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1、南 阳 理 工 学 院 本 科 毕 业 设 计（论文） 水箱温度测控系统的设计与实现学 院（系）： 机电工程系 专 业： 测控技术与仪器 学 生 姓 名： 刘工厂 学 号： 29106029 指 导 教 师（职称）： 赵华（副教授） 起 止 日 期： 2009年2月16日2009年6月5日 南阳理工学院 Nanyang Institute of Technology水箱温度测控系统的设计与实现测控技术与仪器专业 刘工厂摘 要论文采用对被控对象单容水箱建立了仿真模型，用对labview的拟控制系统其设计了水箱对象模型及常规PID控制系统。在该系统设计中，论文就常规PID控制器的设计作了详细叙述，
2、并对其进行参数整定得到了最佳PID参数，在100时仿真实验获得阶跃响应曲线。然后对单容温度对象设计了PID控制系统。然后提出了系统的整体结构，对系统控制原理进行了分析，详细叙述了如何设计对水箱温度的控制。本文探讨对水箱温度控制系统的PID控制在虚拟仪器开发软件LabVIEW中的实现方法，并将其应用于水箱温度的控制，并对其实现性做了分析，仿真结果表明控制系统具有良好的动、静态控制效果，系统是可以实现的。关键词: LabVIEW 水箱对象模型 PID 温度控制系统 Tank Temperature Control System Design and ImplementationMeasuremen
3、t and Control Technology and Instrument liugongchangAbstract : Along with the science and technology and the development of computer technology and virtual instrument is developed, based on the control system of labview control system provides a platform. This paper discuss the problem, temperature
4、control system background, research status and the subject of the content and meaning. Papers of the controlled object single let water tank with established simulation model, the control system of labview its design the tank object model and conventional PID control system. In this system, the thes
5、is is design of conventional PID controller design for a detailed description and to get the optimum parameters in 100 PID parameters obtained simulation experiment step response curve. Then let the temperature of the objects PID control system design. And then puts forward the overall structure of
6、the system, the control principle of system are analyzed in detail, and how to design the control of water temperature. Based on the temperature control system of PID control in LabVIEW virtual instrument software development, and the realization methods applied to the water temperature control, and
7、 its implementation are analyzed, the simulation results show that the control system has good dynamic and static control effect, the system can be realized.Keywords : LabVIEW , Tank object model，PID ,cont rol system.目录1.1 课题背景51.2水箱温度控制研究的现状61.3 本设计的技术要求61.4课题的意义及本论文的主要内容71.4.1课题的意义7142本论文的主要内容71.5
8、课题的总体方案82 水箱温度控制系统硬件设计82系统硬件设计82.1温度检测电路92.2 传感器的选择类型102.1.2加热器的选择123 水箱温度软件系统设计133.1 虚拟仪器的概念133.2 LABVIEW的操作模板163.2.1 工具模板(TooIs PaIette)163.2.2 控制模板（Controls Palette）173.2.3 功能模板（Functions Palette）173.3 水箱对象模拟183.4水箱的对象装置183.5水箱对象的数据采集194.1控制系统的工作原理204.2 PID控制器的设计214.2.1数字PID算法214.2.2增量式PID控制算式224
9、.3水箱温度的PID控制系统的LV实现234.4 水箱温度控制系统的参数设定及结果分析245.结束语26参考文献28致谢29结束语25参考文献26致谢.27第一章 绪 论1.1 课题背景温度是工业生产中常见的工艺参数之一，任何物理变化和化学反应过程都与温度密切相关，因此温度控制是生产自动化的重要任务。对于不同生产情况和工艺要求下的温度控制，所采用的升温加热方式，控制方案也有所不同。像电力、化工、石油、冶金、航空航天、机械制造、粮食储存、酒类生产等领域内，温度常常是表征对象和过程状态的最重要的参数之一。可以说几乎所有的工业生产部门都不得不考虑着温度这个因素。国外温度控制系统及仪表正朝着高精度智能
10、化、小型化等方面快速发展。温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛，但从国内生产的温度控制器来讲，总体发展水平仍然不高，同国外的日本、美国、德国等先进国家相比，仍然有着较大的差距。目前，我国在这方面的总体技术水平处于20世纪80年代中后期水平。12水箱温度控制研究的现状随着单片机技术的飞速发展，基于单片机的温度测控系统在检测和控制系统中的应用也越来越广泛。本文设计了一种基于PID算法的温度测控系统，并在水箱上加以应用，从而实现对水箱的温度进行实时精确测量、自动检测和控制，有效的提高了控制系统的实时性和控制精度，大大改善了水箱温度控制的自动化程度，具有较高的实用价值。 目前的测温控制系统
11、大都使用传统温度测量仪器，其功能大多都是由硬件或固化的软件来实现，而且只能通过厂家定义、设置，其功能和规格一般都是固定的，用户无法随意改变其结构和功能， 因此已不能适应现代化监测系统的要求。随着计算机技术的飞速发展，美国国家仪器公司率先提出了虚拟仪器的概念，彻底打破了传统仪器由厂家定义、用户无法改变的模式，使测控仪器发生了巨大变革。虚拟仪器技术充分利用计算机的强大运算处理功能，突破传统仪器在数据处理、显示、传输、存储等方面的限制通过交互式图形界面实现系统控制和显示测量数据，并使用框图模块指定各种功能。采用集成电路温度传感器和虚拟仪器方便地构建一个测温系统，且外围电路简单，易于实现，便于系统硬件
12、维护、功能扩展和软件升级口。1.3 本设计的技术要求 （1）测控系统应能对水箱温度进行采集、计算、控制、存储、显示检测和打印输出。 （2）可对温度测试值进行实时显示监测，使用者可清晰知道所有瞬时参数及累计参数，应可随时进行查询和报表打印。 （3）当受到干扰时能进行PID调节。 （4）人机交互界面友好、快捷，具有报警功能。 （5）在硬件和软件上具有一定的抗干扰措施。1.4课题的意义及本论文的主要内容1.4.1课题的意义在钢铁、机械、石油化工、电力、工业炉窑等工业生产中，温度是极为普遍又极为重要的热工参数之一。随着自动化水平的不断提高和对产品质量要求的不断提高，对温度的测控精度、响应速度、系统稳定
13、性以及适应能力等方面要求越来越高，测温范围越来越广，因此，温度测控技术的研究是一个重要的研究课题，研究高性能的温度控制仪表具有重要意义。温度控制的关键在于测温和控温两方面。在温度测量方面，热电阻和热电偶以其精度高、稳定性好、价格低等特点，在工业领域得到了广泛应用虽然热电阻和热电偶测量中，传感器的非线性校正已经有多种方法，但有些方法存在着变换电路复杂、软硬件开销大、稳定性差等问题。因此，寻求一种简单、稳定的检测电路和非线性校准电路，对于工业生产和科学研究非常重要。在温度控制方面，由于控制对象越来越复杂，还存在着许多问题，人们还在寻找着更好的控制方法以提高控制性能，满足不同的控制要求。随着科学技术
14、的发展PID控制技术在虚拟仪器中的应用更能解决这些问题。142本论文的主要内容本文在充分研究温度控制的特点与控制方法的基础上，设计了基于LabVIEW的PID控制器，用于单容水箱温度对象的控制，采用仿真法显示试验结果，采用比较法证实应用该法进行控制的优势。1.5课题的总体方案本课题设计的水箱流量的系统主要有单容水箱，NI-6009数据采集卡，流量计，液体流动阀门以及采用LABVIEW编写的PID控制软件组成。该课题是基于8.5版本的labview环境下实现pid控制的设计的。如下是对本课题的设计总体步骤：第一步：对水箱流量的控制系统的总体规划和选择合适的传感器以及其详细的参数和采集卡的选择和水
15、箱的形状的确立以及水箱材料和阀门的选定。第二步：设计单容水箱并传感器和阀门组装在一起。第三步：进行Pid的控制算法的确立和选择简便的算法并在labview中编程第四步：把PID控制和水箱的流量的模型连接在一起并整理labview前面板的整理和最后的程序调试第五步：进行结果分析 第二章 水箱温度控制系统硬件设计 2.1总体方案设计本系统由水箱装置（仿真模型）、温度传感器（K型热电偶）、数据采集卡、信号的处理部分、信号的采集、温度的监控组成，由温度传感器实现温度的测量，将测得的温度信号送给数据采集卡对温度进行采集，以便实现温度的监测和控制，提高了系统的安全性、方便性。 系统原理框图如图2-1所示。
16、系统工作时，温度传感器将水箱的温度变化转换成电流变化，然后通过信号处理电路将电流信号转变为采集卡处理的电压信号。然后将数据送给计算机 ，并通过计算机运行的LabVIEW的程序来分析处理输入数据，同时，根据采样输入信号，利用LabVIEW中的PID控制算法 ，求出系统输出信号的大小， 再将输出信号传输至外部，此时输出的是数字信号，还需要对数字信号进行一次转换，转换成模拟信号，本系统通过D/A转换电路实现模/数转换。经过模/数转换后的信号送给后续统执行装置，执行装置根据信号发生动作以实现温度控制，这样便形成了闭环控制系统。该系统集计算机、 强大的图形化编程软件和模块化的硬件于一体， 能够很方便的建
17、立灵活且以计算机为基础的测量及控制方案，构建出满足需要的系统 ，具有很好的实用性和可操作性，有很好的应用前景。图2-1系统原理框图2.2 温度采集系统传感器选择温度检测系统包括温度传感器、电压放大电路和温度外补偿电路，电路如图2-2所示，温度传感器采用热电偶，它将温度信号转换成电势（mV）信号，配以测量信号的仪表或变换器，便可以实现温度的测量和温度信号转换。热电偶温度计由于测温范围宽，它在工程实际中的应用非常广泛。热电偶温度计能用来测量点的温度和壁面温度，也能用来进行动态温度测量。从1K到3000K的温区，都可选择不同型号的热电偶温度计实现温度测量。电压放大电路：采用的K型热电偶，其输出的热电
18、势非常小，每1C约为0.04mV，因此，为了将其转换为A/D的输入信号，必须进行放大，采用高灵敏度、高增益、低漂移的集成运算放大器AD707。电路中，R1、R2、RP3决定电路，放大增益的大小用RP3可使增益在111与131之间可调。 图2-2温度检测电路2.2.1 温度传感器与温度采集本系统的温度采集系统，首先需要将检测的温度信号处理成相应的电信号。所以需要把温度转换为电信号的转换器。热电式传感器是一种将温度变化转换成电量变化的装置。其中将温度转换成电势的热电式传感器叫热电偶，将温度转换成电阻值的热电式传感器叫热电阻。作为工业测温中最广泛使用的温度传感器之一，热电偶与铂热电阻一起，约占整个温
19、度传感器总量的60%。这两种传感器在目前的工业生产中得到最为广泛的应用。热电偶作为一种主要的测温元件，具有制造容易、使用方便、测温范围宽、测温精度高，性能稳定结构简单，且动态相应好，输出直接为电压信号，可以传送便于集中检测和控制等特点。热电偶通常和显示仪表等配套使用，可直接用于测量各种生产过程中-401800C度范围的液体、蒸汽介质以及固体的表面温度。2.2.2 热电偶的温度测量原理 热电偶是目前温度测量中应用极为广泛的一种温度测量系统。其工作原理是基于物体的热电效应。如图（2-3）所示：图 2-3 热电偶的组成把两种不同的导体或半导体材料AB连接好形成闭合回路，将他们的两个极端分别置于温度为
20、和 ()的热源中，则回路中就产生热电动势(简称热电势)，可用 (,)表示，这种现象称为热电效应.我们把这两种不同材料的导体或半导体的组合称为热电偶。A和B称为热电极，温度高的极点称为热端(或工作端)，温度低的极点称为冷端或自由端。如图2-3所示的热电偶产生的热电势由两种导体的接触电动势和单一导体的温差电动势构成。 (一) 接触电动势：所有金属内部有大量的自由电子，而不同的金属材料其内部自由电子密度不同，当两种不同的金属导体接触时，在接触面上因自由电子密度不同而发生电子扩散，电子扩散的速率与导体的电子密度有关，并且和接触点的温度成正比。设导体A和B的自由电子密度分别为和，且有，则在接触面上由A扩
21、散到B的自由电子将必然比由B扩散到A的电子数多。因此，导体A失电子而带正电荷，导体B因得到电子而带负电荷，在A和B的接触面上便形成了一个A到B的静电场。如下图2-4所示： +A + +- B-图 2-4 接触电动势这个电场组，阻碍了电子的继续扩展，当达到平衡时，在接触区形成一个稳定的电位差，即接触电动势其大小可表达为： （3-1）式中：K波耳兹曼常数，K = 1.38 X ；T接触点的热力学温度；、导体A、B中的自由电子密度； e电子电荷量。(二) 温差电动势：在单一导体中，如果两端温度不同，两端间会产生电势，即单一导体的温差电势。这时高温端带正电荷，低温端因为得电子而带负电荷，从而形成一个静
22、电场，如图（2-5）所示:+ -+ Q A -+ -+ -图 2-5 温差电动势该电场阻碍电子的继续扩散，当达到动态平衡时，导体的两端便产生一个相应的电位差该电位差称为温差电势。温差电势的大小可表示为: （3-2）式中：汤姆逊系数，其含义的单一导体两端温度差为1C时所产生的温差电动势。(三) 热电偶回路电动势：对于由A、B组成的热电偶闭合回路，当且闭合回路的热电动势为： (3-3)其中：为热端电动势，为冷端电动势。由此可知：只有当热电偶的两个电极材料不同，且两接点的温度也不同时，才会产生电动势。当热电偶的两个不同的电极材料确定后，热电动势变与两个接点温度和有关。既回路的热电动势是两个接点的温度
23、函数之差：当自由端固定不变时，为常数。由此可见，热电动势和工作端温度是单值函数关系。由此制订出标准热电偶分度表，该表是将自由端温度保持为0C，通过实验建立起来的热电动势与温度之间的数值关系。这为工程中热电偶应用带来了极大的方便。2.3 热电偶的选择常用标准化热电偶的特点如下：1 铂铑铂热电偶，性能稳定，准确度高，可用做基准和标准热电偶。热电动势比较低，价格昂贵，不能用于金属蒸汽和还原性气体环境中。2 铂铑铂铑热电偶，较铂铑铂热电偶具有更高的稳定性和机械强度，最高测温可达1800C，室温下热电动势较低，可作为标准热电偶，一般情况下不需要进行补偿和修正处理。由于其热电动势较低，需采用高灵敏度高精度
24、的仪表。3 镍铬镍硅或镍铬镍铅热电偶，热电动势较高，热电特性具有较好线性，良好的化学稳定性，具有较强的抗氧化性和抗腐蚀性。稳定性较差，测量精度不高。4 镍铬考铜热电偶，热电动势较高，电阻率小，适合于还原性和中性环境下测量，价格便宜，测量上限温度不高。5 镍铬康铜热电偶，热电动势较低，价格便宜。高温下易氧化，适合于低温和超低温测量。其中镍铬镍硅分度号为K的热电偶，稳定性较高，可在氧化性和中性介质中长期测900C以下温度，短期可测量1200C。其回复性较好，产生热电势较大，线性好，价格便宜。但他在还原性介质中易被腐蚀，能测500C下的温度，且测量精度较高，并且完全能满足工业要求，是工业中最常用的一
25、种热电偶。经综合考虑K型热电偶的测温范围、测温精度、测温特性及价格，本文研制的温度采集系统选择使用K型热电偶作为温度传感器。K型热电偶通常和显示仪表，记录仪表和电子调节器配套使用。K型热电偶可以直接测量各种生产中从0到1300范围的液体蒸汽和气体介质以及固体的表面温度。 K型热电偶通常由感温元件、安装固定装置和接线盒等主要部件组成。镍铬-偶（K型热电偶是目前用量最大的廉金属热电偶，其用量为其他热电偶的总和。K型热电偶丝直径一般为.24.0。正极（KP）的名义化学成分为：Ni：Cr=92：12，负极（KN）的名义化学成分为：Ni：Si=99：3，其使用温度为-2001300。 K型热电偶具有线性
26、度好，热电动势较大，灵敏度高，稳定性和均匀性较好，抗氧化性能强，价格便宜等优点，能用于氧化性惰性气氛中。广泛为用户所采用。 K型热电偶不能直接在高温下用于硫，还原性或还原，氧化交替的气氛中和真空中，也不推荐用于弱氧化气。2.4加热器的选择为了更好的实现对水箱温度的控制我们需要选择一个加热器我们选用铂热电阻进行加热。我们通过PID控制通过WZP系列薄膜铂热电阻来对水箱进行加热。下面是热电阻的技术指标：热电阻感温元件在0C时的电阻值(Ro)分度号Ptl00 B级R0：100012Q铂热电阻的电阻与温度关系一般可用以下关系表示：在-79C范围内 Rt=ROrl+At+Bt2+C(t-100*C)t3
27、 在O600C范围内：Rt=R0(1+At+Bt2) Rt为r C时热电阻的电阻值() 式中的R0为0*C时热电阻的电阻值() t为被测介质温度（C) A、R、C等均为有关的分度常数。自然影响 通过热电阻中的测量电流为2mA,测得的电阻增量换算成温度值应不大于03C。热响应时间 当被测介质(一定温度和规定流速的水)温度出现阶跃变化时，热电阻的电阻值变化至相当于该阶跃变化的50所需的时间，用l。s表示。具体数值参见型号规格表。公称压力 系指在室温下保护管所承受的静态外压而不破损，测温性能不受其影响。绝缘电阻 当周围空气温度1535C和相对温度不大于80时，热电阻感温元件和保护管之间以及双支感温元
28、件之间的绝缘电阻，应不小于100M(电压10100V)。最小可置入深度一般应不小于其保护管外径的15倍，再加上感温元件的长度。 第三章 水箱温度控制系统仿真3.1 虚拟仪器的概念虚拟仪器(Virtual Instruments，简称VI)是一类用于数据采集、分析、显示和仪器控制的开发软件。除常用的LabVIEW外，还有LabScene、HPVEE、Prograph、vipers等。LabVIEW是美国国家仪器(NationalInstruments，简称NI)公司开发的一种图形化的编程环境，该公司还同时推出了另一种功能和应用环境不同的虚拟软件LabWindowsll6-zq。使用LabVIEW
29、开发平台编制的程序称为虚拟仪器程序，简称为vI程序或vI。vI程序包括三个部分：程序前面板、框图程序和图标连接器。程序前面板用于设置输入数值和观察输出量，用于模拟真实仪表的前面板。在程序前面板上，输入量被称为控制件(Controls)，输出量被称为显示件(Indicators)。控制件和显示件是以各种图标形式出现在前面板上，如旋钮、丌关、按钮、图表、图形等，这使得前面板直观易懂。下图31是一个能同时显示两参数的vI前面板程序。图3-1两参数同时显示VI前面板程序每一个程序前面板都对应着一段框图程序。框图程序用LabVIEW图形编程语言编写，可以把它理解成传统程序的源代码。框图程序由端口、节点、
30、图框和连线构成。其中端口被用来同程序前面板的控制和显示传递数据，节点被用柬实现函数和功能调用，图框被用来实现结构化程序控制命令，而连线代表程序执行过程中的数据流，定义了框图内的数据流动方向。上述两参数显示程序的框图程序如下图32所示。 图3-2两参数同时显示VI框图程序图标连接器是子vI被其它vI调用的接口。圈标是子vI在其他程序框图中被调用的节点表现形式；而连接器则表示节点数据的输入输出口，就象函数的参数。用户必须指定连接器端口与前面板的控制件和显示件一一对应。3.2 LABVIEW的操作模板LabVIEW具有多个图形化的操作模扳，用于创建和运行程序。这些操作模板可以随意在屏幕上移动并可以放
31、置在屏幕的任意位置。操纵模板共有三类，为工具(Tools)模板、控制(Controls)模板和功能(Functions)模板。3.2.1 工具模板(TooIs PaIette)工具模板如图3-3所示。工具模板为编程者提供了各种用于创建、修改和调试vI程序的工具。工具图标有如下几种：图 3-3 工具模板与上述工具模板不同，控制和功能模板只显示顶层子模板的图标。在这些顶层子模板中包含许多不同的控制或功能子模板。通过这些控制或功能子模板可以找到创建程序所需的面板对象和框图对象。3.2.2 控制模板（Controls Palette）用控制模板可以给前面板添加输入控制和输出显示。每个图标代表一个子模板
32、。控制模板如图3-4所示，它包括下面几个子模板。 图3-4 控制模板3.2.3 功能模板（Functions Palette）功能模板是创建框图程序的工具。该模板上的每一个顶层图标都表示一个子模板。功能模板如下图3-5所示。图3-5功能模板3.3 水箱对象模拟水箱温度系统是基于水箱的温度的控制，通过传感器的采集到水箱的温度的数据，通过采集卡，采集到这些数据与设定值比较，送到控制装置，通过执行器（水箱阀门）来调节水箱的温度，从而使最终的结果接近设定值从而达到控制。虚拟仪器的硬件可以完成信号的采集，信号的放大、滤波、A/D转换等，所以硬件设计是整个水箱温度控制系统得以顺利运行的保障，只有保证所采集
33、温度信号的正确，才能确保对后来数据做出正确的分析，得出正确的结论，供相关技术人员参考，从而使整个水箱温度控制系统的设计具有实际的应用价值。3.4水箱的对象装置本课题研究的是基于单容水箱的温度的PID控制，其示意图如图3.6所示。水箱对象装置内流动的液体(纯净水)存储在水箱中，水箱内的水由泵抽出经自动阀门2注入水柱，再经出水阀门1流回水箱形成循环。通过电动阀门2(控制阀门)可以调节进水量g。，通过阀门1可以手动调节出水量q。从而可以在水箱底面积一定的情况下来控制水箱的液位下降速度来控制水箱的流量。因此，这是一个典型的有自平衡能力的流量对象。3.6图单容水箱下图是水箱的温度控制的硬件图形，如图3.
34、7所示： 图3.7水箱硬件装3.5水箱对象的数据采集得到系统的输入输出数据，是建立温度系统模型的前提78。我们可以通过编程操作数据采集卡，实现数据采集。本文中采用VC+60来完成编码914。 l、VC+60操作数据采集卡本系统采用的是阿尔泰公司生产的PCI2006型号的数据采集卡，其自带有访问操作数据采集卡的底层驱动，因此在正式编程之前，首先需要把PCI2006LIB、PCI2006h添加到项目中。采用面向对象化编程，为数据采集卡建立一个IOPort类，将数据采集功能全部封装在类中。2、精确地定时器实现VC+60中提供了以下几种可供选择的定时方式：(1)WM TIMER消息映射能进行简单的时间
35、控制。这种定时方法非常简单，可以实现一定的定时功能，但精度非常低。(2)利用GetTickCount（）函数实现定时。精度比WM TIMER消息映射高，CPU占用率非常高，只能用于要求不高的延时程序中。(3)多媒体定时器函数DWORD timeGetTime(void)，该函数定时精度为ms级，返回从Windows启动开始经过的毫秒数。但是很占用系统资源。(4)利用QueryPerformanceFrequency()和QueryPerformanceCounter()函数实现定时。其定时误差不超过1微秒，精度与CPU等机器配置有关，在精度要求非常高的情况下使用。3.6水箱温度PID控制系统的
36、工作原理PID控制器是种线性控制器，它将设定值r(t)与实际输出值y(t)进行比较，形成偏差：e(t)=r(t)-y(t),再对偏差e(t)进行比例（P）、积分（I）、微分(D)运算，然后通过线性组合形成控制量u(t)，一般模型的PID的控制框图如3.8图所示。 图 3.8 水箱温度的PID控制系统结构方块图3.6.1 PID控制器的设计常规PID控制器是由比例、积分、微分三种数学运算组合而成的运算器，它们称为控制器的控制规律。PID控制器的输入输出信号关系式为（1）对应的传递函数为：（2）式中的kp是比例系数；Ti是积分时间常数；Td是微分时间常数；u(t)是为控制输出。3.6.2数字PID
37、算法基于虚拟仪器的PID控制是一种采样控制，只能根据采样时刻的偏差值计算控制量，因此式(1)中的积分和微分项不能准确计算，只能用数值计算的方法逼近，称为数字PID控制算式数字PID控制算式通常又分为位置式PID控制算式和增量式PID控制算式。3.6.2.1位置式PID控制算式在采样时刻t kT(T为采样周期)，为了便于计算机实现PID控制，把微分方程式(1)改写成差分方程，即（3）（4）式中，T为控制周期； 为控制周期序号；e(n一1)，e( )分别为第( 一1)，( )个控制周期所得的偏差将公式(3)和(4)代人公式(1)可得位置PID表达式：（5）如果采样周期T取的足够小，这种逼近相当准确
38、，缺点是由于全量输出，所以每次输出均与过去的状态有关，计算时要对e(足)进行累加，计算机运算工作量大3.6.3增量式PID控制算式增量式PID控制算式是指数字控制器的输出只是控制器的增量Au(k)根据递推原理可得：（6） 用式（5）减去式（6）可得:（7）可以看出，由于一般计算机控制系统采用恒定的采样周期T，一旦确定了K 、Ti、T ，只要使用前后3次测量值的偏差，即可由式(7)求出控制增量位置式与增量式控制算法并无本质区别，增量式控制虽然只是算法上作了一点改进，却有许多优点：误动作时影响小；手动自动切换时冲击小，便于无扰动切换；算式中不需要累加但是增量式控制也有不足之处，积分截断效应大，有静
39、态误差，溢出的影响。因此在这次课题中我们采用增量式PID算法来实现对水箱流量系统的控制。如图3.9就是在LABVIEW中实现的PID控制程序：图3.9水箱温度PID控制程序框图3.7水箱温度的PID控制系统的LV实现水箱温度PID控制系统的LV总体框图如下图4-3所示。该图共由四部分组成，功能如下：（1）为个参数、权赋初始值。（2）PID控制器。（3）水箱模型。（4）系统偏差显示、记录及程序运行控制等部分。水箱温度PID控制系统LV程序图3.10所示图3.10水箱温度PID控制的全程序图水箱温度的PID控制系统LV前面板如下图3.11所示：图3.11水箱温度的PID控制系统LV前面板3.8 水
40、箱温度控制系统的参数设定及结果分析在PID控制系统中，由于PID控制参数直接影响到整个系统的控制性能，因此，确定一组较准确的参数值是一项至关重要的工作。参数整定通常有两种方法，即理论设计法和试验确定法。前者需要被控对象的精确模型，然后采用最优化的方法确定PID的各参数。被控对象的模型可以通过物理建模或系统辨识等方法得到，但这样通常只能得到近似的模型。通过试验确定法(试凑法)来选择PID参数通常是行之有效的方法。试凑法是通过模拟或闭环运行系统来观察系统的响应曲线，然后根据各控制参数对系统响应的大致影响来改变参数，反复试凑，直至逼近最优值。在考虑了以上参数对控制过程的影响后，试凑时，可按先比例一后
41、积分一再微分的顺序反复调试参数。具体步骤如下：(1)首先只调整比例部分，将比例系数由小变大，并观察系统所对应的响应，直到得到响应快、超调量小的响应曲线为止。如果这时系统的静态误差己在允许范围内，并且达到4：l哀减比(定值系统的最佳经验值)的响应曲线，那么只需要调整比例环节即可，由此可以确定出比例系数。(2)如果在比例调节的基础上，系统的静态误差还达不到设计要求，则必须调整积分环节。积分常数在试凑时，先给一个较大值，并将上一步调整时获得的比例系数略微减小，然后逐渐减小积分常数进行试凑，并根据所获得的响应曲线进一步调试比例系数和积分常数值，直到消除静态误差，并且保持良好的动态性能为止。(3)如果使
42、用比例积分环节虽然消除了静态误差，但系统的动态性能仍不能令人满意，这时可调节微分环节。在试凑时，可先给一个很小的微分常数，以后逐渐增大，同时相应地改变比例系数和积分常数，直到获得满意的效果为止。按照上述方法对系统进行参数整定，得到本系统的最佳参数值为：Kp=4.5;Ti=19;Td=0.9我们把采样周期设定为T=1s.，在系统工作点分别处于50摄氏度、100摄氏度，控制器参数为K。=41，Z=摄氏度mm。启动系统，待系统状态平稳后再加入阶跃干扰信号，干扰信号取控制电压Au=05v。系统的控制结果为如下图3.12和3.13所示 图3.12在r=50时PID时常规PID控制系统控制结果图3.13在
43、r=100时常规PID控制系统控制结果5.结束语这次基于虚拟仪器LABVIEW的水箱温度系统的设计与实现，是在LABVIEW的环境下通过对单容水箱的温度的PID控制。，简单介绍了PID控制的结构和方法后，详细探讨了如何构建单容水箱温度的PID控制系统及其在仿真软LABVIEW中实现的方法。经过对控制器进行参数整定获得最佳PID参数值后，我们得到了系统在指定工作点处由阶跃干扰引起的响应曲线。在刚开始设计PID控制系统时，由于对于LABVIEW仿真软件了解不充分，使得构建出来的PID控制系统无法得到预期的控制效果，没有体现出虚拟仪器的优点。后来经过不断对各个参数进行整定，获得了较为理想的控制结果。
44、虽然在此次监测系统的设计方面还存在些许缺点和不足，但是我会接受大家的建议，努力学习，积极完善，为以后走上工作积累一些经验和方法。参考文献1. 程德福等.传感器原理及应用.北京：机械工业出版社，20082. 向婉成.控制仪表与装置.北京：机械工业出版社，20063. 龚庆寿.机械制造基础. 北京：高等教育出版社，20064. 肖广润等.电子技术. 武昌：华中理工大学出版社，19955. 贾民平等.测试技术. 北京：高等教育出版社，20016. Aniruddha Mitra，Sahana SenFFT ANALYSIS USING LABVIEW AS A PART OF VIBRATION AND PREVENTIVE MAINTENANCE CLASS FOR SENIOR LEVEL MET STUDENTSJ2005 ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition(IMECE 2005)，20057. Jack JakkidiGet the most from LabViewJElectronic EngineeringTimes，2005，(1389)：708. National InstrumentsLabVIEW 7 Express评估版使用指南【M】2003
