通常的加热控制系统是，为了使被控制点的测量温度(PV)与设定温度(SV)一致，进行PID控制计算，控制加热器的电源功率。下图就是加热控制系统的例子，控制容器内液体温度的系统。



在这个系统中被控对象的液体除自然冷却以外没有其他冷却手段，因此设定温度只有高于容器设置环境的温度时，才能实现温度控制。

为了不仅实现高于环境温度时的控制，而且实现低于环境温度时的控制，这就不仅需要加热器也需要冷却液体的冷却机构，需要同时控制加热器和冷却机构，下图所示就是存在加热和冷却控制的温度系统。



通常可以选择加热冷却动作的温控器，加热侧是反作用，冷却侧是正作用。这里建议大家看看《怎样选择PID调节器的正作用和反作用》，深入了解温控器正反作用，这对温控器选型和使用很有必要。

◆反作用：温度测量值增加时，温控器的输出减少的控制动作。(温度上升→加热输出减少)
◆正作用：温度测量值增加时，温控器的输出增加的控制动作。(温度上升→冷却输出增加)



2、设置加热冷却控制的PID
需要加热冷却的应用都带有加热控制(加热器～温度传感器)和冷却控制(冷却机构～温度传感器)，两个控制系统，并且在大多数情况下，加热系统和冷却系统的响应特性不一样。



为此温控器也被设计成分别设置加热系统和冷却系统的PID参数。

设置加热冷却PID参数的方法
设置加热冷却控制的温控器的PID参数有两种方法。具体参数因温控器的型号，温控器档次以及制造商的不同而有差异。

①只有比例带可以分别设置的类型
此类型比例带可以对加热系统设置加热比例带，对冷却系统设置冷却比例带。积分时间设置和微分时间设置则是加热系统和冷却系统共用。因此此类型的加热冷却PID温控器，由加热比例带，冷却比例带，积分时间和微分时间4个PID参数进行演算。这种类型设置只增加了一个调整项目，虽然调整简单，但是微调整受限制。

②加热控制系统和冷却控制系统可以独立设置的类型
此类型因为加热和冷却的PID常数可以分别独立设置，所以可以更精确地调整常数，但是很难得到最佳PID参数。

3、加热冷却PID动作
为了便于理解，大家随昌晖仪表来看一个加热侧和冷却侧都是比例控制的情况。



图中红线是加热输出，蓝线是冷却输出。如图所示，测量温度PV低于设定温度SV的领域是加热侧进行输出，测量温度PV高于设定温度SV的领域是冷却侧进行输出。

另外，在加热输出和冷却输出的切换点可以设置不感带(死区)，或者重叠输出。




Ph：加热比例带设置[℃]； Pc：冷却比例带设置[℃]； DB：重叠设置[℃]

4、冷却方法和冷却特性
①电子冷却器
电子冷却器是利用帕尔贴效应的冷却器，帕尔贴素子的吸热面直接固定在被冷却物上，温控器的冷却输出和吸热量近似于线性关系。

②使用风扇的风冷
用在风冷式塑料成型机等的冷却方法是，将电风扇发生的风加到被加热(冷却)物上进行冷却的方法。通常使用继电器或者固态继电器控制电风扇的开关比率，来控制风量。因此温控器的输出和电风扇的开关比率成正比。但是因为电风扇的惯性和热传递的影响，所以冷却输出和吸热量是非线性关系。

③用水冷却
用在水冷式塑料成型机等的冷却方法是，利用控制电磁阀向冷却管注入水的冷却方法。冷却管是被配置在100℃以上的被加热(冷却)物上的水管。利用水的相变化或者热传递冷却。同空冷方法一样温控器的冷却输出和吸热量是非线性关系，比风冷有更强的非线性关系。



5、非线性的冷却特性和PID的自整定
在上面加热冷却控制的应用中，昌晖仪表介绍了冷却侧的静态特性是非线性特性。在决定PID参数时，需要考虑加热系统和冷却系统的静态特性。如果可以近似看作是线性的话，则用一组PID参数就可以适用整个负载条件。

如果不能看作是线性的话，则需要根据运行条件进行调整。

那么，对于非线性的控制对象，应该如何决定它的PID常数呢？

①控制点变动不大的场合
温度设定值：如果SV是一定的，也没有大变动的情况下，可以将其运行条件附近的响应特性近似看作线性，决定PID参数。



例如，像上图所示冷却特性的控制对象，在稳定运行期间负载率在20%的场合，将冷却侧20%附近的冷却特性近似看作直线决定PID参数，在这个负载率附近控制的话，可以得到良好的控制效果。
 
②控制点变动大的场合
温度设定值：SV的变动幅度或者变动较大的场合，设备运行时负载条件也有很大差异，因此不能仅用一个运行条件来线性近似。为此，需要考虑设定温度条件或者负载变动条件等，切换到各个条件下对应的PID参数进行控制。



在上图的例子中，
◆冷却负载率：20%以下的控制条件(绿色)
◆冷却负载率：20%前后的控制条件(红色)
◆冷却负载率：20%以上的控制条件(褐色)
等的负载条件下，决定线性近似的PID参数，再根据运行条件切换到相对应的PID参数。

6、总结
冷却侧控制，根据冷却方法的不同存在非线性特性，和通常的加热控制相比调整变得困难。尽管如此能用一台温控器控制加热和冷却(比如使用昌晖仪表生产的高性能温控器YR-RJD系列)，也是非常有效的控制方法。

为了最大限度地发挥加热冷却控制的优势，昌晖仪表的温控器搭载了独创的加热冷却控制算法。无论是利用风冷还是超过100℃的水冷都能得到良好的控制效果。

另外，为了能够得到良好的PID参数，昌晖准备了对应各种冷却系统的自整定功能，比如：
◆可以近似看作是线性的冷却控制系统
◆像空冷式挤出机那样冷却特性不能看作线性的冷却控制系统
◆像水冷式挤出机那样非常强的非线性冷却控制系统