1. 温度控制概要

1）何为温度控制？
　将目标物体的温度调整到所需的温度，这个过程称为温度控制。
2）温度控制的好坏
　在控制目标对象的过程中，温度的变化被称为控制结果。温度控制的好坏取决于控制结果与理想响应的接近程度。
3）控制目标对象的特性(应答)
　为了改善控制结果，需要充分了解扰动、控制目标对象的温度特性等，然后进行适当的温度控制。
4）温度控制的类型
　控制的类型可分为以下两种。
· 序列控制
· 反馈控制
5）温度控制的组成
　一般的温度控制的组成如下图所示，是一个反馈控制的组成。

6）控制动作
　控制动作是指温度控制系统中的控制部分。在充分了解控制对象的温度特性的基础上，选择适当的控制动作。主要的温度控制动作包括以下几种。　
　　・开关动作
　　・比例（Proportional）动作
　　・PID动作
　　・微分先导型PID动作
　　・比例先导型PID动作
　　　等
7）PID常数的调整方法
　PID控制结果的最优化需要将P（比例带）I（积分时间）D（微分时间）的各个常数调整到最佳值。敝公司的温度控制器配备了自动计算这些常数的功能。手动获取每个常数的方法（调整）包括阶跃响应法和极限灵敏度法等。
8）控制方法的应用
　利用各控制（P・PID），可以进行以下控制操作：
　　・串级控制
　　・加热冷却控制

2. 身边的温度控制

　我们在日常生活中经常有“测量温度”的体验。当我们感到“身体疲倦”或者“发热”时，通常会测量体温。此外，当我们想知道房间的温度时，会使用温度计等来了解。那么“温度控制”又是怎么样的呢？提到“温度控制”，人们可能会突然觉得这是“与日常生活无关的工业领域”的事物，但实际上，我们周围的环境中也存在着“温度控制”的实例。

　首先，“控制”是什么意思呢？根据工程学的定义，它是一种抽象的表达，指的是“为了达到特定目的，对正在考虑的对象进行必要的操作”。让我们将这个抽象的定义更具体地换成身边的例子。

　想象一下在一个寒冷的冬天，从外面回到家里的情景。由于房间内也很冷，你点燃了炉子。最初寒冷的房间渐渐变得温暖，连毛衣也不再需要了。当房间变得太热时，你减小了火势，过了一会儿，房间又开始感到寒冷。通过调整火势，使其适当的强度，房间内的温度会保持在一个相当舒适的水平。在这种情况下进行了“温度控制”，那里涉及某种“目标（使房间的温度舒适）”，以及“对象（房间的温度）”和“操作（调节炉火的强度）”以及“测量（热或冷的感觉）”等概念都紧密相连，具有实际意义。

3. 手动控制与自动控制

　要实现将房间温度设置为“20℃”或将汽车速度设置为每小时50公里等“目标”，就需要使用装置来进行“操作”。换句话说，我们的手和脚就是这个装置。通过这种方式，我们可以对“对象”进行操作，例如打开或关闭燃气阀门，踩油门等，以引起变化。结果，就需要进行“测量”来确定是否符合目标。
通过“控制装置”自动执行这样的操作称为自动控制。例如，电暖桌或空调的操作就可以称为自动控制。
相反，前面提到的室内温度调节或汽车速度调节是由人类进行手动控制操作，因此称为手动控制。

4. 温度控制相关术语

　请看上图。这是表示对电暖桌的温度控制相关的图。这样的图示使用了各种术语来表示。

　电暖桌等电器由几个部件组成。这些分割的每个部件被称为元素（element）。确定将哪些内容视为一个元素并没有固定的规定，但通常将每个信号性质发生变化的地方作为一个元素。

　这些元素汇集在一起，彼此之间存在关系，并共同实现某一特定目标的群体被称为系统（system）。我们周围的汽车、时钟等几乎所有事物都可以被称为系统。在其中，特别是为了控制而设定的系统称为控制系统（control system）。在这样的系统中，我们区分元素之间相互作用的“原因”和“结果”。然后，除了元素之外，加入到系统中的任何物理量，例如在电暖桌中是流经加热器的电流等，称为输入（input）或输入信号（input signal），输入信号通过元素进行变化并最终产生的物理量，例如电暖桌的温度等，称为输出（output）或输出信号（output signal）。使用带有箭头的线图来表示这些信号的联系，以展示因果关系，对于了解整个控制系统的构成和特性非常方便。这种线图被称为块状图（block diagram）。

5. 关于温度控制的好坏

　温度制御的理想情况是，在目标温度的变化（设定温度的更改或上电启动时的上升）方面，控制温度能够忠实地跟随。对于目标温度的阶跃变化，理想的响应将是图（a）中所示的，即图（b）的控制响应。然而，由于实际情况中存在控制对象、检测部分和操作部分的时间滞后，因此调节部分会对滞后返回的反馈信号（控制温度）进行修正操作。因此，控制结果可能会产生图（c）中的”超调”或产生”振荡”。如果因担心这一点而使控制动作的增益（Kp）过小，那么目标温度逼近的方式（响应速度）可能会变差，如图（d）所示。此外，如图（f）所示，循环可能不会减弱，反而逐渐增大。在图中，实际的控制结果（c）、（d）和（e）中，哪一个是良好的响应取决于控制的目标，但一般来说，像图（e）那样，没有”稳态偏差”（也称为偏移）且响应迅速，波动不太明显的情况被认为是理想的。为了获得良好的控制结果，需要充分了解”控制对象”、”检测器”、”操作部分”等构成”元素”的动态特性，并选择适当的控制操作。良好的控制需要考虑以下方面：

1)没有超频和振荡

　实际温度超过设定值（目标温度）并上升的现象称为“超调”。相对于设定值，实际温度上下波动的现象称为“振荡”。

2)快速响应性・稳定性良好

　设定值发生变化时，温度立即跟随该变化的能力称为“快速响应性”。“稳定性”指在包括扰动在内的实际温度发生任何变化时，迅速消除与之相关的瞬态状态（振荡），使系统稳定在恒定状态。

3)没有静态偏差

　定常状态下实际温度与设定值之间的差异称为“静态偏差”或“偏差”
4)过渡状态，定常状态

　外部干扰的影响或设定值的变更等，导致实际温度波动的过渡时期称为”过渡状态”。 过渡时期过去后，系统将趋于一个稳定状态，这个状态称为”定常状态”。
　这些方面通常是相互矛盾的，实际上要完全消除所有这些是不现实的。通常的做法是在每个方面上限定在系统可以接受的范围内进行控制。

6. 温度控制目标对象的特性

　我们在与初次见面的人交谈时，如果事先了解对方的性格，就能够更顺利地进行对话。在温度控制中同样适用，为了实现最佳控制，我们需要充分了解控制对象的性质。那么，我们应该如何了解控制对象的性质呢？当我们想了解一个箱子里面的东西时，我们会敲击箱子，晃动箱子，试图摸索内部的反应。在温度控制中，我们将探讨控制对象的性质，即”动特性”。要了解动特性，我们可以稍微移动它，确认它的运动方式并作出判断。”阶跃响应法”和”频率响应法”是常用于这种目的的方法。

7. 动特性与静特性

静特性	动特性
K/μ ：增益常数	Ｌ=无效时间　 Ｔ=时间常数

 

　控制对象接收输入并受到影响，其结果作为输出表现出不同的动态模式，这取决于控制对象的特性。例如，浴室的温度会在点燃燃气炉后逐渐上升，最终稳定在一定温度，但敲击寺庙的钟会发出“咚”的声音，持续震动一段时间，然后逐渐平静下来。

　像这样通过某种现象在时间上的变化来展示控制对象特性的称之为动态特性（dynamic characteristic）。相反，像弹簧的荷重与伸缩关系那样，在稳定状态下展示输入与输出关系的被称为静态特性（static characteristic）。

　动态特性→过渡状态下要素的特性
　静态特性→定常状态下要素的特性

8. 控制对象的信号关系

　上图显示了温度控制系统中输入和输出信号之间的关系。通过操作量（m）、扰动（d）和控制量（c）之间的相互关系，可以了解控制对象的情况。

9. 阶跃响应法

　在某个时间点之前为零，然后从那个时刻开始为其他固定值的输入称为阶跃输入（step input），阶跃输入引起的响应称为阶跃响应（step response）或者指示响应（indicial response）。

　阶跃响应可以是弹簧秤上计量物体时指示器的运动，电动机开关打开时速度的变化，电炉供电电压变化时温度的变化等，在日常生活中有各种各样的例子。

　在上图的阶跃响应中，有①这样缓慢响应逐渐趋于稳定的形式，②这样超过目标值然后再回来逐渐趋于稳定的形式（衰减振荡），还有③这样发散的响应。

　①、②这样足够时间后趋于一定值的情况被称为具有自我平衡性，而③这样无论经过多长时间响应都无法稳定的情况则被称为没有自我平衡性。

10. 频率响应法

　有一种输入是从某个时间点开始振动性地交替变化大小的。例如，当我们摇动箱子想知道里面装了什么时，我们也在施加振动性的输入；悬挂在弹簧上的物体上下振动，未经训练的人在骑自行车时转向的变化都可以用三角函数的sin或cos表示。这种输入被称为正弦波输入（sinusoidal input），由正弦波输入引起的响应（输出）被称为频率响应（frequency response）。

　给处于平衡状态（稳定状态）的控制对象一个振幅恒定正弦波输入A*sin(ωt)时的响应，如上图①所示，一开始可能会有些混乱，但最终会趋向于输入的正弦波，也有可能像图②一样发散。对于这种正弦波输入的响应，我们通常会忽略初始瞬态状态，而专注于经过一定时间后的稳态波形进行理论分析。

11. 二阶迟滞元素

　如上图所示，从控制对象得到的响应，上升较慢，呈S形响应的特性被称为二阶迟滞元素。

　具有二阶迟滞特性的元素的示例包括具有两个容量的控制对象或电路等，如上图所示。当容量的数量增加时，它仍然呈S形状，延迟更加明显，这被称为高阶迟滞元素。通常，温度的变化会被检测为高阶迟滞。
　二阶迟滞和高阶迟滞可以在S形曲线的变曲点处绘制切线，这在时间轴上与之相交的点处，可以近似表示为“无效时间（L）”+“一阶迟滞”的特性。

12. 无效时间元素

　如上图所示，当在A点添加染料（输入）时，其响应（输出）在B点处（AB/流速V）有一段时间的延迟，这段时间内完全没有响应。换句话说，输入信号被延迟了一段时间L才传播到这样的元素，称为“无效时间元素（dead time element）”，延迟时间L被称为“无效时间（dead time）”

　无效时间出现在加入操作的点和检测点之间有一定的延迟时。无效时间越长，控制结果越容易产生振荡和超调，在温度控制中，尽可能减小无效时间是必要的。

13. 热容量

　通常，加热控制的对象分为加热器本身和被加热物体两部分。表示加热器加热强度的是”加热器容量”，表示被加热物体热性质的是”热容量”。在上图中，熨斗的加热体积（热板的体积）的大小就是热容量。

　如果加热器容量相同而热容量较大，”一阶迟滞”或”二阶迟滞”的时间常数就会增大。换句话说，加热响应会变慢。

14. 外乱

　稳定状态的物体受到试图干扰其状态的外部作用被称为”外乱”（disturbance）。现在，让我们以通过热风加热至一定温度的烘干机为例。在这种情况下，如果阀门设置为适当的开度，理论上应该可以实现保持温度稳定的目标。然而实际上会出现以下的外乱影响温度并引起变化。

1)外乱的原因
（1）为了放入或取出物品而打开门。
（2）放入烘干机的物品的温度和重量发生变化。
（3）原本湿润的物品逐渐变干。
（4）由于外部气温的变化，烘干机散热量发生变化。
（5）送风机送出的热风温度发生变化。等…

2)外乱的改善
为了能够从根本上消除外部作用（减小外部作用）：
　(1) 在运行时不要打开门（减小门的大小）。
　(2) 衣物在放入烘干机之前应该脱水充分。此外，不要一次放入过多的衣物。
　（对于新材料等，需要进行预热后再使用）
　(3) 保持热风量恒定（控制流量）。
　(4) 保持加热器电源稳定（保持定电压）。

如果无法避免上述情况，还有以下方法：
　(1) 如果能够确定外部干扰加入的时机。
　　例如，在打开门的情况下，如果事先暂时增加热风的流量，就可以防止温度下降。
　(2) 如果不能确定外部干扰加入的时机。
　　在这种情况下，需要使用温度控制器来控制热风的流量。