真空炉钎焊PID参数的调整方法
真空炉钎焊PID参数的调整方法随着热处理、钎焊、烧结技术的发展,真空设备的使用越来越普及,为确保其温度品质达到最佳的控制精度,PID 参数的确定是关键。PID 参数调整得好,设备在设定温度下不仅有较好的温度控制品质,而且在恒定的炉子保温阶段还能使磁性调压器的输出电压、电流保持在一个恒定状态,有利于延长调压器的寿命,减小电网的波动。
1、PID 参数的概念
PID 是系统控制中对控制参数与设定值之间偏差的比例带P (proportion) 、积分时间I (integrate) 、微分时间D(differential) 的统称。其作用是将调节器输出电压与输入电压之间的P、I 、D 关系确立到最佳炉温控制状态。其中P 为偏差电压/ 调节器输出电压,其数量是调节器闭环放大倍数的倒数。当真空炉炉丝的加热电流和炉温与设定值之差(简称偏差) 成比例时,比例带越小( P 值越小) ,调节器输出电压开始突然跳动大,而且输出电压上升快。
目前国产各类真空炉普遍配置的FP21 (或SR50 系列) 调节器输入电压就是偏差电压,它与炉温与设定值之差成比例。调节器输出电压经可控硅触发器(或晶闸管) 去改变磁性调压器的输出电压,从而改变炉丝加热电流,使炉温趋向在设定值处稳定。若只有比例作用,炉温不稳定时加热电流较小,炉温恢复必然很慢。如设定的比例太小,则一开始加热电流太大,炉温会过头,超调量大,甚至于出现不稳定。I 为炉温过渡过程中时间与炉温偏差的动态累积(积分) , 其作用是炉丝加热电流与炉温偏差积分成比例。只要存在偏差,尽管偏差很小,但经过长时间的累积,就会有足够的输出去控制炉丝加热电流以消除偏差。积分作用可以极大地减小静态误差,使加热电流自动维持在一个新的水平上,保证炉温恢复后达到没有静差。积分时间越短,积分作用越强,炉丝加热电流上升(或下降) 变化就越快。
若设定的积分时间太小,电流上升速度很快,而温度变化较慢,其后果是温度偏差在还没有消除之前电流已经很大,以至炉温超标,超调量大,甚至于造成不稳定。若设定的积分时间太长,电流上升很慢,在很长时间内,积分就不起作用,主要靠比例作用,以致加热不足,过渡过程时间会太长。D 所起的作用是在炉丝加热电流与偏差的变化速率( △偏差/ △时间) 成正比,当炉丝加热电流较小,炉温恢复太慢,有了微分作用,炉丝加热电流就会加大,炉温恢复就快。当对应于某温度的P、I 、D 值设定好后,炉温升到该温度值时,炉丝加热电流在PID 作用下会自动减小从而使炉温超调量不至于过大,且超调量会很快衰减振荡趋于稳定在设定值。
2、PID 参数的设定
通常在购置真空炉后,生产厂家在调试中往往会根据不同的使用温度设定2～3 种PID 参数,而且仅限于炉子空载或炉内装有一定量产品后加热时的PID 参数,但在实际生产中装炉量以及产品材料发生变化导致保温温度的改变,这都需要自行设定较理想的PID参数值。目前仪表普遍设定9 组或多于9 组PID 参数值(FP21 仪表可设定9 组PID 参数) 。
以前设定PID 参数的方法,需分别调整P、I 、D 三参数(如DWT2702 仪表) ,很复杂。通过多年的实践经验,就真空加热炉钎焊炉,总结了以下几条简单的二参数调整法(以FP21仪表为例) 。
①在FP21 编程窗口群(3) 设定一条编号为P9 的升温曲线(如升温至850 ℃保温的曲线) 。
②在FP21 控制窗口群(4) 设定PID 编号为No19 的参数值,真空加热炉一般P = 210 %～1010 %、I = 50s～500s、D = 1/ 3 I 。
③炉子按原定方案装上一定量的代用零件,并由FP21 控制按P9 曲线升温,当温度到达保温温度时记录以下的内容:温度的过冲量、第一次回复到保温温度的时间、由保温温度值下降到低值温度时的温度及所需时间、由低值温度回升到保温温度的时间、第二次过冲温度及时间,第二次回复到保温温度的时间等。
④改变P 值(提高或降低210 %) 而I 、D 值不变的情况:记录相应数据与第一次数据作对比,比较出较好的温控品质所对应的一组P、I 、D 参数,在此基础上再微调P 值进行比较,这样就基本上得到一组满意的P、I 、D 参数;或不改变P 值,调整I 、D 值,将I值增加或减少50s ,D 相应增加或减少17s , I 值与D 值保持3∶1的关系,进行试验,记录相应数据与第一次数据作对比,选出温控品质较好的一组P、I 、D 参数,在此基础上再调整I 、D 值进行比较,这样就基本上得到一组满意的P、I 、D 参数。采用以上各步骤试验通常只需2～3 次试验即可得到满意的结果。使用非FP21 仪表,同样可按设定某升温曲线、设定一组PID 参数值、记录相应数据、再调整直到满意的结果。
3、应用效果
PID 设定是否合理,可在生产现场直接验证。当炉温到达设定温度,输出电压表、输出电流表的指针就恒定在某一位置,没有任何摆动,说明PID 参数设定得好。例如某真空炉升温到1100 ℃,试验数据记录如下:
①P = 500 %、I = 50s、D = 17s ,到温后温度曲线振荡不停、衰减很小;
②P = 940 %、I = 150s、D = 50s ,到温后温度曲线振荡两次已稳定;
③不改变P 值, I = 300s、D= 100s ,到温后温度曲线又不理想,温度曲线振荡时间拉长;
④P = 1100 %、I = 300s、D = 100s ,结果超调量增大;
⑤P = 710 %、I = 300s、D = 100s ,温度曲线已基本满意;
⑥P = 618 %、I = 300s、D = 100s ,温度曲线已稳定,调试相当理想。
通过此例子说明相当理想的P、I 、D参数值不是唯一的一组,由于炉子的加热元件不同、炉膛的尺寸不同等因素,不同炉子升到同一温度其P、I 、D 参数值可能相似,也可能不相似;而同一炉子升到不同温度也可能用同样一组P、I 、D 参数值都能适用,具体由实际效果来判断,可根据输出电压表、输出电流表的指针是否摆动来判断;以上的经验调整方式适用于对温度波动因素较少的真空钎焊炉,而对于如化工流程等测温配置用FP21 仪表P、I 、D 参数值的快速设定,由于气流流通等因素影响需采用另外的经验方法。
根据以上记录的数据进行分析,然后调整PID 参数再试, 可按以下情况进行分析:过冲量大、控制处于稳定,降低P 值或加大I 值( D 值相应成比例加大) ;振荡次数太多、回复时间长、控制处于不稳定,提高I 值( D 值相应成比例加大) 以加快振荡回复到设定值。
在实际生产中,应当根据生产工艺的不同要求来确定这3 个指标,具体来调整P、I 、D 参数满足所需要的要求。应重视过渡过程时间,因为外界扰动是经常侵入的,如果过渡过程时间很长,那么前一个扰动作用尚未平复,又紧跟下来一个扰动作用,结果炉温就总是处于不断的波动状态,不能稳定在给定值上,甚至因为前后扰动作用的累积使炉温偏离设定值更远。虽然系统对单个扰动是稳定的,但如果温度控制系统的品质不高,在使用中,炉温也还是会来回摆动不止的,处于不稳定状态下。通常超调量大,振荡次数就多,温控过渡过程的时间也越长。
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