节能温度自动控制系统

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XXX：节能温度自动控制系统毕业设计（论文）节能温度自动控制系统所属系部机电系所学专业电气自动化班级高电气1301学生姓名XXXXX指导教师职称2016年07月 XXX：节能温度自动控制系统目录第一章引言11．1课题研究的背景与意义11．2国内外研究现状21．3设计方案41．4本课题的工作内容41．5本文的结构安排4第二章虚拟仪器与LabVIEW介绍52．1虚拟仪器的概述52．2LabVIEW开发环境7第三章系统硬件部分设计93．1系统硬件整体设计93．1K型热电偶温度传感器93．2多路数据采集控制器103．3计算机103．4温度调节模块10第四章基于LabVIEW的控制程序设计114．1系统软件整体设计114．2模数转换模块114．2PID控制模块134．3数模转换模块194．4输出控制模块224．5创建波形显示模块264．5温度控制系统整体设计图27第五章温度控制系统的分析与测试285．1测试步骤28 XXX：节能温度自动控制系统5.2测试结果图29第六章结论29 XXX：节能温度自动控制系统摘要：温度是表征物体冷热的物理量。通过软、硬件的有机结合，以硬件为基础，运用开发软件LabVIEW对各功能模块进行编写完成本次设计。通过K型热电偶将温度信号转化为电压信号，再由A/D模块转化为数字量，在PC机上由LabVIEW完成PID控制，再经过D/A输出对被控量加热，经过数字量开关通道DO输出对被控量冷却（以启动风机的方式冷却），实现对温度的智能控制。关键词:LabVIEW温度传感器PID控制ABSTRACTTemperatureisthedegreeofphysicalquantity.Itsmeasurementandcontrolmenthaveahugeimportanteffertonthepeople’sdailylife,industrialproduction,agriculturalproductionandweatherforecastandmanyothersides.ThisdesignmainlyusetheLabVIEW8.6todesignatemperaturecontrolsystemwhichcanbeusedtoregulatethetemperatureofthetemperaturechambers,usingtheinstrumentofYL500basedonLabVIEWinnovtiontypemeasuringandcontroltechnologytestboxandSensormeasuretest-bedtotest.Combiningsoftwarewithhardware,basedonhaedwareandusingsoftwareasLabVIEWprogramingwhichcanachievethefunctionofthemoduleinthisdesign.UsingKtypetherelectriccoupleinverttemperaturesignaltovoltagesignal,thenusingA/Dtransferturnanalogsignaltodigitalsignal.UsingthePCwhichhasthesoftwareofLabVIEWaccomplishPIDcontrol.ThesignalwhichhasbeendeltcanleadthecommandvariabletobeheatedupwhichisexputbyD/Aandcanleadittobecooleddown(withthemethodofstartedupfan).Finallymaketheintelligenttemperaturecontrolture.Keywords:LabVIEW;temperaturesensor;PIDcontrol37 XXX：节能温度自动控制系统第一章引言1．1课题研究的背景与意义随着计算机技术的飞速发展,虚拟仪器的概念逐步为工业界和学术界所知，经过20多年的技术进步与发展，已成为21世纪测试技术发展的一个重要方向，并在研究、制造和开发等众多领域得到广泛应用。采用虚拟仪器技术构建测试仪器，开发效率高，可维护性强，测试精度、稳定性和可靠性能够得到充分保证，具有很高的性价比，节省投资，便于设备更新和功能的转换与补充。因此，虚拟仪器在产品性能测试，设备故障诊断、生产过程控制中得到普遍的应用，其研究的意义非常重要。LabVIEW作为虚拟仪器概念的首创者，自1986念问世以来，已经成为虚拟仪器软件开发平台事实上的工业标准，在研究、制造和开发的众多领域得到广泛应用。现代社会是一个自动化程度高度集中的时代，我们的日常生活、生产不开各种各样形形色色的机器，温度是影响机器运转的一个很重要的参数，它影响着各种仪器的使用，它的测量与控制对人类日常生活、工业生产、农业生产、气象预报等都起着极其重要的作用。在许多场合，及时获得目标的温度信息是十分重要的。近年来，温度控制领域发展迅速，并且随着数字技术的发展，智能化已是现代温度控制系统发展的主流方向，现在温度控制智能化正处于起步阶段，所以，设计一个温度控制系统具有广泛的应用价值与实际意义。37 XXX：节能温度自动控制系统温度控制系统通常采用单片机控制，该技术得到了广泛的应用，但是它的编程极其复杂，控制不稳定，控制精度不高，而利用虚拟仪器开发和设计的温度控制系统，采用普通PC机为主机，利用图形化可视软件LabVIEW为软件开发平台，成本低，使用方便、灵活，编程更加简单，大大缩短了工程人员的编程时间，大大提高了编程的准确度与可靠性。1．2国内外研究现状温度控制技术按照控制目标的不同可分为两类：动态温度跟踪与恒值温度控制。动态温度跟踪实现的控制目标是使被控对象的温度值按预先设定好的曲线进行变化。在工业生产中很多场合需要实现这一控制目标，如在发酵过程控制，化工生产中的化学反应温度控制，冶金工厂中燃烧炉中的温度控制等。恒值温度控制的目的是使被控对象的温度恒定在某一数值上，且要求其波动幅度（即稳态误差）不能超过某一给定值。从工业温度控制器的发展过程来看，温度控制技术大致可分以下几种：1、定制开关温度控制法所谓定值开关控温法，就是通过硬件电路或软件计算判别当前温度值与设定目标温度值之间的关系，进而对系统加热源（或冷却装置）进行通断控制。若当前温度值比设定温度值高，则关断加热器，或者开动制冷装置；若当前温度值比设定温度值低，则开启加热器并同时关断制冷器。这种开关控温方法比较简单，在没有计算机参与的情况下，用很简单的模拟电路就能够实现。目前，采用这种控制方法的温度控制器在我国许多工厂的老式工业电炉中仍被使用。由于这种控制方式是当系统温度上升至设定点时关断电源，当系统温度下降至设定点时开通电源，因而无法克服温度变化过程的滞后性，致使系统温度波动较大，控制精度低，完全不适用于高精度的温度控制。2、PID线性温度控制法1922年美国的Minorsky在对船舶自动导航的研究中，提出了基于输出反馈的比例积分微分（PID，ProportionalIntegralDifferential）控制器的设计方法[1]，标志了PID控制的诞生。37 XXX：节能温度自动控制系统由于PID控制算法简单、可靠性高等特点，在控制技术高速发展的今天，它在工业过程控制中仍然占有主导地位。由于PID调节器模型中考虑了系统的误差，误差变化及误差积累三个因素，因此，其控制性能大大地优越于定值开关控温法。其具体电路可以采用模拟电路或计算机软件方法来实现PID调节功能。前者称为模拟PID调节器，后者称为数字PID调节器。其中数字PID节器的参数可以在现场实现在线整定，因此具有较大的灵活性，可以得到较好的控制效果。采用这种方法实现的温度控制器，其控制品质的好坏主要取决于三个PID参数（即比例值、积分值、微分值）。只要PID参数选取的正确，对于一个确定的受控系统来说，其控制精度是比较令人满意的。它对大多数工业控制对象都能达到较好的控制效果，但它有明显的缺点，比如依赖于对象模型，对于非线性、大滞后、时变系统控制效果不理想等。而且随着生产的发展，对控制的实时性与精度要求越来越高，被控对象也越来越复杂，单纯采用常规PID控制器己不能满足系统的要求，因此出现了许多新的控制方法。比如自适应控制、最优控制、智能控制、鲁棒控制、满意控制等，这些控制策略引入到PID控制系统的设计当中极大地提高了系统的控制性能。其中，智能PID控制近几年引起了人们极大的研究兴趣。将智能控制方法和常规PID控制方法融合在一起，形成了许多形式的智能PID控制器。它吸收了智能控制与常规PID控制两者的优点。首先，它具备自学习、自适应、自组织的能力，能够自动辨识被控过程参数、自动整定控制参数、能够适应被控过程参数的变化;其次，它又具有常规PID控制器结构简单、鲁棒性强、可靠性高、为现场工程设计人员所熟悉等特点。3、智能温度控制法智能控制系统是某些具有仿人智能的工程控制和信息处理系统，它与人工智能的发展紧密联系。智能控制是一门新兴的交叉前沿学科，它具有非常广泛的应用领域。智能可定义为:能有效的获取、传递、处理、再生和利用信息，从而在任意给定的环境下成功的达到目的的能力。智能温度控制就是应用人工智能的理论与技术和运筹学的优化方法，并将其同控制理论方法与技术相结将智能控制与PID控制相结合，实现温度的智能控制。1．3设计方案这次主要是设计一个基于虚拟仪器技术的温度控制系统，利用PID控制算法对温度箱进行控制。该系统主要利用LabVIEW开发设计，系统利用PC机的串口实现数据的采集与控制量的输出。设计主要方案为：通过K型热电偶将温度信号转化为电压信号，再由A/D模块转化为数字量，在PC机上由LabVIEW完成PID控制，再经过D/A输出对被控量加热，经过数字量输出开关通道DO输出对被控量冷却（以启动风机的方式冷却），实现对温度的智能控制。37 XXX：节能温度自动控制系统温度被控对象传感器多路数据采集控制器计算机LabVIEW温度控制系统图1-1温控系统硬件框图1．4本课题的工作内容本文完成的工作有：（1）设计系统的原理结构及基本组成，画出详细的原理框图。（2）硬件电路的设计，包括K型热电偶传感器、数据采集电路、冷却控制模块、加热控制模块等。（3）应用LabVIEW实现PID控制算法，利用图形化的语言设计程序完成课题的软件设计。（4）面向实际控制对象对PID算法的性能进行测试。（5）写出详细的设计报告，要求思路清晰、结构合理。1．5本文的结构安排本论文主要分六章：第一章引言，介绍论文研究的背景与意义、国内外研究现状、设计方案的确定、本文工作内容以及结构安排；第二章对虚拟仪器与LabVIEW做了介绍，详细介绍虚拟仪器和LabVIEW编程语言；第三章主要对系统硬件部分的设计进行了说明；第四章主要介绍了基于LabVIEW的控制程序设计；第五章主要是对温度控制系统设计的分析与测试；第六章结论，主要是对本文的研究情况作总结。37 XXX：节能温度自动控制系统第二章虚拟仪器与LabVIEW介绍2．1虚拟仪器的概述本小节主要从虚拟仪器的概念、特点、硬件系统、软件系统进行了介绍。2．1．1虚拟仪器的概念美国NI公司在20世纪80年代中期对虚拟仪器提出解释，认为虚拟仪器是由计算机硬件资源、模块化仪器硬件和用于数据分析、过程通信及图形用户界面的软件组成的测控系统，是一种计算机操纵的模块化仪器系统。应用LabVIEW开发的程序称为虚拟仪器。虚拟仪器是计算机技术与仪器技术完美结合的产物，代表仪器发展的方向。2．1．2虚拟仪器的特点1、虚拟仪器的软件和硬件具有开放性、模块化、互换性以及可重复使用等特点。2、在通用硬件平台搭建后，由软件来实现仪器的具体功能，即软件在虚拟仪器中具有的重要的作用。3、虚拟仪器的功能是由用户根据实际需要通过软件来说定义的，而不是事先由仪器厂商定义的。4、虚拟仪器研制的周期较传统仪器大为缩短。5、虚拟仪器的性价比较高。6、由于虚拟仪器技术是建立在计算机技术和数据采集技术基础上的，因而技术更新较快、成本较低、测试自动化程度较高，而且可与网络及其他设备互联。7、虚拟仪器具有友好、灵活的人机界面，传统仪器的界面较呆板。2．1．3虚拟仪器的硬件系统虚拟仪器的硬件系统主要由传感器、信号调理电路、数据采集设备（包括各种I/O接口设备、通信适配器、模块化仪器机箱等）以及计算机组成。其中计算机是虚拟仪器硬件平台的核心；传感器是虚拟仪器系统的前置部件，将被测的非电量转化为电量；信号调理电路的主要功能是对传感器输出的模拟信号进行放大、滤波、隔离等；数据采集设备的主要作用是对被测信号进行采样、放大、模数转换等。37 XXX：节能温度自动控制系统传感器信号调理数据处理虚拟仪器面板数据采集卡图2-1常见虚拟仪器的组建根据所使用的仪器硬件不同，虚拟仪器硬件系统可以分为PC-DAQ系统、GPIB系统、VXI/PXI/LXI系统、串口系统、现场总线系统等。2．1．4虚拟仪器的软件系统虚拟仪器的软件结构具有开放的、统一的格式与标准。图2-2为虚拟仪器的软件结构，从底层到顶层分别为输入输出接口层、仪器驱动程序层和应用软件层。应用软件层仪器驱动程序层输入输出接口层图2-2虚拟仪器软件框架1、输入输出接口层该层位于仪器与仪器驱动程序之间，是实现开放的、统一的虚拟仪器系统的基础与核心。2、仪器驱动程序层在虚拟仪器系统中，每个仪器模块均有自己的仪器驱动程序。仪器驱动程序的实质是为用户提供能用于仪器操作的、较抽象的操作函数集。应用程序对仪器的操作是通过仪器驱动程序来实现的；而仪器驱动程序对于仪器操作与管理是通过调用VISA库函数来实现的。3、应用程序层37 XXX：节能温度自动控制系统应用程序层建立在仪器驱动程序层之上，直接面向使用者，通过提供直观友好的仪器操作界面、丰富的数据分析与处理功能等实现自动测试任务。2．2LabVIEW开发环境本小节主要介绍了LabVIEW的开发环境、LabVIEW的编程语言及其特点。2．2．1LabVIEW的开发环境LabVIEW（laboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench）是美国国家仪器公司的软件产品，自1986年问世以来不断升级，它是一个具有革命性的图形化开发工具，它内置信号采集、测量分析与数据显示功能，把复杂、繁琐、费时的语言编程简化成“用图标提示的方法选择功能块、用线条将各种功能块连接起来”的编程方式。LabVIEW的开发环境主要包括两部分，前面板（FrontPanel）和程序框图面板（BlockDiagram），前者建立程序运行的界面和各种变量、数据，后者组织程序的运行流程。在虚拟仪器的开发过程中，主要利用LabVIEW提供的三个选板：工具选板、控制选板和函数选板来完成VI面板和流程图两部分的设计开发工作。这三个选板集中反映了该软件的功能和特征。用户的设计主要是通过对这3个选板的操作来完成前面板的设计和程序框图的设计。图2-3a函数选板图2-3b控件选板图2-3c工具选板37 XXX：节能温度自动控制系统图2-3函数选板，控件选板，工具选板这次设计利用了LabVIEW8.6版本，该版本拥有强大的子VI库，利用它，我们可以更加方便的构建多样化的LabVIEW控制系统。2．2．1LabVIEW编程语言LabVIEW是一种图形化的编程语言――G语言。LabVIEW是一个完全的、开放式的虚拟仪器开发系统应用软件，利用它组建仪器测试系统和数据采集系统可以大大简化程序的设计。LabVIEW与VisualC++、VisualBasic、LabWindows/CVI等编程语言不同，后者采用的是基于文本语言的程序代码（Code），而LabVIEW则是使用图形化程序设计语言G（Graphic），用框图代替了传统的程序代码。LabVIEW所运用的设备图标与科学家、工程师们习惯的大部分图标基本一致，这使得编程过程和思维过程非常的相似。它可以增强用户构建自己的科学和工程系统的能力，提供实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径。使用它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时，可以大大提高工作效率。LabVIEW包含有专门用于设计数据采集程序和仪器控制程序的函数库和开发工具库。LabVIEW的程序设计实质上就是设计一个个的“虚拟仪器”，即“VIs”。在计算机显示屏幕上利用函数库和开发工具库产生一个前面板（FrontPanel）；在后台则是利用图形化的编程语言编制用于控制前面板的框图程序。程序的前面板具有与传统仪器相类似的界面，可接受用户的鼠标和键盘指令。一般来说，每一个VI都可以被其他VI调用，其功能类似于文本语言的子程序嵌套；而这种嵌套的层次，从理论上讲，是不受任何限制的。2．2．3LabVIEW编程语言特点LabVIEW编程语言具有以下特点：1、实现了仪器控制与数据采集的完全图形化编程，设计者无需编写任何文本形式的代码。2、提供了大量的面向测控领域应用的库函数，如面向数据采集的DAQ库函数、内置GPIB、VXI、串口等数据采集驱动程序；面向分析的高级分析库，可进行信号处理、统计、曲线拟合以及复杂的分析工作；面向显示的大量仪器面板，如按钮、滑尺、二维和三维图形等。3、提供了大量与外部代码或应用软件进行连接的机制，如动态链接库（DLL）、动态数据交换（DDE）、各种Activex等。37 XXX：节能温度自动控制系统4、具有强大的网络连接功能，支持常用网络协议，便于用户开发各种网络测控、远程虚拟仪器系统。5、LabVIEW应用程序具有可移植性，适用于多种操作系统。6、可生成可执行文件，脱离LabVIEW开发环境运行。第三章系统硬件部分设计3．1系统硬件整体设计温控系统的硬件原理框图如图3-1K型热电偶传感器多路数据采集控制器计算机温度测控对象加热冷却图3-1硬件原理框图3．1K型热电偶温度传感器传感器是虚拟仪器的前置部件，将被测的非电量转化为电量。3．1．1温度传感器的发展概况温度是反映物体冷热状态的物理参数。温度传感器则是实现温度检测和控制的重要器件。公元1600年，伽利略研制出气体温度计，一百年后，研制成酒精温度计和水银温度计。随着现代工业技术发展的需要，相继研制出金属丝电阻、温差电动式元件、双金属式温度传感器。1905年以后，相继研制成半导体热敏电阻器。最近，随着原材料、加工技术的飞速发展、又陆续研制出各种类型的温度传感器。37 XXX：节能温度自动控制系统按照测温方法温度传感器可以分为接触式温度传感器和非接触式温度传感器两种。接触式温度传感器是将测温敏感元件直接与被测介质接触，使被测介质与测温敏感元件进行充分热交换，当两者具有相同温度时，达到测量的目的。这种传感器的测量精度较高，但由于被测介质的热量传递给传感器，从而降低了被测介质的温度，特别是被测介质热容量较小时，会给测量带来误差。非接触式温度传感器是利用物质的热辐射原理工作的，测温敏感元件不与被测介质接触，是利用物体温度与总辐射出射度全光谱范围的积分辐射能量的关系来测量温度的。这种传感器的制造成本较高，测量精度却较低，单不存在测温敏感元件与被测介质接触之间的热交换现象。3．1．2K型热电偶概述K型热电偶作为一种温度传感器，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1.2~4.0mm。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-200~1300℃。K型热电偶线性度好，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。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氛。3．2多路数据采集控制器多录数据采集控制器的主要作用是对被测信号进行采样、模数间相互转换等。这次设计采用的多路数据采集器是YL500基于LabVIEW创新型测控技术实验箱配置的多通道数据采集卡，它包括8路A/D，4路D/A，8路DI和4路DO子模块四个模块。3．3计算机计算机是虚拟仪器硬件平台的核心，它承载了LabVIEW的设计与操作。37 XXX：节能温度自动控制系统计算机（Computer）全称：电子计算机，俗称电脑，是一种能够按照程序运行，自动、高速处理海量数据的现代化智能电子设备。由硬件和软件所组成，没有安装任何软件的计算机称为裸机。3．4温度调节模块温度调节模块包括加热部分和冷却部分。冷却使用的是传感器检测试验台内置的风扇，加热通过电阻发热。将传感器检测试验台与YL500基于LabVIEW创新型测控技术实验箱配置的温度采集系统通过与温度源的连接，可以对热电偶进行加热和冷却。第四章基于LabVIEW的控制程序设计4．1系统软件整体设计这次设计的温度控制系统是通过多路数据采集器对温度信号进行实时采集，并由软件平台LabVIEW对采集的信号进行分析，然后用PID控制算法处理，经过不同的通道对温度进行处理，最终达到温控的目的。系统控制模块结构框图如图4-1所示。PC机LabVIEW模数转换模块PID控制模块输出控制模块图表显示模块数模转换模块图4-1系统控制模块框图4．2模数转换模块37 XXX：节能温度自动控制系统为了能够使用数字电路处理模拟信号，必须将模拟信号转换成相应的数字信号，方能输入数字系统（例如微型计算机）进行处理，我们将从模拟信号到数字信号的转换成为模-数转换，或简称为A/D（AnalogtoDigital）转换，同时，将实现A/D转换的电路称为A/D转换器，简写为ADC（系Analog-DigitalConwerter的缩写）。此模块在测试过程中用到了YL500基于LabVIEW创新型测控技术实验箱的温度控制系统和多路数据采集控制器，其中多路数据采集控制器用到了8路A/D模块，分辨率为10bit，温度控制范围为0~100℃，输出电压范围为0~5℃，所以又如下算数关系式：（公式4-1）（公式4-2）上式中，T为输入温度值，V为输出电压信号及输入模拟量，D为A/D转换后的数字量。设计步骤：1、创建一个新的VI，切换到程序框图设计窗口下，打开【函数】【选择VI】函数选项板，弹出【选择需要打开的VI】对话框，即选择AD.vi，点击确定。2、创建显示控件和输入控件。如图4-2图4-23、由于模拟量值比较小，对其进行一个放大，A/D模块设计完成。如图4-337 XXX：节能温度自动控制系统图4-34、创建一个显示空间，修改名称为实测值。如图4-4图4-45、创建一个平铺式顺序结构，如图4-537 XXX：节能温度自动控制系统图4-54．2PID控制模块4．2．1PID控制简介PID控制算法是一种在工业控制中广泛运用的控制策略。它的优点是原理简单，易于实现，稳定性好。实际上，大多数的工业过程都不同程度的存在着非线性、参数时变性和模糊不确定性，而传统的PID控制主要是控制具有确定模型的线性过程，因此常规PID控制不具有在线整定参数的能力，其控制效果就不是十分理想。如果采用模糊推理的方法实现PID参数：KP、TI、TD的在线自适应，不仅保持了常规PID测控的特点，而且具有强大的灵活性、适应性和精确性等优点，是目前一种较为先进的控制算法。PID控制器（比例-积分-微分控制器）是根据PID控制原理对整个控制系统进行偏差调节，从而使被控量的实际值与工艺要求的预定值一致，由比例单元P、积分单元I和微分单元D组成，通过，KP、TI和TD三个参数的设定进行偏差调节。PID控制器是一个在工业控制应用中常见的反馈回路部件。这个控制器把收集到的数据和一个参数值进行比较然后把这个差别用于计算新的输入值，这个新的输入值的目的是可以让系统的数据达到或者保持在参考值。和其他简单的控制运算不同，PID控制器可以根据历史数据和差别的出现率来调整输入值，这样可以使系统更加准确，更加稳定。这次设计对象比较简单，非线性程度不高，大多数不具有时变性和模糊不确定性，而且设备的投资成本要求较低，比较适合采用常规PID控制。37 XXX：节能温度自动控制系统4．2．2数字PID控制器数字PID控制器是一种现行控制器，它将设定值r(t)与实际输出值y(t)进行比较，形成控制偏差：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),对控制对象进行控制。一般模拟PID的控制框图如图4-6所示。+积分比例微分被控对象++-u(t)r（t）e(t)y（t）图4-6PID控制系统原理框图2、模拟PID控制规律的离散化表4-1模拟PID离散化规律模拟形式离散化形式e(t)=r(t)-c(t)e(n)=r(n)-c(n)3、数字PID算法的两种类型数字PID两种类型是数字PID位置型控制算法（例如图4-7调节阀控制）和数字PID增量型控制算法（例如图4-8步进电机控制）。37 XXX：节能温度自动控制系统PID位置算法调节阀被控对象r(t)+-e(t)uy(t)图4-7调节阀控制r(t)+e(t)PID增量算法步进电机被控对象-y(t)图4-8步进电机控制（公式4-3）上式表示的控制算法提供了这行机构的位置u(k),如阀门的开度，所以被称为数字PID位置型控制算法。由公式（4-3）可看出，位置型控制算式不够方便，这是因为要累加偏差e(i),不仅要占用较多的存储单元，而且不便于编写程序，为此可对公式（4-3）进行改进。根据公式（4-3）不难写出u(k-1)的表达式，即（公式4-4）将公式（4-3）和公式（4-4）相减，既得数字PID增量型控制算式为：u(k)=u(k)-u(k-1)=KP[e(k)-e(k-1)]+KIe(k)+KD[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)](公式4-5)式中，称为比例增益，称为积分系数，称为微分系数。增量式算法与位置式算法相比，具有以下优点：37 XXX：节能温度自动控制系统（1）增量算法不需要做累加，控制量增量的确定仅与最近几次误差采样值有关，计算误差或计算精度问题，对控制量的计算影响较小。而位置算法要用到过去的误差的累加值，容易差生大的累加误差。（2）增量式算法得出的是控制量的增量，例如阀门的控制中、只输出阀门开度的变化部分，误动作影响小，必要时通过逻辑判断限制或禁止本次输出，不会严重影响系统的工作。而位置算法的输出是控制量的全量输出，误动作影响大。（3）采用增量算法，易于实现手动到自动的无冲击切换。4、数字PID控制算法流程，如图4-9离线计算q0、q1、q2置e(k-1)=e(k-2)将A/D结果赋给y(k)求e(k)=r(k)-y(k)按式（4-5）计算控制增量△u(k)将△u(k)输出给D/Ae(k-2)=e(k-1)e(k-1)=e(k)采样时刻到否？D/A否到被控对象A/D图4-9数字PID增量型控制算法流程图4．2．3数字PID控制器各环节作用1、比例环节：即时成比例地反应控制系统的偏差e(t)，偏差一旦产生，调节器立即产生控制作用以减小偏差。37 XXX：节能温度自动控制系统2、积分环节：主要用于消除静差，提高系统的误差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数TI，TI越大，积分作用越弱，反之则越强。3、微分环节：能反应偏差信号的变化趋势（变化速率），并能在偏差信号值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。4．2．4数字PID控制器的参数整定按凑试法整定PID参数增大比例系数KP一般将加快系统的响应，在有静差的情况下有利于减小静差。但过大的比例系数会使系统有较大的超调，并产生振荡，使稳定性变坏。增大积分时间TI有利于减小超调，减小震荡，使系统更加稳定，但系统静差的消除将随之减慢。增大微分时间TD亦有利于加快系统响应，使超调量减小，稳定性增加，但系统对扰动的抑制能力减弱，对扰动有较敏感的响应。在凑试时，可参考以上参数对控制过程的影响趋势，对参数实行下述先比例，后积分，再微分的整定步骤。①首先只整定比例部分。即将比例系数由小变大，并观察相应的系统响应，直到到反应快，超调小的响应曲线。如果系统没有静差或静差已小到允许范围内，并且响应曲线已属满意，那么只需用比例控制器即可，最优比例系数可由此决定。②如果在比例调节的基础上系统的静差不能满足设计要求，则需加入积分环节。整定时首先置积分时间TI为一较大值，并将经第一步整定得到的比例系数略为缩小（如缩小为原来的0.8倍），然后减小积分时间，使在保持系统良好动态性能的情况下，静差得到消除。在此过程中，可根据响应曲线的好坏反复改变比例系数与积分时间，以期得到满意的控制过程与整定参数。③若使用比例积分控制器消除了静差，但动态过程经反复调整仍不能满意，则可加入微分环节，构成比例积分微分控制器。在整定时，可先置微分时间TD为零。在第二步整定的基础上，增大TD，同时相应地改变比例系数和积分时间，逐步凑试，以获得满意的调节效果和控制参数。4．4．5PID模块的设计PID控制模块的设计步骤1、放置k,k-1,k-2时刻的偏差，并置零。如图4-10所示37 XXX：节能温度自动控制系统图4-102、在平铺式顺序结构上在后面添加帧，将e(k-1)的值赋值给e(k-2).如图4-11图4-113、在平铺式顺序结构上在后面添加帧，将e(k)的值赋值给e(k-1)。如图4-1237 XXX：节能温度自动控制系统图4-124、按照数字PID增量控制算式设计PID控制器，如图4-13图4-134．3数模转换模块数字信号到模拟信号的转换成为数-模转换，或简称为D/A（DigitaltoAnalog）转换，同时，将实现D/A转换的电路称为D/A转换器，简写为DAC（系Digital-AnalogConwerter的缩写）。37 XXX：节能温度自动控制系统这次设计的D/A转换模块是将PID模块处理过的数字量转换为模拟量，测试时由PC机将一个八位数字量，如01011010转化为电压值（0~5V）形式输入，即1.7578V，通过串口通信，由实验箱内的D/A模块转换为实际模拟电压量，可通过万用表检测。D/A模块的分辨率为8bit，所以由如下关系式：（公式4-11）式中，V为输出模拟电压值，D为输入数字量。D/A模块设计步骤：1、添加一个公式节点，添加输入u和输出V。如图4-14图4-142、在公式节点内编写公式。如图4-15floatv;if(u>10)v=5;elsev=u/2;37 XXX：节能温度自动控制系统图4-153、添加一个条件结构，在控制量大于零为真时，计算输出电压；为假时，输出电压为零。如图4-16a和图4-16b所示图4-16a37 XXX：节能温度自动控制系统图4-16b4、在平铺顺序结构中在后面添加帧，在程序框图设计窗口下，打开【函数】【选择VI】函数选项板，弹出【选择需要打开的VI】对话框，即选择DA.vi，点击确定。5、设置输入、显示控件，如图4-17图4-1737 XXX：节能温度自动控制系统4．4输出控制模块DO通道输出的开关量可以控制温度源上风扇的开关状态，DO通道默认状态时“00”，即风扇的关闭状态，当输入为“01”时，风扇是开启状态。风扇控制程序编写步骤：1、将A/D控制模块加一个平铺式顺序结构，并在后面添加帧，如图4-18所示。图4-182、添加一个温度设定值，使其与模数转换后的数值进行比较，决定被控量的处理方式。如图4-19示。37 XXX：节能温度自动控制系统图4-193、添加一个条件结构，如图4-20图4-2037 XXX：节能温度自动控制系统3、条件为真时，即被控量温度大于设定温度，DO通道为01，风扇处于开启状态，输出对被控量的冷却。设计如图4-21所示。图4-21条件为假时，即被控量温度小于设定温度，DO通道为00，风扇处于停止状态。设计如图4-22所示。37 XXX：节能温度自动控制系统图4-224、创建一个条件结构，如图4-23所示图4-235、创建一个While循环结构，如图4-24所示图4-246、创建一个条件结构，设计实验停止时风扇状态，条件真时风扇停止。如图4-25a和4-25b所示。37 XXX：节能温度自动控制系统图4-25a4-25b4．5创建波形显示模块1、波形显示框图，如图4-26所示37 XXX：节能温度自动控制系统图4-262、在前面板设置波形列表中显示的颜色实测值设置为白色，设定值设置为红色，控制量设置为绿色。4．5温度控制系统整体设计图温度控制系统的程序框图如图4-2737 XXX：节能温度自动控制系统图4-27温度控制系统程序框图温度控制系统设计的前面板如图4-2837 XXX：节能温度自动控制系统第五章温度控制系统的分析与测试5．1测试步骤1、用YL500基于LabVIEW创新型测试技术实验箱和传感器检测实验台对设计进行最后测试，测试步骤如下（1）将PC机与实验箱用串口线进行连接，打开实验箱电源，对串口进行测试，保证串口是通的。（查看通道串口测试步骤）（2）将K型热电偶插入温度源上面板的圆槽内，热电偶红、黑接线端分别于实验箱内温度模块传感器的红、蓝接口连接。（3）标准信号输出接口的红、黑色接口分别于A/D模块0通道黄、黑色接口连接。（4）将温度源电源线插入实验箱内温度控制系统模块面板内的加热输出插口，风机电源的红、黑接口与实验箱上的+15V、接地口连接。（5）温度控制系统模块上的加热方式和冷却方式开关打到外控，加热手动调节逆时针旋转到底。（6）温度控制系统模块内的加热控制输入（外）Vi与A/D模块0通道连接。（7）冷却控制输入Di与实验箱上D0通道0连接并且与温度源上的Di相连接。（8）打开温度源电源开关。（9）运行由VI生成的【PID】可执行程序。（10）通讯设置面板中，设置串口通道选择【ASRL1：：INSTR】，波特率选择默认的9600。（11）板卡设置面板中，下位机板卡地址选择【01】，通道号选择【00】。（12）PID参数一次选择5,1,1。（13）温度设定值选择50℃。（14）风扇控制面板中，风扇通道选择【01】。（15）输出控制面板中，输出通道选择【00】37 XXX：节能温度自动控制系统（16）单击开始实验按钮，观察风扇状态，温度变化表和输出电压值。（17）观察温度控制系统模块中温度值的变化，等待其变化到与预期设定值相等。（18）变PID参数，重复上述实验，记录数据，总结PID控制作用。（19）单击退出系统按钮，关闭该可执行程序。（20）关闭电源，整理实验设备。2、通道串口测试实验（1）将PC机与实验箱用串口线进行连接，打开实验箱电源，打开YL3.0软件，在登陆框输入用户名：user以及密码111（2）初始化测试，勾去“从机地址”，打开串口，发送“B00”（注意是数字0不是字母O），一般出现“B01FF”说明通讯正常。关闭窗口。（3）选择“网络地址”下的“地址修改’选择“YL5010-485多功能数据采集卡”，点击“读地址”。弹出当前网络地址，再关闭。（4）点击“网络地址”选择“设备选择”，显示正常，再关闭。最后点击“启动测试”，进行数据传输测试(做到这一步正常说明采集卡是通信正常的)。（一般网络地址都是1，实验一般不用改动网络地址）37 XXX：节能温度自动控制系统5.2测试结果图图5.1测试结果图第六章结论通过这次毕业设计，我熟练掌握了LabVIEW开发环境及程序设计、程序调试技巧，进一步掌握了PID算法的主要思想、设计原则及各参数调整的原则，在完成温度控制系统软件设计的同时，完成了毕业设计论文。这次温度控制系统通过使用LabVIEW软件进行设计，具有以下特点：1、控制条理清楚，接线简单明了。2、用软件代替传统的仪器设备，可以减少设计成本。3、模块化程序设计，便于调试，并且方便功能的改进。4、编程图形化，使之一目了然。37 XXX：节能温度自动控制系统本次设计的温度控制系统也有很多不足之处。系统设计比较简单、单一，只是LabVIEW在温度控制系统的一个简单的实例，还有很多可以改良的地方；PID控制器也只是最简单的增量式控制算法，微分、积分部分的改进没有进行必要的设计；在控制器的参数整定方法上，本文仅仅使用了临界比例度法。致谢经过两个月的毕业设计，我在各个方面的能力尤其是自主学习、思考和解决问题的方面有了很大的提高。确定指导老师和选题后我就开始查找资料，通过学校的图书馆和网上资料对自己的选题有了深入的了解，加之以前的课堂学习和课程设计、课程实验等知识的重新学习，很快就掌握了此次毕业设计的设计思路和设计方法。37 XXX：节能温度自动控制系统通过这次毕业设计，让我很好的温顾并稳固了大学四年的理论知识，并对这些知识有了更深层次的认识。随着毕业设计的展开与进展，自己对LabVIEW软件的使用加强了操作性与实用性。这是自己第一次利用LabVIEW实现一个智能控制系统，通过这次实践，我对测控技术与仪器专业有了深层次的了解，并对专业课程知识有了更好的把握，这是对我毕业离校踏入社会的一次很好的历练，虽然可能与参与的工作内容有很大差别，但是在这个过程中学到的知识将会是我以后工作、学习的重要的基础与参考。大学四年的学习和生活就要随着这次答辩而结束了，在这过程中发生了许许多多的事，认识了很多人，积攒了许许多多的不舍。老师们同心协力的帮助我们完成了四年的学业，也许老师不能记住每一位教过的学生，但是我们却记住了教过了我们的每一位老师，感谢老师对我在学业上的帮助，尤其是我的指导老师，无论是理论学习还是设计实验，总是能帮我指正错误，我愿借此机会向老师表示衷心的感谢。大学四年的生活就这样过去了，但是却培养了我处理问题的能力，促进了我养成了坚强的性格，冷静的头脑和乐观的态度，让我懂得了责任和承担。我愿在以后的工作学习工程中，用更好的成绩来答谢关心、帮助和支持我的老师和同学们。参考文献[1]姜伟，袁芳.LabVIEW环境下温度控制系统的设计[J].国外电子测量技术.2004，第三期8-10[2]张林，王颖，李秀娟等.基于LabVIEW7.1的PID温控系统设计[J].自动化与仪表.2007，第1期：60-63[3]刘立伟，孟文俊，王鹏锦.PID算法在LabVIEW中的实现[J].成组技术与生产自动化.2007，第4期：60-62[4]胡世炎，邓滨，陈孝林等.轻工信息检索与利用[M].第三版.大连：大连理工大学出版社，2004.422[5]黄松岭，吴静.虚拟仪器设计基础教程[M].第1版.北京：清华大学出版社，2008.27637 XXX：节能温度自动控制系统[6]王福明，于丽霞，刘吉等.LabVIEW程序设计与虚拟仪器[M].第一版.西安：西安电子科技大学出版社，2009.205[7]申焱华，王汝杰，雷振山.LabVIEW入门与提高范例教程[M].第一版.北京：中国铁道出版社，2007.324[8]程德福，王君，凌振宝等.传感器原理及应用[M].第1版.北京：机械工业出版社，2007.316[9]韩建国，金翠云，汪晓男.测控技术与仪器专业英语[M].第2版.北京：化学工业出版社，2011.209[10]于海生，潘松峰，丁军航等.计算机控制技术[M].第1版.北京：机械工业出版社，2007.309[11]阎石，清华大学电子学教研组.数字电子技术基础[M].第五版.北京：高等教育出版社，2006.590[12]冯博琴，吴宁.微型计算机原理与接口技术[M].第二版.北京：清华大学出版社，2007.363[13]郝军启，夏素民.Word2003中文版直通车[M].第1版.北京：清华大学出版社，2004.30837