水箱溫度測控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)學(xué)院（系）：機(jī)電工程系專業(yè)：測控技術(shù)與儀器學(xué)生姓名：劉工廠學(xué)號(hào)：29106029指導(dǎo)教師（職稱）：趙華（副教授）起止日期：2009年2月16日—2009年6月5日南陽理工學(xué)院NanyangInstituteofTechnology水箱溫度測控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)測控技術(shù)與儀器專業(yè)劉工廠[摘要]論文采用對(duì)被控對(duì)象單容水箱建立了仿真模型，用對(duì)labview的擬控制系統(tǒng)其設(shè)計(jì)了水箱對(duì)象模型及常規(guī)PID控制系統(tǒng)。在該系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，論文就常規(guī)PID控制器的設(shè)計(jì)作了詳細(xì)敘述，并對(duì)其進(jìn)行參數(shù)整定得到了最佳PID參數(shù)，在100時(shí)仿真實(shí)驗(yàn)獲得階躍響應(yīng)曲線。然后對(duì)單容溫度對(duì)象設(shè)計(jì)了PID控制系統(tǒng)。然后提出了系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，對(duì)系統(tǒng)控制原理進(jìn)行了分析，詳細(xì)敘述了如何設(shè)計(jì)對(duì)水箱溫度的控制。本文探討對(duì)水箱溫度控制系統(tǒng)的PID控制在虛擬儀器開發(fā)軟件LabVIEW中的實(shí)現(xiàn)方法，并將其應(yīng)用于水箱溫度的控制，并對(duì)其實(shí)現(xiàn)性做了分析，仿真結(jié)果表明控制系統(tǒng)具有良好的動(dòng)、靜態(tài)控制效果，系統(tǒng)是可以實(shí)現(xiàn)的。關(guān)鍵詞:LabVIEW水箱對(duì)象模型PID溫度控制系統(tǒng)TankTemperatureControlSystemDesignandImplementationMeasurementandControlTechnologyandInstrumentliugongchangAbstract:Alongwiththescienceandtechnologyandthedevelopmentofcomputertechnologyandvirtualinstrumentisdeveloped,basedonthecontrolsystemoflabviewcontrolsystemprovidesaplatform.Thispaperdiscusstheproblem,temperaturecontrolsystembackground,researchstatusandthesubjectofthecontentandmeaning.Papersofthecontrolledobjectsingleletwatertankwithestablishedsimulationmodel,thecontrolsystemoflabviewitsdesignthetankobjectmodelandconventionalPIDcontrolsystem.Inthissystem,thethesisisdesignofconventionalPIDcontrollerdesignforadetaileddescriptionandtogettheoptimumparametersin100PIDparametersobtainedsimulationexperimentstepresponsecurve.ThenletthetemperatureoftheobjectsPIDcontrolsystemdesign.Andthenputsforwardtheoverallstructureofthesystem,thecontrolprincipleofsystemareanalyzedindetail,andhowtodesignthecontrolofwatertemperature.BasedonthetemperaturecontrolsystemofPIDcontrolinLabVIEWvirtualinstrumentsoftwaredevelopment,andtherealizationmethodsappliedtothewatertemperaturecontrol,anditsimplementationareanalyzed,thesimulationresultsshowthatthecontrolsystemhasgooddynamicandstaticcontroleffect,thesystemcanberealized.Keywords:LabVIEW,Tankobjectmodel，PID,controlsystem.目錄1.1課題背景5水箱溫度控制研究的現(xiàn)狀61.3本設(shè)計(jì)的技術(shù)要求6課題的意義及本論文的主要內(nèi)容7課題的意義71．4．2本論文的主要內(nèi)容7課題的總體方案82水箱溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)82系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)8溫度檢測電路92.2傳感器的選擇類型10加熱器的選擇123水箱溫度軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)133.1虛擬儀器的概念133.2LABVIEW的操作模板163.2.1工具模板(TooIsPaIette)163.2.2控制模板（ControlsPalette）173.2.3功能模板（FunctionsPalette）173.3水箱對(duì)象模擬18水箱的對(duì)象裝置18水箱對(duì)象的數(shù)據(jù)采集19控制系統(tǒng)的工作原理204.2PID控制器的設(shè)計(jì)21數(shù)字PID算法21增量式PID控制算式22水箱溫度的PID控制系統(tǒng)的LV實(shí)現(xiàn)234.4水箱溫度控制系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)定及結(jié)果分析245.結(jié)束語26參考文獻(xiàn)28致謝29結(jié)束語25參考文獻(xiàn)26致謝27第一章緒論1.1課題背景溫度是工業(yè)生產(chǎn)中常見的工藝參數(shù)之一，任何物理變化和化學(xué)反應(yīng)過程都與溫度密切相關(guān)，因此溫度控制是生產(chǎn)自動(dòng)化的重要任務(wù)。對(duì)于不同生產(chǎn)情況和工藝要求下的溫度控制，所采用的升溫加熱方式，控制方案也有所不同。像電力、化工、石油、冶金、航空航天、機(jī)械制造、糧食儲(chǔ)存、酒類生產(chǎn)等領(lǐng)域內(nèi)，溫度常常是表征對(duì)象和過程狀態(tài)的最重要的參數(shù)之一。可以說幾乎所有的工業(yè)生產(chǎn)部門都不得不考慮著溫度這個(gè)因素。國外溫度控制系統(tǒng)及儀表正朝著高精度智能化、小型化等方面快速發(fā)展。溫度控制系統(tǒng)在國內(nèi)各行各業(yè)的應(yīng)用雖然已經(jīng)十分廣泛，但從國內(nèi)生產(chǎn)的溫度控制器來講，總體發(fā)展水平仍然不高，同國外的日本、美國、德國等先進(jìn)國家相比，仍然有著較大的差距。目前，我國在這方面的總體技術(shù)水平處于20世紀(jì)80年代中后期水平。1．2水箱溫度控制研究的現(xiàn)狀隨著單片機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，基于單片機(jī)的溫度測控系統(tǒng)在檢測和控制系統(tǒng)中的應(yīng)用也越來越廣泛。本文設(shè)計(jì)了一種基于PID算法的溫度測控系統(tǒng)，并在水箱上加以應(yīng)用，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水箱的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)精確測量、自動(dòng)檢測和控制，有效的提高了控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和控制精度，大大改善了水箱溫度控制的自動(dòng)化程度，具有較高的實(shí)用價(jià)值。目前的測溫控制系統(tǒng)大都使用傳統(tǒng)溫度測量儀器，其功能大多都是由硬件或固化的軟件來實(shí)現(xiàn)，而且只能通過廠家定義、設(shè)置，其功能和規(guī)格一般都是固定的，用戶無法隨意改變其結(jié)構(gòu)和功能，因此已不能適應(yīng)現(xiàn)代化監(jiān)測系統(tǒng)的要求。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，美國國家儀器公司率先提出了虛擬儀器的概念，徹底打破了傳統(tǒng)儀器由廠家定義、用戶無法改變的模式，使測控儀器發(fā)生了巨大變革。虛擬儀器技術(shù)充分利用計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大運(yùn)算處理功能，突破傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)處理、顯示、傳輸、存儲(chǔ)等方面的限制．通過交互式圖形界面實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制和顯示測量數(shù)據(jù)，并使用框圖模塊指定各種功能。采用集成電路溫度傳感器和虛擬儀器方便地構(gòu)建一個(gè)測溫系統(tǒng)，且外圍電路簡單，易于實(shí)現(xiàn)，便于系統(tǒng)硬件維護(hù)、功能擴(kuò)展和軟件升級(jí)口。1.3本設(shè)計(jì)的技術(shù)要求（1）測控系統(tǒng)應(yīng)能對(duì)水箱溫度進(jìn)行采集、計(jì)算、控制、存儲(chǔ)、顯示檢測和打印輸出。（2）可對(duì)溫度測試值進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示監(jiān)測，使用者可清晰知道所有瞬時(shí)參數(shù)及累計(jì)參數(shù)，應(yīng)可隨時(shí)進(jìn)行查詢和報(bào)表打印。（3）當(dāng)受到干擾時(shí)能進(jìn)行PID調(diào)節(jié)。（4）人機(jī)交互界面友好、快捷，具有報(bào)警功能。（5）在硬件和軟件上具有一定的抗干擾措施。1.4課題的意義及本論文的主要內(nèi)容1.4.在鋼鐵、機(jī)械、石油化工、電力、工業(yè)爐窯等工業(yè)生產(chǎn)中，溫度是極為普遍又極為重要的熱工參數(shù)之一。隨著自動(dòng)化水平的不斷提高和對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量要求的不斷提高，對(duì)溫度的測控精度、響應(yīng)速度、系統(tǒng)穩(wěn)定性以及適應(yīng)能力等方面要求越來越高，測溫范圍越來越廣，因此，溫度測控技術(shù)的研究是一個(gè)重要的研究課題，研究高性能的溫度控制儀表具有重要意義。溫度控制的關(guān)鍵在于測溫和控溫兩方面。在溫度測量方面，熱電阻和熱電偶以其精度高、穩(wěn)定性好、價(jià)格低等特點(diǎn)，在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用雖然熱電阻和熱電偶測量中，傳感器的非線性校正已經(jīng)有多種方法，但有些方法存在著變換電路復(fù)雜、軟硬件開銷大、穩(wěn)定性差等問題。因此，尋求一種簡單、穩(wěn)定的檢測電路和非線性校準(zhǔn)電路，對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究非常重要。在溫度控制方面，由于控制對(duì)象越來越復(fù)雜，還存在著許多問題，人們還在尋找著更好的控制方法以提高控制性能，滿足不同的控制要求。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展PID控制技術(shù)在虛擬儀器中的應(yīng)用更能解決這些問題。1．4．2本論文的主要內(nèi)容本文在充分研究溫度控制的特點(diǎn)與控制方法的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于LabVIEW的PID控制器，用于單容水箱溫度對(duì)象的控制，采用仿真法顯示試驗(yàn)結(jié)果，采用比較法證實(shí)應(yīng)用該法進(jìn)行控制的優(yōu)勢(shì)。本課題設(shè)計(jì)的水箱流量的系統(tǒng)主要有單容水箱，NI-6009數(shù)據(jù)采集卡，流量計(jì)，液體流動(dòng)閥門以及采用LABVIEW編寫的PID控制軟件組成。該課題是基于8.5版本的labview環(huán)境下實(shí)現(xiàn)pid控制的設(shè)計(jì)的。如下是對(duì)本課題的設(shè)計(jì)總體步驟：第一步：對(duì)水箱流量的控制系統(tǒng)的總體規(guī)劃和選擇合適的傳感器以及其詳細(xì)的參數(shù)和采集卡的選擇和水箱的形狀的確立以及水箱材料和閥門的選定。第二步：設(shè)計(jì)單容水箱并傳感器和閥門組裝在一起。第三步：進(jìn)行Pid的控制算法的確立和選擇簡便的算法并在labview中編程第四步：把PID控制和水箱的流量的模型連接在一起并整理labview前面板的整理和最后的程序調(diào)試第五步：進(jìn)行結(jié)果分析第二章水箱溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)由水箱裝置（仿真模型）、溫度傳感器（K型熱電偶）、數(shù)據(jù)采集卡、信號(hào)的處理部分、信號(hào)的采集、溫度的監(jiān)控組成，由溫度傳感器實(shí)現(xiàn)溫度的測量，將測得的溫度信號(hào)送給數(shù)據(jù)采集卡對(duì)溫度進(jìn)行采集，以便實(shí)現(xiàn)溫度的監(jiān)測和控制，提高了系統(tǒng)的安全性、方便性。系統(tǒng)原理框圖如圖2-1所示。系統(tǒng)工作時(shí)，溫度傳感器將水箱的溫度變化轉(zhuǎn)換成電流變化，然后通過信號(hào)處理電路將電流信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)椴杉ㄌ幚淼碾妷盒盘?hào)。然后將數(shù)據(jù)送給計(jì)算機(jī)，并通過計(jì)算機(jī)運(yùn)行的LabVIEW的程序來分析處理輸入數(shù)據(jù)，同時(shí)，根據(jù)采樣輸入信號(hào)，利用LabVIEW中的PID控制算法，求出系統(tǒng)輸出信號(hào)的大小，再將輸出信號(hào)傳輸至外部，此時(shí)輸出的是數(shù)字信號(hào)，還需要對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行一次轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，本系統(tǒng)通過D/A轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)模/數(shù)轉(zhuǎn)換。經(jīng)過模/數(shù)轉(zhuǎn)換后的信號(hào)送給后續(xù)統(tǒng)執(zhí)行裝置，執(zhí)行裝置根據(jù)信號(hào)發(fā)生動(dòng)作以實(shí)現(xiàn)溫度控制，這樣便形成了閉環(huán)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)集計(jì)算機(jī)、強(qiáng)大的圖形化編程軟件和模塊化的硬件于一體，能夠很方便的建立靈活且以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的測量及控制方案，構(gòu)建出滿足需要的系統(tǒng)，具有很好的實(shí)用性和可操作性，有很好的應(yīng)用前景。圖2-1系統(tǒng)原理框圖2.2溫度采集系統(tǒng)傳感器選擇溫度檢測系統(tǒng)包括溫度傳感器、電壓放大電路和溫度外補(bǔ)償電路，電路如圖2-2所示，溫度傳感器采用熱電偶，它將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電勢(shì)（mV）信號(hào)，配以測量信號(hào)的儀表或變換器，便可以實(shí)現(xiàn)溫度的測量和溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換。熱電偶溫度計(jì)由于測溫范圍寬，它在工程實(shí)際中的應(yīng)用非常廣泛。熱電偶溫度計(jì)能用來測量點(diǎn)的溫度和壁面溫度，也能用來進(jìn)行動(dòng)態(tài)溫度測量。從1K到3000K的溫區(qū)，都可選擇不同型號(hào)的熱電偶溫度計(jì)實(shí)現(xiàn)溫度測量。電壓放大電路：采用的K型熱電偶，其輸出的熱電勢(shì)非常小，每1°CmV，因此，為了將其轉(zhuǎn)換為A/D的輸入信號(hào)，必須進(jìn)行放大，采用高靈敏度、高增益、低漂移的集成運(yùn)算放大器AD707。電路中，R1、R2、RP3決定電路，放大增益的大小用RP3可使增益在111與131之間可調(diào)。圖2-2溫度檢測電路溫度傳感器與溫度采集本系統(tǒng)的溫度采集系統(tǒng)，首先需要將檢測的溫度信號(hào)處理成相應(yīng)的電信號(hào)。所以需要把溫度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的轉(zhuǎn)換器。熱電式傳感器是一種將溫度變化轉(zhuǎn)換成電量變化的裝置。其中將溫度轉(zhuǎn)換成電勢(shì)的熱電式傳感器叫熱電偶，將溫度轉(zhuǎn)換成電阻值的熱電式傳感器叫熱電阻。作為工業(yè)測溫中最廣泛使用的溫度傳感器之一，熱電偶與鉑熱電阻一起，約占整個(gè)溫度傳感器總量的60%。這兩種傳感器在目前的工業(yè)生產(chǎn)中得到最為廣泛的應(yīng)用。熱電偶作為一種主要的測溫元件，具有制造容易、使用方便、測溫范圍寬、測溫精度高，性能穩(wěn)定結(jié)構(gòu)簡單，且動(dòng)態(tài)相應(yīng)好，輸出直接為電壓信號(hào)，可以傳送便于集中檢測和控制等特點(diǎn)。熱電偶通常和顯示儀表等配套使用，可直接用于測量各種生產(chǎn)過程中-40~1800.2熱電偶的溫度測量原理熱電偶是目前溫度測量中應(yīng)用極為廣泛的一種溫度測量系統(tǒng)。其工作原理是基于物體的熱電效應(yīng)。如圖（2-3）所示：圖2-3熱電偶的組成把兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料AB連接好形成閉合回路，將他們的兩個(gè)極端分別置于溫度為和(>)的熱源中，則回路中就產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)(簡稱熱電勢(shì))，可用(,)表示，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng).我們把這兩種不同材料的導(dǎo)體或半導(dǎo)體的組合稱為熱電偶。A和B稱為熱電極，溫度高的極點(diǎn)稱為熱端(或工作端)，溫度低的極點(diǎn)稱為冷端或自由端。如圖2-3所示的熱電偶產(chǎn)生的熱電勢(shì)由兩種導(dǎo)體的接觸電動(dòng)勢(shì)和單一導(dǎo)體的溫差電動(dòng)勢(shì)構(gòu)成。(一)接觸電動(dòng)勢(shì)：所有金屬內(nèi)部有大量的自由電子，而不同的金屬材料其內(nèi)部自由電子密度不同，當(dāng)兩種不同的金屬導(dǎo)體接觸時(shí)，在接觸面上因自由電子密度不同而發(fā)生電子擴(kuò)散，電子擴(kuò)散的速率與導(dǎo)體的電子密度有關(guān)，并且和接觸點(diǎn)的溫度成正比。設(shè)導(dǎo)體A和B的自由電子密度分別為和，且有>，則在接觸面上由A擴(kuò)散到B的自由電子將必然比由B擴(kuò)散到A的電子數(shù)多。因此，導(dǎo)體A失電子而帶正電荷，導(dǎo)體B因得到電子而帶負(fù)電荷，在A和B的接觸面上便形成了一個(gè)A到B的靜電場。如下圖2-4所示：+A++--B-圖2-4接觸電動(dòng)勢(shì)這個(gè)電場組，阻礙了電子的繼續(xù)擴(kuò)展，當(dāng)達(dá)到平衡時(shí)，在接觸區(qū)形成一個(gè)穩(wěn)定的電位差，即接觸電動(dòng)勢(shì)其大小可表達(dá)為：（3-1）式中：K—波耳茲曼常數(shù)，K=1.38X；T—接觸點(diǎn)的熱力學(xué)溫度；、—導(dǎo)體A、B中的自由電子密度；e—電子電荷量。(二)溫差電動(dòng)勢(shì)：在單一導(dǎo)體中，如果兩端溫度不同，兩端間會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)，即單一導(dǎo)體的溫差電勢(shì)。這時(shí)高溫端帶正電荷，低溫端因?yàn)榈秒娮佣鴰ж?fù)電荷，從而形成一個(gè)靜電場，如圖（2-5）所示:++--++--++QA--++--++--圖2-5溫差電動(dòng)勢(shì)該電場阻礙電子的繼續(xù)擴(kuò)散，當(dāng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，導(dǎo)體的兩端便產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的電位差該電位差稱為溫差電勢(shì)。溫差電勢(shì)的大小可表示為:（3-2）式中：—湯姆遜系數(shù)，其含義的單一導(dǎo)體兩端溫度差為1°(三)熱電偶回路電動(dòng)勢(shì)：對(duì)于由A、B組成的熱電偶閉合回路，當(dāng)>且>閉合回路的熱電動(dòng)勢(shì)為：(3-3)其中：為熱端電動(dòng)勢(shì)，為冷端電動(dòng)勢(shì)。由此可知：只有當(dāng)熱電偶的兩個(gè)電極材料不同，且兩接點(diǎn)的溫度也不同時(shí)，才會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。當(dāng)熱電偶的兩個(gè)不同的電極材料確定后，熱電動(dòng)勢(shì)變與兩個(gè)接點(diǎn)溫度和有關(guān)。既回路的熱電動(dòng)勢(shì)是兩個(gè)接點(diǎn)的溫度函數(shù)之差：當(dāng)自由端固定不變時(shí)，為常數(shù)。由此可見，熱電動(dòng)勢(shì)和工作端溫度是單值函數(shù)關(guān)系。由此制訂出標(biāo)準(zhǔn)熱電偶分度表，該表是將自由端溫度保持為0°C2.3熱電偶的選擇常用標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶的特點(diǎn)如下：1鉑銠—鉑熱電偶，性能穩(wěn)定，準(zhǔn)確度高，可用做基準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)熱電偶。熱電動(dòng)勢(shì)比較低，價(jià)格昂貴，不能用于金屬蒸汽和還原性氣體環(huán)境中。2鉑銠—鉑銠熱電偶，較鉑銠—鉑熱電偶具有更高的穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度，最高測溫可達(dá)1800°3鎳鉻—鎳硅或鎳鉻—鎳鉛熱電偶，熱電動(dòng)勢(shì)較高，熱電特性具有較好線性，良好的化學(xué)穩(wěn)定性，具有較強(qiáng)的抗氧化性和抗腐蝕性。穩(wěn)定性較差，測量精度不高。4鎳鉻—考銅熱電偶，熱電動(dòng)勢(shì)較高，電阻率小，適合于還原性和中性環(huán)境下測量，價(jià)格便宜，測量上限溫度不高。5鎳鉻—康銅熱電偶，熱電動(dòng)勢(shì)較低，價(jià)格便宜。高溫下易氧化，適合于低溫和超低溫測量。其中鎳鉻—鎳硅分度號(hào)為K的熱電偶，穩(wěn)定性較高，可在氧化性和中性介質(zhì)中長期測900°C以下溫度，短期可測量1200°C。其回復(fù)性較好，產(chǎn)生熱電勢(shì)較大，線性好，價(jià)格便宜。但他在還原性介質(zhì)中易被腐蝕，能測500°K型熱電偶通常和顯示儀表，記錄儀表和電子調(diào)節(jié)器配套使用。K型熱電偶可以直接測量各種生產(chǎn)中從0℃到1300℃范圍的液體蒸汽和氣體介質(zhì)以及固體的表面溫度。K型熱電偶通常由感溫元件、安裝固定裝置和接線盒等主要部件組成。鎳鉻-偶（K型熱電偶是目前用量最大的廉金屬熱電偶，其用量為其他熱電偶的總和。K型熱電偶絲直徑一般為１.2～4.0ｍｍ。正極（KP）的名義化學(xué)成分為：Ni：Cr=92：12，負(fù)極（KN）的名義化學(xué)成分為：Ni：Si=99：3，其使用溫度為-200~1300℃。K型熱電偶具有線性度好，熱電動(dòng)勢(shì)較大，靈敏度高，穩(wěn)定性和均勻性較好，抗氧化性能強(qiáng)，價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，能用于氧化性惰性氣氛中。廣泛為用戶所采用。K型熱電偶不能直接在高溫下用于硫，還原性或還原，氧化交替的氣氛中和真空中，也不推薦用于弱氧化氣。2.4加熱器的選擇為了更好的實(shí)現(xiàn)對(duì)水箱溫度的控制我們需要選擇一個(gè)加熱器我們選用鉑熱電阻進(jìn)行加熱。我們通過PID控制通過WZP系列薄膜鉑熱電阻來對(duì)水箱進(jìn)行加熱。下面是熱電阻的技術(shù)指標(biāo)：熱電阻感溫元件在0’C時(shí)的電阻值(Ro)

分度號(hào)Ptl00

B級(jí)R0：100±0．12Q

鉑熱電阻的電阻與溫度關(guān)系一般可用以下關(guān)系表示：

在-79‘C范圍內(nèi)

Rt=ROrl+At+Bt2+C(t-100*C)t3]

在O～600’C范圍內(nèi)：Rt=R0(1+At+Bt2)

Rt為rC時(shí)熱電阻的電阻值(Ω)

式中的R0為0*C時(shí)熱電阻的電阻值(Ω)

t為被測介質(zhì)溫度（C)

A、R、C等均為有關(guān)的分度常數(shù)。

自然影響

通過熱電阻中的測量電流為2mA,測得的電阻增量換算成溫度值應(yīng)不大于0．3’C。

熱響應(yīng)時(shí)間

當(dāng)被測介質(zhì)(一定溫度和規(guī)定流速的水)溫度出現(xiàn)階躍變化時(shí)，熱電阻的電阻值變化至相當(dāng)于該階躍變化的50％所需的時(shí)間，用l。s表示。

具體數(shù)值參見型號(hào)規(guī)格表。

公稱壓力

系指在室溫下保護(hù)管所承受的靜態(tài)外壓而不破損，測溫性能不受其影響。

絕緣電阻

當(dāng)周圍空氣溫度15～35‘C和相對(duì)溫度不大于80％時(shí)，熱電阻感溫元件和保護(hù)管之間以及雙支感溫元件之間的絕緣電阻，應(yīng)不小于100M》(電壓10—100V)。

最小可置入深度一般應(yīng)不小于其保護(hù)管外徑的15倍，再加上感溫元件的長度。第三章水箱溫度控制系統(tǒng)仿真3.1虛擬儀器的概念虛擬儀器(VirtualInstruments，簡稱VI)是一類用于數(shù)據(jù)采集、分析、顯示和儀器控制的開發(fā)軟件。除常用的LabVIEW外，還有LabScene、HPVEE、Prograph、vipers等。LabVIEW是美國國家儀器(NationalInstruments，簡稱NI)公司開發(fā)的一種圖形化的編程環(huán)境，該公司還同時(shí)推出了另一種功能和應(yīng)用環(huán)境不同的虛擬軟件LabWindowsll6-zq。使用LabVIEW開發(fā)平臺(tái)編制的程序稱為虛擬儀器程序，簡稱為vI程序或vI。vI程序包括三個(gè)部分：程序前面板、框圖程序和圖標(biāo)／連接器。程序前面板用于設(shè)置輸入數(shù)值和觀察輸出量，用于模擬真實(shí)儀表的前面板。在程序前面板上，輸入量被稱為控制件(Controls)，輸出量被稱為顯示件(Indicators)?？刂萍惋@示件是以各種圖標(biāo)形式出現(xiàn)在前面板上，如旋鈕、丌關(guān)、按鈕、圖表、圖形等，這使得前面板直觀易懂。下圖3．1是一個(gè)能同時(shí)顯示兩參數(shù)的vI前面板程序。圖3-1兩參數(shù)同時(shí)顯示VI前面板程序每一個(gè)程序前面板都對(duì)應(yīng)著一段框圖程序?？驁D程序用LabVIEW圖形編程語言編寫，可以把它理解成傳統(tǒng)程序的源代碼?？驁D程序由端口、節(jié)點(diǎn)、圖框和連線構(gòu)成。其中端口被用來同程序前面板的控制和顯示傳遞數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)被用柬實(shí)現(xiàn)函數(shù)和功能調(diào)用，圖框被用來實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)化程序控制命令，而連線代表程序執(zhí)行過程中的數(shù)據(jù)流，定義了框圖內(nèi)的數(shù)據(jù)流動(dòng)方向。上述兩參數(shù)顯示程序的框圖程序如下圖3．2所示。圖3-2兩參數(shù)同時(shí)顯示VI框圖程序圖標(biāo)／連接器是子vI被其它vI調(diào)用的接口。圈標(biāo)是子vI在其他程序框圖中被調(diào)用的節(jié)點(diǎn)表現(xiàn)形式；而連接器則表示節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的輸入／輸出口，就象函數(shù)的參數(shù)。用戶必須指定連接器端口與前面板的控制件和顯示件一一對(duì)應(yīng)。3.2LABVIEW的操作模板LabVIEW具有多個(gè)圖形化的操作模扳，用于創(chuàng)建和運(yùn)行程序。這些操作模板可以隨意在屏幕上移動(dòng)．并可以放置在屏幕的任意位置。操縱模板共有三類，為工具(Tools)模板、控制(Controls)模板和功能(Functions)模板。3工具模板(TooIsPaIette)工具模板如圖3-3所示。工具模板為編程者提供了各種用于創(chuàng)建、修改和調(diào)試vI程序的工具。工具圖標(biāo)有如下幾種：圖3-3工具模板與上述工具模板不同，控制和功能模板只顯示頂層子模板的圖標(biāo)。在這些頂層子模板中包含許多不同的控制或功能子模板。通過這些控制或功能子模板可以找到創(chuàng)建程序所需的面板對(duì)象和框圖對(duì)象。3控制模板（ControlsPalette）用控制模板可以給前面板添加輸入控制和輸出顯示。每個(gè)圖標(biāo)代表一個(gè)子模板?？刂颇０迦鐖D3-4所示，它包括下面幾個(gè)子模板。圖3-4控制模板3功能模板（FunctionsPalette）功能模板是創(chuàng)建框圖程序的工具。該模板上的每一個(gè)頂層圖標(biāo)都表示一個(gè)子模板。功能模板如下圖3-5所示。圖3-5功能模板水箱對(duì)象模擬水箱溫度系統(tǒng)是基于水箱的溫度的控制，通過傳感器的采集到水箱的溫度的數(shù)據(jù)，通過采集卡，采集到這些數(shù)據(jù)與設(shè)定值比較，送到控制裝置，通過執(zhí)行器（水箱閥門）來調(diào)節(jié)水箱的溫度，從而使最終的結(jié)果接近設(shè)定值從而達(dá)到控制。虛擬儀器的硬件可以完成信號(hào)的采集，信號(hào)的放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)換等，所以硬件設(shè)計(jì)是整個(gè)水箱溫度控制系統(tǒng)得以順利運(yùn)行的保障，只有保證所采集溫度信號(hào)的正確，才能確保對(duì)后來數(shù)據(jù)做出正確的分析，得出正確的結(jié)論，供相關(guān)技術(shù)人員參考，從而使整個(gè)水箱溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。3.4水箱的對(duì)象裝置本課題研究的是基于單容水箱的溫度的PID控制，其示意圖如圖所示。水箱對(duì)象裝置內(nèi)流動(dòng)的液體(純凈水)存儲(chǔ)在水箱中，水箱內(nèi)的水由泵抽出經(jīng)自動(dòng)閥門2注入水柱，再經(jīng)出水閥門1流回水箱形成循環(huán)。通過電動(dòng)閥門2(控制閥門)可以調(diào)節(jié)進(jìn)水量g。，通過閥門1可以手動(dòng)調(diào)節(jié)出水量q。從而可以在水箱底面積一定的情況下來控制水箱的液位下降速度來控制水箱的流量。因此，這是一個(gè)典型的有自平衡能力的流量對(duì)象。3.6圖單容水箱下圖是水箱的溫度控制的硬件圖形，如圖所示：圖3.7水箱硬件裝3.5水箱對(duì)象的數(shù)據(jù)采集得到系統(tǒng)的輸入輸出數(shù)據(jù)，是建立溫度系統(tǒng)模型的前提［7～8］。我們可以通過編程操作數(shù)據(jù)采集卡，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。本文中采用VC++6．0來完成編碼［9～14］。l、VC++6．0操作數(shù)據(jù)采集卡本系統(tǒng)采用的是阿爾泰公司生產(chǎn)的PCI2006型號(hào)的數(shù)據(jù)采集卡，其自帶有訪問操作數(shù)據(jù)采集卡的底層驅(qū)動(dòng)，因此在正式編程之前，首先需要把PCI2006．LIB、PCI2006．h添加到項(xiàng)目中。采用面向?qū)ο蠡幊蹋瑸閿?shù)據(jù)采集卡建立一個(gè)IOPort類，將數(shù)據(jù)采集功能全部封裝在類中。2、精確地定時(shí)器實(shí)現(xiàn)VC++6．0中提供了以下幾種可供選擇的定時(shí)方式：(1)WMTIMER消息映射能進(jìn)行簡單的時(shí)間控制。這種定時(shí)方法非常簡單，可以實(shí)現(xiàn)一定的定時(shí)功能，但精度非常低。(2)利用GetTickCount（）函數(shù)實(shí)現(xiàn)定時(shí)。精度比WMTIMER消息映射高，CPU占用率非常高，只能用于要求不高的延時(shí)程序中。(3)多媒體定時(shí)器函數(shù)DWORDtimeGetTime(void)，該函數(shù)定時(shí)精度為ms級(jí)，返回從Windows啟動(dòng)開始經(jīng)過的毫秒數(shù)。但是很占用系統(tǒng)資源。(4)利用QueryPerformanceFrequency()和QueryPerformanceCounter()函數(shù)實(shí)現(xiàn)定時(shí)。其定時(shí)誤差不超過1微秒，精度與CPU等機(jī)器配置有關(guān)，在精度要求非常高的情況下使用。水箱溫度PID控制系統(tǒng)的工作原理PID控制器是種線性控制器，它將設(shè)定值r(t)與實(shí)際輸出值y(t)進(jìn)行比較，形成偏差：e(t)=r(t)-y(t),再對(duì)偏差e(t)進(jìn)行比例（P）、積分（I）、微分(D)運(yùn)算，然后通過線性組合形成控制量u(t)，一般模型的PID的控制框圖如圖所示。圖水箱溫度的PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方塊圖.1PID控制器的設(shè)計(jì)常規(guī)PID控制器是由比例、積分、微分三種數(shù)學(xué)運(yùn)算組合而成的運(yùn)算器，它們稱為控制器的控制規(guī)律。PID控制器的輸入輸出信號(hào)關(guān)系式為（1）對(duì)應(yīng)的傳遞函數(shù)為：（2）式中的kp是比例系數(shù)；Ti是積分時(shí)間常數(shù)；Td是微分時(shí)間常數(shù)；u(t)是為控制輸出。數(shù)字PID算法基于虛擬儀器的PID控制是一種采樣控制，只能根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值計(jì)算控制量，因此式(1)中的積分和微分項(xiàng)不能準(zhǔn)確計(jì)算，只能用數(shù)值計(jì)算的方法逼近，稱為數(shù)字PID控制算式．?dāng)?shù)字PID控制算式通常又分為位置式PID控制算式和增量式PID控制算式。.1位置式PID控制算式在采樣時(shí)刻t—kT(T為采樣周期)，為了便于計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)PID控制，把微分方程式(1)改寫成差分方程，即（3）（4）式中，T為控制周期；為控制周期序號(hào)；e(n一1)，e()分別為第(一1)，()個(gè)控制周期所得的偏差．將公式(3)和(4)代人公式(1)可得位置PID表達(dá)式：（5）如果采樣周期T取的足夠小，這種逼近相當(dāng)準(zhǔn)確，缺點(diǎn)是由于全量輸出，所以每次輸出均與過去的狀態(tài)有關(guān)，計(jì)算時(shí)要對(duì)e(足)進(jìn)行累加，計(jì)算機(jī)運(yùn)算工作量大．.3增量式PID控制算式增量式PID控制算式是指數(shù)字控制器的輸出只是控制器的增量Au(k)．根據(jù)遞推原理可得：（6）用式（5）減去式（6）可得:（7）可以看出，由于一般計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)采用恒定的采樣周期T，一旦確定了K、Ti、T，只要使用前后3次測量值的偏差，即可由式(7)求出控制增量．位置式與增量式控制算法并無本質(zhì)區(qū)別，增量式控制雖然只是算法上作了一點(diǎn)改進(jìn)，卻有許多優(yōu)點(diǎn)：誤動(dòng)作時(shí)影響??；手動(dòng)／自動(dòng)切換時(shí)沖擊小，便于無擾動(dòng)切換；算式中不需要累加．但是增量式控制也有不足之處，積分截?cái)嘈?yīng)大，有靜態(tài)誤差，溢出的影響。因此在這次課題中我們采用增量式PID算法來實(shí)現(xiàn)對(duì)水箱流量系統(tǒng)的控制。如圖就是在LABVIEW中實(shí)現(xiàn)的PID控制程序：圖水箱溫度PID控制程序框圖水箱溫度的PID控制系統(tǒng)的LV實(shí)現(xiàn)水箱溫度PID控制系統(tǒng)的LV總體框圖如下圖4-3所示。該圖共由四部分組成，功能如下：（1）為個(gè)參數(shù)、權(quán)賦初始值。（2）PID控制器。（3）水箱模型。（4）系統(tǒng)偏差顯示、記錄及程序運(yùn)行控制等部分。水箱溫度PID控制系統(tǒng)LV程序圖所示圖水箱溫度PID控制的全程序圖水箱溫度的PID控制系統(tǒng)LV前面板如下圖3.11所示：圖水箱溫度的PID控制系統(tǒng)LV前面板水箱溫度控制系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)定及結(jié)果分析在PID控制系統(tǒng)中，由于PID控制參數(shù)直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的控制性能，因此，確定一組較準(zhǔn)確的參數(shù)值是一項(xiàng)至關(guān)重要的工作。參數(shù)整定通常有兩種方法，即理論設(shè)計(jì)法和試驗(yàn)確定法。前者需要被控對(duì)象的精確模型，然后采用最優(yōu)化的方法確定PID的各參數(shù)。被控對(duì)象的模型可以通過物理建?；蛳到y(tǒng)辨識(shí)等方法得到，但這樣通常只能得到近似的模型。通過試驗(yàn)確定法(試湊法)來選擇PID參數(shù)通常是行之有效的方法。試湊法是通過模擬或閉環(huán)運(yùn)行系統(tǒng)來觀察系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，然后根據(jù)各控制參數(shù)對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)的大致影響來改變參數(shù)，反復(fù)試湊，直至逼近最優(yōu)值。在考慮了以上參數(shù)對(duì)控制過程的影響后，試湊時(shí)，可按先比例一后積分一再微分的順序反復(fù)調(diào)試參數(shù)。具體步驟如下：(1)首先只調(diào)整比例部分，將比例系數(shù)由小變大，并觀察系統(tǒng)所對(duì)應(yīng)的響應(yīng)，直到得到響應(yīng)快、超調(diào)量小的響應(yīng)曲線為止。如果這時(shí)系統(tǒng)的靜態(tài)誤差己在允許范圍內(nèi)，并且達(dá)到4：l哀減比(定值系統(tǒng)的最佳經(jīng)驗(yàn)值)的響應(yīng)曲線，那么只需要調(diào)整比例環(huán)節(jié)即可，由此可以確定出比例系數(shù)。(2)如果在比例調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)的靜態(tài)誤差還達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，則必須調(diào)整積分環(huán)節(jié)。積分常數(shù)在試湊時(shí)，先給一個(gè)較大值，并將上一步調(diào)整時(shí)獲得的比例系數(shù)略微減小，然后逐漸減小積分常數(shù)進(jìn)行試湊，并根據(jù)所獲得的響應(yīng)曲線進(jìn)一步調(diào)試比例系數(shù)和積分常數(shù)值，直到消除靜態(tài)誤差，并且保持良好的動(dòng)態(tài)性能為止。(3)如果使用比例積分環(huán)節(jié)雖然消除了靜態(tài)誤差，但系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能仍不能令人滿意，這時(shí)可調(diào)節(jié)微分環(huán)節(jié)。在試湊時(shí)，可先給一個(gè)很小的微分常數(shù)，以后逐漸增大，同時(shí)相應(yīng)地改變比例系數(shù)和積分常數(shù)，直到獲得滿意的效果為止。按照上述方法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)整定，得到本系統(tǒng)的最佳參數(shù)值為：K我們把采樣周期設(shè)定為T=1s.，在系統(tǒng)工作點(diǎn)分別處于50攝氏度、100攝氏度，控制器參數(shù)為K。=4．1，Z=攝氏度mm。啟動(dòng)系統(tǒng)，待系統(tǒng)狀態(tài)平穩(wěn)后再加入階躍干擾信號(hào)，干擾信號(hào)取控制電壓Au=0．5v。系統(tǒng)的控制結(jié)果為如下圖所示圖在r=50時(shí)PID時(shí)常規(guī)PID控制系統(tǒng)控制結(jié)果圖在r=100時(shí)常規(guī)PID控制系統(tǒng)控制結(jié)果5