂開關式控制（on –off control）？
開關式控制的結果
實際的開關式控制
常用開關式控制的操作端
開關式控制的缺點
何謂比例控制（proportional control）？
偏差和操作量的關係
彙總

第二章常用的PID控制方法其1

1.前言

前章已闡述溫度控制的基本概念。本章將鎖定作為溫度控制構成要素之一的控制部，以說明常用的控制方法。控制方法大致可分為，開關式控制和比例控制2種，需依照使用的控制對象、操作端的種類、尋求控制結果的穩定性以進行使用區分。

2.何謂開關式控制（on –off control）？

所謂開關式控制就好比是早期暖爐桌加熱器般的動作，當暖爐桌的加熱器變熱時會自動關閉，變冷時就自動的開啟的動作。圖1所示為ON-OFF動作。ON-OFF 的領域通常會重疊（overlap），此稱為動作間隙（differential gap）。

3.開關式控制的結果

以暖爐桌的開關式控制為例，開關式控制的結果則如同圖2虛線所示，在設定值A點關閉加熱器以降溫，在低於設定值溫度的B點上，則啟動加熱器以升溫。重複進行此動作之下，控制結果就會來到A點和B 點之間。

然而，實際上，普遍都會因感測器部延遲檢測、或裝置延遲傳熱和熱容量（無效時間（dead time））的影響等，就算在設定A點上已關閉暖爐桌的加熱器，仍有一段時間會繼續升溫，此外在降溫後，當加熱器來到應為ON的B點時，仍有一段時間會持續降溫。

如圖2所示，溫度越過設定值即稱為過衝量（overshoot），控制結果的起伏即稱為循環（cycling）。此外，特別是循環大，在控制上屬於不良好的振盪現象即稱為追逐現象（hunting）。

4.實際的開關式控制

若屬開關式控制時，大多具有繼電器接點輸出，而具備作為操作端的繼電器（電磁開關）和電磁閥等，繼電器用於電子加熱器等領域；水、蒸氣、氣體等流體大多採用電磁閥。

ON點和OFF點的動作間隙設定會依控制對象而異，但進行狹窄設定時，會頻繁的重複進行ON、OFF，因此一般而言控制性較佳。然而，需注意的是，若過度設定狹窄的動作間隙，將縮短繼電器或電磁閥等操作端的壽命，並可能引發追逐現象。對於操作端的負載而言，當電子加熱器的容量或電磁閥的口徑大時，有可能對控制對象造成極大影響，而引發追逐現象。因此有必要擴大動作間隙。

5.常用開關式控制的操作端

在此將說明搭配常用開關式控制的操作端。

繼電器

通常稱為繼電器的電磁開閉器的原理與電磁鐵一樣，是藉由在電磁線圈上流動電流（激磁）、或遮斷電流（非激磁），以開閉接點，使加熱器等運作。

接點上有N.C(Normally Closed) 和N.O (Normally Open)，N.C接點在非激磁時（無流通電流時）會變成關閉接點；激磁時（有流動電流時）則變成開啟接點。反之，N.O在非激磁時會變成開啟接點；激磁時，則變成關閉接點。

電磁閥(solenoid valve)

電磁閥為驅動部上使用電磁線圈的調節閥，當電磁線圈通電後會產生磁力而吸引柱塞（plunger）執行閥體的開閉。電磁閥有常閉型和常開型，常閉型是當電磁線圈通電後即開啟閥；常開型是當電磁線圈通電後，即關閉閥。

此外，可依流體種類選擇耐電用和耐化學藥劑用等。並依設置場所使用防滴漏型或耐壓防爆型等。

6.開關式控制的缺點

在開關式控制中，操作量會呈現0％或100％的其中一種狀態，因此會受到延遲檢測等影響下，而使控制結果趨於過衝量，而不斷重複循環。此狀態，可以如圖3所示，利用開關式控制的調節器和電磁閥控制蒸氣的案例思考。

如圖3所示，控制對象（在此為水）如有異動時，由於從操作量的變化到控制量的變化會發生延遲時間，因此控制結果的操作量為100％時，會大幅超過設定值；若操作量為0％時，則形成大幅低於設定值的結果。換言之，此時會變成交替流出溫水與冷水。這個場合下，在開關式控制上便難以獲得穩定的控制結果。

7.何謂比例控制（proportional control）？

因此，作為將開關式控制不穩定的控制結果改善的方法，不將操作量限定為0％和100％的兩種狀態，而是根據某範圍內的控制量變化，做0～100％之間的連續變化，就稱為比例控制。（參照圖4）即便是如圖3般移動的控制對象，也可藉由採納這種方法，以獲得穩定的控制結果。在執行比例控制時，需實施以下必要設定。

比例帶(proportional band)

所謂比例帶是指，如圖5所示，為了讓操作量進行0～100％變化之所需控制量（溫度或壓力等）的變化幅度。

若比例帶設定狹窄，則即便控制量僅有些微變化，也將大幅改變操作量。因此雖然提升了操作量的靈敏度，但控制結果的穩定性卻變差，當比例帶極端狹窄時，就會形成如同開關式控制般的控制結果。反之，當比例帶變寬時，對於控制量的變化，相對操作量的比例將變小。因此，雖然降低了操作量的靈敏度，但卻提升控制結果的穩定性。因此在執行最佳控制上，首重於調整比例帶的寬幅。