電熱的可控性

控制器的基本功能是將實(shí)際溫度與設(shè)定值 比較，并產(chǎn)生用于維持設(shè)定值的輸出。

控制器是整個(gè)控制系統(tǒng)的一部分，在選擇 合適的控制器時(shí)應(yīng)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行分析。 選擇控制器時(shí)應(yīng)考慮以下各項(xiàng)：

1. 輸入傳感器的類(lèi)型（熱電偶、RTD、 卡式和溫度范圍）

2. 傳感器的布置

3. 所需控制算法（通/斷、比例、PID、  自動(dòng)整定PID）

4. 所需輸出硬件的類(lèi)型（機(jī)電式繼電 器、SSR、模擬輸出信號(hào)）

5. 附加輸出或系統(tǒng)要求（要求的溫度和/或設(shè)定值顯示屏、冷卻輸出、報(bào)警、 限值、計(jì)算機(jī)通信等）

輸入類(lèi)型

輸入傳感器的類(lèi)型取決于所需溫度范圍、 所需測(cè)量分辨率和精度、傳感器的安裝方 法和位置。

傳感器的布置

傳感元件相對(duì)于工作位置和熱源的正確布 置對(duì)良好的控制最為重要。如果三者可以 近距離布置，將能夠較容易地得到很高的 精度，甚至能達(dá)到控制器的極限精度。但 是，如果熱源距工作位置較遠(yuǎn)，將傳感元 件定位在加熱器和工作位置之間不同的地點(diǎn)，所達(dá)到的精度就會(huì)有很大差異。

選擇傳感元件的位置前，應(yīng)先確定熱量需 求是基本穩(wěn)定的還是有所變化。如果熱量 需求相對(duì)穩(wěn)定，將傳感元件布置在熱源 附近可將工作位置處的溫度變化保持在最 小程度。

而當(dāng)熱量需求變化時(shí)，將傳感元件布置在 工作位置附近將使其能夠更快速地感知熱 量需求的變化。但是，由于加熱器和傳感 元件之間熱滯后加大，會(huì)發(fā)生更大的過(guò)調(diào) 量和欠調(diào)量，造成在最高溫度和最低溫度 之間更大的分散。通過(guò)選擇PID控制器可 以減小這種分散。

控制算法（模式）

控制器嘗試將系統(tǒng)溫度恢復(fù)到所需水平所 采取的方法。兩種最常見(jiàn)的方法是二位（ 通斷）控制和比例（節(jié)流）控制。

通斷控制

通斷控制具有最簡(jiǎn)單的控制模式。它具  有死區(qū)（差值），以輸入量程的百分比 表示。設(shè)定值通常位于死區(qū)中心。因 此，如果輸入為0 ～ 1000?F，死區(qū)為1%且設(shè)定值為500?F，當(dāng)溫度為495?F或 更低時(shí)，輸出將為全通，直到溫度達(dá)到505?F， 此時(shí)輸出將為全斷。它將保持全 斷狀態(tài)，直到溫度降到495?F。

如果過(guò)程的響應(yīng)速率很快，在495?F和505?F之間的循環(huán)將很快。過(guò)程的響應(yīng)速 率越快，過(guò)調(diào)量和欠調(diào)量就會(huì)越大，當(dāng) 用作最終控制元件時(shí)，接觸器的循環(huán)也 越快。

通斷控制通常用在不需要精確控制的場(chǎng) 合，例如無(wú)法使能源頻繁接通和切斷的 系統(tǒng)中，因系統(tǒng)質(zhì)量太大而溫度變化極 慢的情況，或者用作溫度報(bào)警。

用作報(bào)警的一種特殊類(lèi)型的通斷控制裝置 為限制控制器。這種控制器使用必須手動(dòng) 復(fù)位的鎖定繼電器，用于在達(dá)到特定溫度 時(shí)關(guān)閉過(guò)程。

比例

比例控制設(shè)計(jì)用于消除伴隨通斷控制的循 環(huán)。比例控制器在溫度接近設(shè)定值時(shí)降低 供給加熱器的平均功率。這能夠減慢加熱 器加熱，以便溫度不會(huì)超過(guò)設(shè)定值，但會(huì) 接近設(shè)定值并維持在一個(gè)穩(wěn)定的溫度。這 種比例作用可通過(guò)以短時(shí)間間隔接通和切 斷輸出來(lái)實(shí)現(xiàn)。這種“時(shí)間比例控制”通 過(guò)“打開(kāi)”時(shí)間和“關(guān)閉”時(shí)間的比率變 化來(lái)控制溫度。

兩次連續(xù)“接通”之間的時(shí)間稱(chēng)為“循環(huán) 時(shí)間”或“工作周期”。比例作用發(fā)生在 設(shè)定溫度附近的一個(gè)“比例帶”內(nèi)。超出 此比例帶，控制器的作用方式與通斷控制 器一樣，輸出為全通（比例帶以下）或全 斷（比例帶以上）。但是，在比例帶內(nèi)， 輸出的接通和切斷與測(cè)量值和設(shè)定值之差 成比例。在設(shè)定值（比例帶的中點(diǎn)）處， 輸出通斷比為1:1，即接通時(shí)間和切斷時(shí) 間相等。如果溫度遠(yuǎn)離設(shè)定值，接通時(shí)間 和切斷時(shí)間與溫差成比例變化。如果溫度 低于設(shè)定值，輸出接通時(shí)間較長(zhǎng)。如果溫 度高于設(shè)定值，輸出切斷時(shí)間較長(zhǎng)。

比例帶通常以輸入滿(mǎn)量程的百分比或度 表示。它也可以稱(chēng)為增益，是比例帶的 倒數(shù)。在許多裝置中，循環(huán)時(shí)間和/或比 例帶寬度可以調(diào)節(jié)，從而使控制器可以 更好地匹配特定的過(guò)程。

比例控制器有一個(gè)手動(dòng)復(fù)位（微調(diào)）調(diào)節(jié) 裝置，可用于調(diào)節(jié)穩(wěn)態(tài)溫度和設(shè)定值之間 的偏移量。

除機(jī)電和固態(tài)繼電器輸出外，比例控制器 也可以有比例模擬信號(hào)輸出，如4 ～ 20 mA或0 ～ 5 Vdc。在這些輸出 中，變化 的是實(shí)際輸出電平振幅，而不是通斷時(shí)間 的比例。

           圖1：比例控制

比例加積分加微分控制模式(PID)：

這種控制器與比例控制器的工作方式相 同，只是微調(diào)功能由積分功能（自動(dòng)復(fù) 位）自動(dòng)執(zhí)行， 從而對(duì)負(fù)載變化進(jìn)行自 動(dòng)補(bǔ)償，使溫度在所有工作條件下都與 設(shè)定值一致， 偏移得以消除。

微分功能（速率作用）補(bǔ)償快速發(fā)生的 負(fù)載變化。一個(gè)示例是間斷輸送產(chǎn)品的 輸送帶烘道。當(dāng)產(chǎn)品進(jìn)入烘道時(shí)，熱量 需求急速上升，當(dāng)輸送帶停止時(shí)，就有 了多余的熱量。微分作用可在這種情況 下減少溫度的欠調(diào)量和過(guò)調(diào)量，從而 防止因烘烤過(guò)度或不足而產(chǎn)生不合格 產(chǎn)品。

與通斷或比例控制器相比，PID控制器 可提供更精確、更穩(wěn)定的控制。它最適 用于質(zhì)量相對(duì)較小，對(duì)過(guò)程所加能源的 變化反應(yīng)迅速的系統(tǒng)。在負(fù)載變化頻繁 的系統(tǒng)中，建議使用這種控制器。該控 制器能夠隨著設(shè)定值的頻繁變化，自動(dòng) 補(bǔ)償可供能源量和要控制的質(zhì)量。