脈沖焊機自整定PID溫度控制設(shè)計及實現(xiàn)*

徐作棟

（湖南三一工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，長沙 410129）

0 引言

脈沖焊接機也稱脈沖熱壓式回流焊接機，脈沖焊接機用于焊接FFC排線、印刷電路板、液晶顯示屏、連接器、端子等產(chǎn)品。脈沖焊設(shè)備工作原理是通過調(diào)節(jié)熱壓頭上的脈沖電壓，在一定的脈沖電壓的作用下，電流通過熱壓頭（鉬合金焊頭）產(chǎn)生熱量發(fā)熱，通過傳導(dǎo)帶動連接器溫度升高，當(dāng)溫度升到事先設(shè)定的溫度值（一般是焊錫的熔點），此時即將電子原件通過錫熔融連接在了一起[1]。

1 脈沖焊機溫度控制器設(shè)計要求

脈沖焊接質(zhì)量的保證主要源于控制錫在加熱中的“時間-溫度”曲線，即脈沖焊接溫度曲線。如圖1所示，脈沖焊的設(shè)計都是基于脈沖焊接溫度曲線而展開的，整個過程時間極短，為4～5 s。脈沖焊的重點任務(wù)就是通過控制各溫區(qū)的實時溫度、連接器的運動速率，使二者之間形成一定的函數(shù)關(guān)系，從而生成所需要的溫控曲線，達到保證焊接質(zhì)量的目標(biāo)。

圖1 脈沖焊接溫度設(shè)定曲線

2 溫度控制系統(tǒng)設(shè)計

脈沖焊的控制系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)是實際溫度控制曲線變化規(guī)律與理想焊接溫度曲線相重合，雖然實際溫度控制曲線在不同時間點是不斷變化的，但要求其波動相對于理論值在一個可控范圍內(nèi)，以保證各個溫控區(qū)的溫度相對恒定。

2.1 溫度閉環(huán)控制原理

溫度控制原理PLC根據(jù)采集熱電偶信號進行PID運算，輸入4～20 mA電流信號驅(qū)動SCR進行加熱。溫度閉環(huán)控制原理框圖如圖2所示。

圖2 溫度閉環(huán)控制原理框圖

系統(tǒng)使用熱電偶作為反饋元件，將溫度電信號（當(dāng)前溫度值）反饋給溫度控制器，構(gòu)成溫度反饋回路，從而組成一個完整的溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)[2]，如圖3所示。

2.2 PID控制原理

圖3 脈沖焊溫區(qū)溫度閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)框圖

將比例、積分、微分各個動作組合形成的控制方式稱為PID動作，以目標(biāo)值濾波型2自由度微分先行PID控制方式進行[3]，如圖4所示。

圖4 PID動作框圖

PID控制器的數(shù)學(xué)描述為：

式中：KP為比例系數(shù)；TI為積分間常數(shù)，TD為微分時間常數(shù)。

使用簡單PID運算防止超調(diào)，干擾的穩(wěn)定性所需的時間將會被延長，反之如果加快這一過程，將會發(fā)生超調(diào)，從而對目標(biāo)值的響應(yīng)速度將會放緩。在兩自由度PID運算中，由于不會發(fā)生超調(diào)，可以快速穩(wěn)定干擾，加快目標(biāo)值的響應(yīng)。利用PID控制，控制量快速達到并且保持在目標(biāo)值可通過優(yōu)化參數(shù)的方式來實現(xiàn)。

3 自整定PID溫度控制設(shè)計

3.1 PID參數(shù)控制調(diào)整

整定PID參數(shù)是PID控制的核心，首先要保證系統(tǒng)的穩(wěn)定，同時還要兼顧到系統(tǒng)的抗干擾能力和帶負載能力，從而使系統(tǒng)接近理想的控制性能[4]。自整定PID參數(shù)之前，引入反饋是關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，這關(guān)系到系統(tǒng)可控性和穩(wěn)定性，因此引入負反饋至關(guān)重要，那么硬件必須保證PLC與熱電偶的極性一致，軟件上采用逆動作控制。

具體進行PID的整定時，選用的PID指令參數(shù)要求具有自調(diào)整功能。由于預(yù)設(shè)參數(shù)為初始值，在進行參數(shù)整定時，需要對各參數(shù)的設(shè)置進行定性把控，這樣在調(diào)試過程中可實現(xiàn)向收斂區(qū)間的迅速靠近，提高調(diào)試效率。PID各組成部分作用不同?？偟膩碚f，P起到的作用越強，可實現(xiàn)向指定區(qū)間的快速收斂，穩(wěn)態(tài)誤差也隨之越小，但是性能雖然有所提高，卻與收斂速度不成比例，即性能提高較慢。系統(tǒng)要求溫度超調(diào)量保證在2%以內(nèi)，但系統(tǒng)自身就會產(chǎn)生一定的超調(diào)，因此如果P過大，會導(dǎo)致因振蕩而發(fā)生超調(diào)現(xiàn)象，若超過超調(diào)量則必須要降低P的作用。消除靜差可通過增大I來實現(xiàn)，但是超調(diào)情況也會伴隨著I的增強而產(chǎn)生，因此I的增大也應(yīng)適當(dāng)。增大D可有效增加系統(tǒng)穩(wěn)定性和快速性，而穩(wěn)定性增加的同時又可起到增大P的復(fù)合作用，增大D對系統(tǒng)的穩(wěn)定性提高作用較大，但是D作用的增大會導(dǎo)致系統(tǒng)抗干擾性的降低，而抗干擾性的降低又會導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定性變差，控制系統(tǒng)的不穩(wěn)定性對PID參數(shù)的調(diào)整是沒有意義的，因此不能因D值的增大而影響到系統(tǒng)的穩(wěn)定性，D的取值應(yīng)在合理范圍。本系統(tǒng)通過PID參數(shù)調(diào)節(jié)為二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)，瞬態(tài)特性為單調(diào)變化曲線，無超調(diào)或振蕩，是收斂穩(wěn)定的。整定PID參數(shù)的順序按照先比例P后積分I，目的是簡化參數(shù)整定，即先把積分作用取消或弱化，待調(diào)整好比例度，使控制系統(tǒng)基本穩(wěn)定，然后再加上積分I[5]，最后再加上微分D環(huán)節(jié)。通過三者參數(shù)的微調(diào)試驗，逐步湊出滿意的結(jié)果。PID參數(shù)和控制狀態(tài)的一般關(guān)系是，不希望產(chǎn)生超程時，不考慮整定時間，那么就擴大比例帶P。希望盡快達成穩(wěn)定的控制狀態(tài)時，即使產(chǎn)生超調(diào)也可以接受，那么就縮小比例帶P，但是，如果過小，要考慮到會產(chǎn)生震顫。當(dāng)積分動作過強達不到目標(biāo)值時，就會出現(xiàn)寬幅的震顫或重復(fù)超調(diào)現(xiàn)象?？s小震顫可以采取擴大比例帶P或增加積分時間I兩種方法。當(dāng)產(chǎn)生短周期的震顫時，控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度加快，帶動微分動作過大[6]，此時應(yīng)縮小微分作用D。

3.2 PID程序設(shè)計

（1）PID指令

[F355 PID，S]，起始編碼S（30字），PID運算參數(shù)。

（2）參數(shù)設(shè)置

[S]：控制模式；[S+1]：設(shè)定值（SP）；[S+2]：測量值（PV）；[S+3]：輸出值（MV）；[S+4]：輸出下限值；[S+5]：輸出上限值；[S+6]：比例增益（Kp）；[S+7]：積分時間（TI）；[S+8]：微分時間（TD）；[S+9]：控制周期（Ts）；[S+10]：自整定進程指定；[S+11]～[S+29]：PID運算工作區(qū)。

（3）PID運算模式

①方向。正動作和逆動作，輸出的變化方向可根據(jù)過程的變化而改變。逆動作的情況是：輸出值隨測量值的降低而升高 （例如：加熱）。正動作的情況是：輸出值隨測量值的上升而增大（例如：冷卻）。②運算。微分先行型（P-I-D）和比例微分先行型（I-P-D）[7]，在使用“微分先行型PID控制”的情況下，當(dāng)設(shè)定值發(fā)生變化時，輸出值會有較大波動，可以確保跟隨性，但能迅速收斂。在使用“比例微分先行型PID控制”的情況下，調(diào)整設(shè)定值后，達到穩(wěn)態(tài)值需要較長時間，但輸出值的波動明顯減小，可以確保穩(wěn)控性。

（4）PID運算

使測量值[S+2]與設(shè)定值[S+1]保持一致，并將結(jié)果輸出到［S+3］中。

4 PID溫度閉環(huán)控制程序

PID控制部分主要分為非自調(diào)整模式和自調(diào)整模式兩部分。非自調(diào)整模式多用于PID參數(shù)已經(jīng)實驗保存好，可以執(zhí)行自動啟動工作模式。自調(diào)整模式是啟動機器的前期準(zhǔn)備，收集正確的PID運算參數(shù)，對于剛剛研制的機器，調(diào)試和換檔位前，都要首先進行PID運算自調(diào)整模式去獲取正確的PID參數(shù)。

4.1 非自調(diào)整模式

開機默認(rèn)PID已經(jīng)調(diào)試好，檔位無變動，這樣避免不必要的調(diào)試，節(jié)約時間。首先設(shè)定PID運算模式，賦值D200 H110選擇模式，逆動作，正常運行模式即不執(zhí)行自調(diào)整模式。賦值D206-D208 KP、TI、TD，調(diào)整好參數(shù)。賦值最高和最低極限。PID參數(shù)調(diào)節(jié)完成后，根據(jù)工藝流程和過程，條件滿足后啟動PID運算，運行PID，結(jié)果反饋到PID計算區(qū)。

4.2 自調(diào)整模式

自調(diào)整模式一般用于機器的調(diào)試，是獲取最佳的PID參數(shù)途徑，對于剛剛研制的機器和需要換擋的機器（增加或者減少功率）都要進行PID調(diào)整。脈沖電焊機按功率不同共設(shè)置3個檔位，檔位選擇不同，PID參數(shù)也就不同，為確定正確參數(shù)，需先收集相應(yīng)PID參數(shù)值，所有每次調(diào)換檔位都要手動去空焊一次或者數(shù)次，去自動尋找合適的PID參數(shù)，直到溫度趨勢圖和理想設(shè)定路線相近為止。

執(zhí)行自整定后，根據(jù)過程量的測定值，PID的3個參數(shù)KP、TI和TD即可自行推測出結(jié)果，并在自整定完成后自動將結(jié)果返回到PID參數(shù)區(qū)[8]。程序選擇自調(diào)整執(zhí)行自整定時，DT200賦值H8110，自調(diào)整模式，微分先行，逆動作。結(jié)果保存PID參數(shù)區(qū)，如果覺得溫度不理想可以重復(fù)調(diào)整幾次，直到滿意為止。自調(diào)整后，需要設(shè)置一下各個參數(shù)的運行范圍極限。

4.3 程序驗證

為驗證溫度控制系統(tǒng)的可行性，以焊接20454 40P FPC連接器為例，以調(diào)試后獲取的PID系數(shù)進行溫度曲線實測，如圖5所示，從圖中可以看出，最終實際溫度曲線與理想曲線路線相近，滿足系統(tǒng)對溫度曲線路線的控制要求，因此本脈沖焊機自整定PID溫度控制的設(shè)計是成功的。

圖5 溫度測試曲線

5 結(jié)束語

脈沖焊溫度控制系統(tǒng)，采用溫度閉環(huán)控制原理，利用自整定算法計算PID參數(shù)，傳輸給PLC，實現(xiàn)溫度的實時控制。通過PID自調(diào)整模式控制完成了設(shè)備的調(diào)試和換擋，通過非自調(diào)整模式完成了設(shè)備的自動啟動調(diào)整，最后以焊接20454 40P FPC連接器為例，通過控制結(jié)果分析比較發(fā)現(xiàn)，實際溫度曲線和理想溫度曲線擬合度較好，滿足溫度曲線路線的控制要求，從而驗證了設(shè)計的可行性。