CN103286929A - 一种多路pid温度控制装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多路PID温度控制装置及其控制方法，属于自动控制技术领域。它解决了现有的技术中加热板各个位置之间动态温度达不到均衡的问题。本多路PID温度控制装置包括控制单元、交流电源、若干个温度传感器、若干个晶闸管功率调节器和若干个加热管，每个加热管对应一个温度传感器和晶闸管功率调节器，每个温度传感器分别与控制单元的输入端连接，每个晶闸管功率调节器分别与控制单元的输出端连接，交流电源和加热管分别与晶闸管功率调节器连接。本控制装置及其控制方法能够使模温机加热板动态温度均衡性保持一致，动态精度高，模具加热均匀。

Description

一种多路PID温度控制装置及其控制方法

技术领域

本发明属于自动控制技术领域，涉及一种多路PID温度控制装置及其控制方法。

背景技术

在自动控制领域，单变量的PID控制系统已经非常成熟且被广泛应用，如在模具温度控制机（简称模温机）中就有广泛的应用。由电加热管加热的热板系统是模具温度控制机器主要形式之一，在现有的模温机中，普遍采用单变量PID控制器来实现温控，在较大的加热系统中，采用多个独立的温控系统来做温度控制。这种方式虽然单个温控装置实现了较高精度的控制，但由于各个加热管功率、加热管间距、散热环境等因素的不同，各加热单元之间又是独立没有关联的，这使得模温机热板的局部温差较大，到达热平衡的时间较长，尤其是动态精度难以达到较高要求，严重限制了塑料模具加工的工艺水平和生产效率。

针对上述存在的问题，现有的中国专利公开文献提出了一种光学级透明制品用高精密注塑机[申请号：CN201210240993.0]，其包括温控系统，温控系统包括多个彼此独立的子系统，每一子系统包括PID运算模块、温度检测传感器、控制模块、一组加热模块以及水流量控制阀；温度检测传感器检测其所处位置的温度值并输出至PID运算模块，PID运算模块根据检测温度值与设定值的偏差进行PID计算从而输出控制信号至控制模块，控制模块根据控制信号控制加热模块开启或闭合以及控制水流量控制阀的开启或闭合。本发明虽然使得注塑机加热更加精确，但是该发明通过控制加热模块开启或闭合以及控制水流量控制阀的开启或闭合来实现模具加热平衡和均匀，频繁的开启和关闭加热模块，容易对加热模块的寿命造成影响，并且没有解决时加热板的动态温度均衡性达到一致的问题。

中国发明专利申请公开说明书CN200710053106.8公开了一种多路高精度温度控制器，虽然该多路高精度温度控制器将若干个PID温度控制器集合到一起，但各PID控制器之间没有实时同步调整，不能很好的实现加热板的均衡控温。

发明内容

本发明的目的是针对现有的技术存在上述问题，提出了一种多路PID温度控制装置及其控制方法，该控制装置及其控制方法能够使模温机加热板动态温度均衡性保持一致，动态精度高，模具加热均匀。

本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种多路PID温度控制装置，其特征在于，该控制装置包括控制单元、交流电源、若干个温度传感器、若干个晶闸管功率调节器和若干个加热管，所述的每个加热管对应一个温度传感器和晶闸管功率调节器，所述的每个温度传感器分别与控制单元的输入端连接，所述的每个晶闸管功率调节器分别与控制单元的输出端连接，所述的交流电源和加热管分别与晶闸管功率调节器连接，所述的控制单元接收由各温度传感器输送的温度值并根据PID的算法计算出下一时刻对应加热管的功率调节方向，晶闸管功率调节器根据控制单元的信号调节晶闸管的导通占空比来调节输出功率。

该多路PID温度控制装置中的每个温度传感器对应检测一个加热管所处位置的温度值并将该检测的温度值输送给控制单元，控制单元分别对该接收到的温度值进行处理并根据PID的算法计算出下一时刻温度传感器所对应的加热管的功率调节方向，其PID的算法主要是根据采样温度值和设定温度值来确定输出功率的增减，在本多路PID温度控制装置可实现各个加热管的分别调节，从而使各个加热管的输出温度分别达到设定温度值，实现模具加工的均匀性。

在上述的多路PID温度控制装置中，所述的控制单元包括总PID运算模块和若干个分PID运算模块，所述的若干个分PID运算模块分别对应一个温度传感器、加热管和晶闸管功率调节器。

在上述的多路PID温度控制装置中，所述的控制单元接收由各温度传感器输送的温度值并进行处理从而得到平均温度值，所述的平均温度值一方面作为温度采样值输送给总PID运算模块进行运算，另一方面作为动态给定值输送给各分PID运算模块进行运算。

在上述的多路PID温度控制装置中，所述的总PID运算模块将得到的平均温度值作为温度采样值与控制单元内预先设定的目标温度值进行比较，把比较得到的差值信号经过一定规律的计算后得到相应的总控制值，并将该总控制值输送给控制单元进行相应的控制。

在上述的多路PID温度控制装置中，所述的分PID运算模块将各自温度传感器检测到的温度值与动态给定值进行比较，把比较得到的差值信号经过一定规律的计算后得到相应的分控制值并输送给控制单元，控制单元根据总PID运算模块和分PID运算模块输送的总控制值和分控制值共同进行判断并输出相应的控制信号控制晶闸管功率调节器进行功率调节。控制单元将总PID运算模块和分PID运算模块输送的控制值通过功率合成器以逻辑与的方式进行合成，在总PID运算模块有总控制值输出时，控制单元才能根据各分PID运算模块输出的信号控制各晶闸管功率调节器调节加热管的功率，否则，控制单元不输出信号给晶闸管功率调节器，这样的操作一方面简化了算法，另一方面可提高整个热板动态温度均衡性，此外也提高了模具加工的质量。

在上述的多路PID温度控制装置中，所述的若干个加热管分布于模具型腔内不同的位置，其加热管根据加热板和模具型腔以及模具的外形来确定安装的位置。在对塑料模具进行加工时，根据模具型腔以及模具的外形的不同来设置加热管在加热板上的位置，其加热管的分布并不是均匀分布的，加热管可能在有些地方分布密集，有些地方分布稀疏，这样可有效提高整个塑料模具在加工过程中各个点的温度均衡性，提高加工模具的质量。

在上述的多路PID温度控制装置中，所述的温度传感器安装在加热板上，其根据所述加热管在加热板上所设置的位置分别对应设置一个。根据加热管在加热板上所设置的位置分别对应设置一个温度传感器，可对模具加热板的各点温度分别进行控制，操作方便。

一种多路PID温度控制方法，实现该控制方法的控制装置包括控制单元、交流电源、若干个温度传感器、若干个晶闸管功率调节器和若干个加热管，所述的每个加热管对应一个温度传感器、晶闸管功率调节器和分PID运算模块，其特征在于，该控制方法的具体步骤如下：

步骤一、在控制单元内预先设定目标温度值；

步骤二、将若干个温度传感器检测的温度值进行平均值计算得出平均温度值；

步骤三、在总PID运算模块中将步骤二中得出的平均温度值作为温度采样值与目标温度值进行比较，把比较得到的差值信号经过一定规律的计算后得到相应的总控制值并将该总控制值送给控制单元进行相应的控制；在分PID运算模块中将步骤二中得出的平均温度值作为动态给定值与各温度传感器检测的温度值进行比较，把比较得到的差值信号经过一定规律的计算后得到相应的分控制值并将该分控制值送给控制单元进行相应的控制；

步骤四、控制单元将由步骤三中接收到的总控制值和分控制值共同进行判断并输出相应的控制信号控制晶闸管功率调节器进行功率调节。

在上述的多路PID温度控制方法中，在所述步骤二中，所述的温度传感器安装在加热板上，其根据所述加热管在加热板上所设置的位置分别对应设置一个。根据加热管在加热板上所设置的位置分别对应设置一个温度传感器，可对模具加热板的各点温度分别进行控制，操作方便。

在上述的多路PID温度控制方法中，在所述步骤四中，所述的控制单元根据各分PID运算模块输出的控制值控制各晶闸管功率调节器的功率调节方向和幅度。

与现有技术相比，本多路PID温度控制装置及其控制方法具有以下优点：

1、本发明通过PID算法对整个加热板的各点温度分别进行控制，提高了模具加热板加热的平衡性和均匀性，加热板加热温度更加精确，有利于生产高质量的塑料件。

2、本发明采用PID控制原理，能够在控制过程中根据预先设定好的控制规律不停地自动调节控制量以使被控系统朝着设定的平衡状态过渡，最后达到控制范围精度内的稳定的动态平衡状态，并且本发明采用逻辑与的方式，使得总PID运算模块和分PID运算模块输出的控制量可以简单的叠加，简化了算法。

3、本发明将加热板各个点的平均温度一方面作为分PID的动态给定值，另一方面作为总PID的温度采样值，两者相互配合控制，实现了加热板各点温度的同步调整，使加热板在全程加热过程中均能保持温度的均衡性，大大缩短了模具加热时间，提高了生产效率。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的PID算法图。

图3是本发明的逻辑与合成输出波形图。

图4是普通单通道PID应用系统中的温度曲线图。

图5是本发明的温度曲线图。

图6是本发明加热管功率提高后的温度曲线图。

图中，11、控制单元；11a、总PID运算模块；11b、分PID运算模块；12、晶闸管功率调节器；13、加热管；14、温度传感器；15、交流电源；16、加热板；17、过零检测电路。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

如图1、2所示，本多路PID温度控制装置包括控制单元11、交流电源15、若干个温度传感器14、若干个晶闸管功率调节器12和若干个加热管13，每个加热管13对应一个温度传感器14和晶闸管功率调节器12，每个温度传感器14分别与控制单元11的输入端连接，每个晶闸管功率调节器12分别与控制单元11的输出端连接，交流电源15和加热管13分别与晶闸管功率调节器12连接，控制单元11接收由各温度传感器14输送的温度值并根据PID的算法计算出下一时刻对应加热管13的功率调节方向，晶闸管功率调节器12根据控制单元11的信号调节晶闸管的导通占空比来调节输出功率。

具体来说，控制单元11包括总PID运算模块11a和若干个分PID运算模块11b，若干个分PID运算模块11b分别对应一个温度传感器14、加热管13和晶闸管功率调节器12。

控制单元11接收由各温度传感器14输送的温度值并进行处理从而得到平均温度值，平均温度值一方面作为温度采样值输送给总PID运算模块11a进行运算，另一方面作为动态给定值输送给各分PID运算模块11b进行运算。

控制单元11中的总PID运算模块11a将得到的平均温度值作为温度采样值与控制单元11内预先设定的目标温度值进行比较，把比较得到的差值信号经过一定规律的计算后得到相应的总控制值，并将该总控制值输送给控制单元11进行相应的控制。

控制单元11中的分PID运算模块11b将对应温度传感器14检测到的温度值与动态给定值进行比较，把比较得到的差值信号经过一定规律的计算后得到相应的分控制值并输送给控制单元11，控制单元11根据总PID运算模块11a和分PID运算模块11b输送的控制值共同进行判断并输出相应的控制信号控制晶闸管功率调节器12进行功率调节。控制单元11将总PID运算模块11a和分PID运算模块11b输送的控制值通过功率合成器以逻辑与的方式进行合成，在总PID运算模块11a有总控制值输出时，各分PID运算模块11b输出各自的控制信号，否则，各分PID运算模块11b不输出各自的控制信号，这样的操作一方面简化了算法，另一方面可提高整个热板动态温度均衡性，此外也提高了模具加工的质量和效率。

若干个加热管13分布于模具型腔内不同的位置，其加热管13根据加热板16和模具型腔以及模具的外形来确定安装的位置。在对塑料模具进行加工时，根据模具型腔以及模具的外形的不同来设置加热管13在加热板16上的位置，其加热管13的分布并不是均匀分布的，加热管13可能在有些地方分布密集，有些地方分布稀疏，这样可有效提高整个塑料模具在加工过程中各个点的温度均衡性，提高加工模具的质量。

温度传感器14安装在加热板16上，其根据加热管13在加热板16上所设置的位置分别对应设置一个。根据加热管13在加热板16上所设置的位置分别对应设置一个温度传感器14，可对模具的各点温度分别进行控制，操作方便。

控制单元11还包括控制器、用于将温度传感器14检测到的模拟信号转换成数字信号的模数转换器和用于存储目标温度值以及各个温度传感器14检测到的温度值的存储器，模数转换器和存储器分别与控制器连接。

作为优选，本控制装置还包括与控制单元11连接的过零检测电路17，其用于检测交流电的过零点，这样能够精确控制晶闸管的开启时间，从而调整晶闸管的导通占空比。

优选地，本控制装置还包括用于设定目标温度值的按键，其按键与控制单元11的输入端连接。

本多路PID温度控制方法，实现该控制方法的控制装置包括控制单元11、交流电源15、若干个温度传感器14、若干个晶闸管功率调节器12和若干个加热管13，每个加热管13对应一个温度传感器14、晶闸管功率调节器12和分PID运算模块11b，该控制方法的具体步骤如下：

步骤一、在控制单元11内预先设定目标温度值；

步骤二、将若干个温度传感器14检测的温度值进行平均值计算得出平均温度值；

步骤三、在总PID运算模块11a中将步骤二中得出的平均温度值作为温度采样值与目标温度值进行比较，把比较得到的差值信号经过一定规律的计算后得到相应的总控制值并将该总控制值送给控制单元11进行相应的控制；在分PID运算模块11b中将步骤二中得出的平均温度值作为动态给定值与各温度传感器14检测的温度值进行比较，把比较得到的差值信号经过一定规律的计算后得到相应的分控制值并将该分控制值送给控制单元11进行相应的控制；

步骤四、控制单元11将由步骤三中接收到的总控制值和分控制值共同进行判断并输出相应的控制信号控制晶闸管功率调节器12进行功率调节。

温度传感器14安装在加热板16上，其根据所述加热管13在加热板16上所设置的位置分别对应设置一个。根据加热管13在加热板16上所设置的位置分别对应设置一个温度传感器14，可对模具的各点温度分别进行控制，操作方便。

在步骤四中，控制单元11根据各分PID运算模块11b输出的控制值控制各晶闸管功率调节器12的功率调节方向和幅度。

该多路PID温度控制装置及其控制方法的具体工作过程为：

该多路PID温度控制装置包括控制单元11、晶闸管功率调节器12、加热管13、温度传感器14和交流电源15，控制单元11的输入端连接温度传感器14，控制单元11的输出端连接晶闸管功率调节器12，交流电源15通过晶闸管功率调节器12与加热管13连接，其加热管13的加热功率通过晶闸管功率调节器12进行调节，在本控制装置中，若将加热管13对应一个晶闸管功率调节器12和温度传感器14看成一路的话，那么在本控制装置有若干路这样的结构组成，其每一路都与控制单元11连接，其每一路分别对应一个分PID运算模块11b；在通过本控制装置及其控制方法对塑料模具进行加工时，在模具上下位置设置两块加热板16，将若干个加热管13根据模具型腔以及模具的外形安装在加热板16各个位置上，温度传感器14安装在加热板16上对应检测一个加热管13所处位置的温度；在原有技术中，加热管13的加热功率为100%，本控制方法的使用，是通过晶闸管功率调节器12调节加热管13的加热功率为预设的基本功率比例，如80%；在开始工作后，各个点设置的温度传感器14实时将各自检测到的温度信号输送给控制单元11，控制单元11中的模数转换器将各温度传感器14输送的温度信号进行处理得到各个通道的温度值，如温度值1、温度值2、…、温度值n等n个温度值，并将上述温度值进行存储，同时控制单元11对各个通道的温度值进行处理得到平均温度值，在总PID运算模块11a中将得到的平均温度值作为温度采样值与控制单元11内预先存储的目标温度值进行比较，其目标温度值可设定为170℃，把比较得到的差值信号经过一定规律的计算后得到相应的总控制值；在分PID运算模块11b的运算中将得到的平均温度值作为动态给定值，分PID运算模块11b将各自温度传感器14检测的温度值与动态给定值进行比较，把比较得到的差值信号经过一定规律的计算后得到相应的分控制值，如分控制值1、分控制值2、…、分控制值n等n个分控制值，控制单元11将总PID运算模块11a和分PID运算模块11b输出的总控制值和分控制值通过逻辑与的方式进行合成，控制单元11根据该合成结果控制各晶闸管功率调节器12进行功率调节。为了便于理解，可用如图3来说明，即在总PID输出和分PID1输出都为高电平时，控制单元11控制对应分PID1的晶闸管功率调节器12进行功率调节，该分PID运算模块11b在运算结果为正时输出在80%输出功率的基础上进行功率增加的控制值给控制单元11，控制单元11则根据该接收的控制值控制晶闸管功率调节器12进行相应的调整，晶闸管功率调节器12通过调节晶闸管的导通占空比来增加该加热管13的加热功率；该分PID运算模块11b在运算结果为负时输出在80%输出功率的基础上进行功率减少的控制值给控制单元11，晶闸管功率调节器12根据控制单元11的信号调节晶闸管的导通占空比来减少该加热管13的加热功率，重复上述的工作，从而达到自动调节的目的，使各加热管13所处位置的温度都达到目标温度值，从而达到控制范围精度内的稳定的动态平衡状态。

如图4、5、6所示，通过实验数据可表明，普通单通道PID控制系统在应用中，因为其控制系统是独立的，没有关联，模温机加热板16的局部温差较大，各加热单元达到设定温度的时间差距比较大，动态调整速度较慢，限制了塑料模具加工的生产效率，并且局部温差较大，容易造成模具表面不光滑，影响模具加工的质量；由图5可知，应用了本发明后，加热板16各个点之间温度差很小，模具加热更加平衡、均匀，任何时刻温差小于4摄氏度，但由于总功率降低了，到达设定温度的时间也延长了；如图6所示，将每根加热管13功率提高后，即可达到加热板16各个点之间温度差小，模具加热更加平衡、均匀，任何时刻温差小于4摄氏度，又能缩短到达设定温度的时间的目的。由上述数据表明，采用本控制装置及其控制方法可使加热板16各个点的温度比较平衡、均匀，模具注塑出来的工件比较光滑，质量较高，并且在模具加工过程中，如在模具开模等变化中，能很快恢复到设定温度，从而提高了生产效率。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了控制单元11、总PID运算模块11a、分PID运算模块11b、晶闸管功率调节器12、加热管13、温度传感器14、交流电源15、加热板16、过零检测电路17等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (10)

1.一种多路PID温度控制装置，其特征在于，该控制装置包括控制单元（11）、交流电源（15）、若干个温度传感器（14）、若干个晶闸管功率调节器（12）和若干个加热管（13），所述的每个加热管（13）对应一个温度传感器（14）和晶闸管功率调节器（12），所述的每个温度传感器（14）分别与控制单元（11）的输入端连接，所述的每个晶闸管功率调节器（12）分别与控制单元（11）的输出端连接，所述的交流电源（15）和加热管（13）分别与晶闸管功率调节器（12）连接，所述的控制单元（11）接收由各温度传感器（14）输送的温度值并根据PID的算法计算出下一时刻对应加热管（13）的功率调节方向，晶闸管功率调节器（12）根据控制单元（11）的信号调节晶闸管的导通占空比来调节输出功率。

2.根据权利要求1所述的多路PID温度控制装置，其特征在于，所述的控制单元（11）包括总PID运算模块（11a）和若干个分PID运算模块（11b），所述的若干个分PID运算模块（11b）分别对应一个温度传感器（14）、加热管（13）和晶闸管功率调节器（12）。

3.根据权利要求2所述的多路PID温度控制装置，其特征在于，所述的控制单元（11）接收由各温度传感器（14）输送的温度值并进行处理从而得到平均温度值，所述的平均温度值一方面作为温度采样值输送给总PID运算模块（11a）进行运算，另一方面作为动态给定值输送给各分PID运算模块（11b）进行运算。

4.根据权利要求3所述的多路PID温度控制装置，其特征在于，所述的总PID运算模块（11a）将得到的平均温度值作为温度采样值与控制单元（11）内预先设定的目标温度值进行比较，把比较得到的差值信号经过一定规律的计算后得到相应的总控制值，并将该总控制值输送给控制单元（11）进行相应的控制。

5.根据权利要求4所述的多路PID温度控制装置，其特征在于，所述的分PID运算模块（11b）将各自温度传感器（14）检测到的温度值与动态给定值进行比较，把比较得到的差值信号经过一定规律的计算后得到相应的分控制值并输送给控制单元（11），控制单元（11）根据总PID运算模块（11a）和分PID运算模块（11b）输送的总控制值和分控制值共同进行判断并输出相应的控制信号控制晶闸管功率调节器（12）进行功率调节。

6.根据权利要求1所述的多路PID温度控制装置，其特征在于，所述的若干个加热管（13）分布于模具型腔内不同的位置，其加热管（13）根据加热板（16）和模具型腔以及模具的外形来确定安装的位置。

7.根据权利要求6所述的多路PID温度控制装置，其特征在于，所述的温度传感器（14）安装在加热板（16）上，其根据所述加热管（13）在加热板（16）上所设置的位置分别对应设置一个。

8.一种多路PID温度控制方法，实现该控制方法的控制装置包括控制单元（11）、交流电源（15）、若干个温度传感器（14）、若干个晶闸管功率调节器（12）和若干个加热管（13），所述的每个加热管（13）对应一个温度传感器（14）、晶闸管功率调节器（12）和分PID运算模块（11b），其特征在于，该控制方法的具体步骤如下：

步骤一、在控制单元（11）内预先设定目标温度值；

步骤二、将若干个温度传感器（14）检测的温度值进行平均值计算得出平均温度值；

步骤三、在总PID运算模块（11a）中将步骤二中得出的平均温度值作为温度采样值与目标温度值进行比较，把比较得到的差值信号经过一定规律的计算后得到相应的总控制值并将该总控制值送给控制单元（11）进行相应的控制；在分PID运算模块（11b）中将步骤二中得出的平均温度值作为动态给定值与各温度传感器（14）检测的温度值进行比较，把比较得到的差值信号经过一定规律的计算后得到相应的分控制值并将该分控制值送给控制单元（11）进行相应的控制；

步骤四、控制单元（11）将由步骤三中接收到的总控制值和分控制值共同进行判断并输出相应的控制信号控制晶闸管功率调节器（12）进行功率调节。

9.根据权利要求8所述的多路PID温度控制方法，其特征在于，在所述步骤二中，所述的温度传感器（14）安装在加热板（16）上，其根据所述加热管（13）在加热板（16）上所设置的位置分别对应设置一个。

10.根据权利要求8所述的多路PID温度控制方法，其特征在于，在所述步骤四中，所述的控制单元（11）根据各分PID运算模块（11b）输出的控制值控制各晶闸管功率调节器（12）的功率调节方向和幅度。

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