水箱溫度測控的設(shè)計與實現(xiàn)-畢業(yè)論文

水箱溫度測控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)南 陽 理 工 學 院 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計（論文） 水箱溫度測控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)學 院（系）： 機電工程系 專 業(yè)： 測控技術(shù)與儀器 學 生 姓 名： 劉工廠 學 號： 29106029 指 導 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 南陽理工學院 Nanyang Institute of Technology水箱溫度測控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)測控技術(shù)與儀器專業(yè) 劉工廠摘 要論文采用對被控對象單容水箱建立了仿真模型，用對labview的擬控制系統(tǒng)其設(shè)計了水箱對象模型及常規(guī)PID控制系統(tǒng)。在該系統(tǒng)設(shè)計中，論文就常規(guī)PID控制器的設(shè)計作了詳細敘述，并對其進行參數(shù)整定得到了最佳PID參數(shù)，在100時仿真實驗獲得階躍響應曲線。然后對單容溫度對象設(shè)計了PID控制系統(tǒng)。然后提出了系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，對系統(tǒng)控制原理進行了分析，詳細敘述了如何設(shè)計對水箱溫度的控制。本文探討對水箱溫度控制系統(tǒng)的PID控制在虛擬儀器開發(fā)軟件LabVIEW中的實現(xiàn)方法，并將其應用于水箱溫度的控制，并對其實現(xiàn)性做了分析，仿真結(jié)果表明控制系統(tǒng)具有良好的動、靜態(tài)控制效果，系統(tǒng)是可以實現(xiàn)的。關(guān)鍵詞: LabVIEW 水箱對象模型 PID 溫度控制系統(tǒng) Tank Temperature Control System Design and ImplementationMeasurement 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 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 thesis 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 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 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.目錄1.1 課題背景51.2水箱溫度控制研究的現(xiàn)狀61.3 本設(shè)計的技術(shù)要求61.4課題的意義及本論文的主要內(nèi)容71.4.1課題的意義7142本論文的主要內(nèi)容71.5課題的總體方案82 水箱溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計82系統(tǒng)硬件設(shè)計82.1溫度檢測電路92.2 傳感器的選擇類型102.1.2加熱器的選擇123 水箱溫度軟件系統(tǒng)設(shè)計133.1 虛擬儀器的概念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 水箱對象模擬183.4水箱的對象裝置183.5水箱對象的數(shù)據(jù)采集194.1控制系統(tǒng)的工作原理204.2 PID控制器的設(shè)計214.2.1數(shù)字PID算法214.2.2增量式PID控制算式224.3水箱溫度的PID控制系統(tǒng)的LV實現(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28致謝29結(jié)束語25參考文獻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反應過程都與溫度密切相關(guān)，因此溫度控制是生產(chǎn)自動化的重要任務。對于不同生產(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、機械制造、糧食儲存、酒類生產(chǎn)等領(lǐng)域內(nèi)，溫度常常是表征對象和過程狀態(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80年代中后期水平。12水箱溫度控制研究的現(xiàn)狀隨著單片機技術(shù)的飛速發(fā)展，基于單片機的溫度測控系統(tǒng)在檢測和控制系統(tǒng)中的應用也越來越廣泛。本文設(shè)計了一種基于PID算法的溫度測控系統(tǒng)，并在水箱上加以應用，從而實現(xiàn)對水箱的溫度進行實時精確測量、自動檢測和控制，有效的提高了控制系統(tǒng)的實時性和控制精度，大大改善了水箱溫度控制的自動化程度，具有較高的實用價值。 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， 因此已不能適應現(xiàn)代化監(jiān)測系統(tǒng)的要求。隨著計算機技術(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)充分利用計算機的強大運算處理功能，突破傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)處理、顯示、傳輸、存儲等方面的限制通過交互式圖形界面實現(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)建一個測溫系統(tǒng)，且外圍電路簡單，易于實現(xiàn)，便于系統(tǒng)硬件維護、功能擴展和軟件升級口。1.3 本設(shè)計的技術(shù)要求 （1）測控系統(tǒng)應能對水箱溫度進行采集、計算、控制、存儲、顯示檢測和打印輸出。 （2）可對溫度測試值進行實時顯示監(jiān)測，使用者可清晰知道所有瞬時參數(shù)及累計參數(shù)，應可隨時進行查詢和報表打印。 （3）當受到干擾時能進行PID調(diào)節(jié)。 （4）人機交互界面友好、快捷，具有報警功能。 （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1.4.1課題的意義在鋼鐵、機械、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。隨著自動化水平的不斷提高和對產(chǎn)品質(zhì)量要求的不斷提高，對溫度的測控精度、響應速度、系統(tǒng)穩(wěn)定性以及適應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、價格低等特點，在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應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電路，對于工業(yè)生產(chǎn)和科學研究非常重要。在溫度控制方面，由于控制對象越來越復雜，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。隨著科學技術(shù)的發(fā)展PID控制技術(shù)在虛擬儀器中的應用更能解決這些問題。142本論文的主要內(nèi)容本文在充分研究溫度控制的特點與控制方法的基礎(chǔ)上，設(shè)計了基于LabVIEW的PID控制器，用于單容水箱溫度對象的控制，采用仿真法顯示試驗結(jié)果，采用比較法證實應用該法進行控制的優(yōu)勢。1.5課題的總體方案本課題設(shè)計的水箱流量的系統(tǒng)主要有單容水箱，NI-6009數(shù)據(jù)采集卡，流量計，液體流動閥門以及采用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)境下實現(xiàn)pid控制的設(shè)計的。如下是對本課題的設(shè)計總體步驟：第一步：對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)計單容水箱并傳感器和閥門組裝在一起。第三步：進行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：進行結(jié)果分析 第二章 水箱溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計 2.1總體方案設(shè)計本系統(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、信號的處理部分、信號的采集、溫度的監(jiān)控組成，由溫度傳感器實現(xiàn)溫度的測量，將測得的溫度信號送給數(shù)據(jù)采集卡對溫度進行采集，以便實現(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，溫度傳感器將水箱的溫度變化轉(zhuǎn)換成電流變化，然后通過信號處理電路將電流信號轉(zhuǎn)變?yōu)椴杉ㄌ幚淼碾妷盒盘?。然后將?shù)據(jù)送給計算機 ，并通過計算機運行的LabVIEW的程序來分析處理輸入數(shù)據(jù)，同時，根據(jù)采樣輸入信號，利用LabVIEW中的PID控制算法 ，求出系統(tǒng)輸出信號的大小， 再將輸出信號傳輸至外部，此時輸出的是數(shù)字信號，還需要對數(shù)字信號進行一次轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成模擬信號，本系統(tǒng)通過D/A轉(zhuǎn)換電路實現(xiàn)模/數(shù)轉(zhuǎn)換。經(jīng)過模/數(shù)轉(zhuǎn)換后的信號送給后續(xù)統(tǒng)執(zhí)行裝置，執(zhí)行裝置根據(jù)信號發(fā)生動作以實現(xiàn)溫度控制，這樣便形成了閉環(huán)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)集計算機、 強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算機為基礎(chǔ)的測量及控制方案，構(gòu)建出滿足需要的系統(tǒng) ，具有很好的實用性和可操作性，有很好的應用前景。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，它將溫度信號轉(zhuǎn)換成電勢（mV）信號，配以測量信號的儀表或變換器，便可以實現(xiàn)溫度的測量和溫度信號轉(zhuǎn)換。熱電偶溫度計由于測溫范圍寬，它在工程實際中的應用非常廣泛。熱電偶溫度計能用來測量點的溫度和壁面溫度，也能用來進行動態(tài)溫度測量。從1K到3000K的溫區(qū)，都可選擇不同型號的熱電偶溫度計實現(xiàn)溫度測量。電壓放大電路：采用的K型熱電偶，其輸出的熱電勢非常小，每1C約為0.04mV，因此，為了將其轉(zhuǎn)換為A/D的輸入信號，必須進行放大，采用高靈敏度、高增益、低漂移的集成運算放大器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2.2.1 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處理成相應的電信號。所以需要把溫度轉(zhuǎn)換為電信號的轉(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，且動態(tài)相應好，輸出直接為電壓信號，可以傳送便于集中檢測和控制等特點。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-401800C度范圍的液體、蒸汽介質(zhì)以及固體的表面溫度。2.2.2 熱電偶的溫度測量原理 熱電偶是目前溫度測量中應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。如圖（2-3）所示：圖 2-3 熱電偶的組成把兩種不同的導體或半導體材料AB連接好形成閉合回路，將他們的兩個極端分別置于溫度為和 ()的熱源中，則回路中就產(chǎn)生熱電動勢(簡稱熱電勢)，可用 (,)表示，這種現(xiàn)象稱為熱電效應.我們把這兩種不同材料的導體或半導體的組合稱為熱電偶。A和B稱為熱電極，溫度高的極點稱為熱端(或工作端)，溫度低的極點稱為冷端或自由端。如圖2-3所示的熱電偶產(chǎn)生的熱電勢由兩種導體的接觸電動勢和單一導體的溫差電動勢構(gòu)成。 (一) 接觸電動勢：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，當兩種不同的金屬導體接觸時，在接觸面上因自由電子密度不同而發(fā)生電子擴散，電子擴散的速率與導體的電子密度有關(guān)，并且和接觸點的溫度成正比。設(shè)導體A和B的自由電子密度分別為和，且有，則在接觸面上由A擴散到B的自由電子將必然比由B擴散到A的電子數(shù)多。因此，導體A失電子而帶正電荷，導體B因得到電子而帶負電荷，在A和B的接觸面上便形成了一個A到B的靜電場。如下圖2-4所示： +A + +- B-圖 2-4 接觸電動勢這個電場組，阻礙了電子的繼續(xù)擴展，當達到平衡時，在接觸區(qū)形成一個穩(wěn)定的電位差，即接觸電動勢其大小可表達為： （3-1）式中：K波耳茲曼常數(shù)，K = 1.38 X ；T接觸點的熱力學溫度；、導體A、B中的自由電子密度； e電子電荷量。(二) 溫差電動勢：在單一導體中，如果兩端溫度不同，兩端間會產(chǎn)生電勢，即單一導體的溫差電勢。這時高溫端帶正電荷，低溫端因為得電子而帶負電荷，從而形成一個靜電場，如圖（2-5）所示:+ -+ Q A -+ -+ -圖 2-5 溫差電動勢該電場阻礙電子的繼續(xù)擴散，當達到動態(tài)平衡時，導體的兩端便產(chǎn)生一個相應的電位差該電位差稱為溫差電勢。溫差電勢的大小可表示為: （3-2）式中：湯姆遜系數(shù)，其含義的單一導體兩端溫度差為1C時所產(chǎn)生的溫差電動勢。(三) 熱電偶回路電動勢：對于由A、B組成的熱電偶閉合回路，當且閉合回路的熱電動勢為： (3-3)其中：為熱端電動勢，為冷端電動勢。由此可知：只有當熱電偶的兩個電極材料不同，且兩接點的溫度也不同時，才會產(chǎn)生電動勢。當熱電偶的兩個不同的電極材料確定后，熱電動勢變與兩個接點溫度和有關(guān)。既回路的熱電動勢是兩個接點的溫度函數(shù)之差：當自由端固定不變時，為常數(shù)。由此可見，熱電動勢和工作端溫度是單值函數(shù)關(guān)系。由此制訂出標準熱電偶分度表，該表是將自由端溫度保持為0C，通過實驗建立起來的熱電動勢與溫度之間的數(shù)值關(guān)系。這為工程中熱電偶應用帶來了極大的方便。2.3 熱電偶的選擇常用標準化熱電偶的特點如下：1 鉑銠鉑熱電偶，性能穩(wěn)定，準確度高，可用做基準和標準熱電偶。熱電動勢比較低，價格昂貴，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)定性和機械強度，最高測溫可達1800C，室溫下熱電動勢較低，可作為標準熱電偶，一般情況下不需要進行補償和修正處理。由于其熱電動勢較低，需采用高靈敏度高精度的儀表。3 鎳鉻鎳硅或鎳鉻鎳鉛熱電偶，熱電動勢較高，熱電特性具有較好線性，良好的化學穩(wěn)定性，具有較強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，熱電動勢較高，電阻率小，適合于還原性和中性環(huán)境下測量，價格便宜，測量上限溫度不高。5 鎳鉻康銅熱電偶，熱電動勢較低，價格便宜。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900C以下溫度，短期可測量1200C。其回復性較好，產(chǎn)生熱電勢較大，線性好，價格便宜。但他在還原性介質(zhì)中易被腐蝕，能測500C下的溫度，且測量精度較高，并且完全能滿足工業(yè)要求，是工業(yè)中最常用的一種熱電偶。經(jīng)綜合考慮K型熱電偶的測溫范圍、測溫精度、測溫特性及價格，本文研制的溫度采集系統(tǒng)選擇使用K型熱電偶作為溫度傳感器。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.24.0。正極（KP）的名義化學成分為：Ni：Cr=92：12，負極（KN）的名義化學成分為：Ni：Si=99：3，其使用溫度為-2001300。 K型熱電偶具有線性度好，熱電動勢較大，靈敏度高，穩(wěn)定性和均勻性較好，抗氧化性能強，價格便宜等優(yōu)點，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現(xiàn)對水箱溫度的控制我們需要選擇一個加熱器我們選用鉑熱電阻進行加熱。我們通過PID控制通過WZP系列薄膜鉑熱電阻來對水箱進行加熱。下面是熱電阻的技術(shù)指標：熱電阻感溫元件在0C時的電阻值(Ro)分度號Ptl00 B級R0：100012Q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-79C范圍內(nèi) Rt=ROrl+At+Bt2+C(t-100*C)t3 在O600C范圍內(nèi)：Rt=R0(1+At+Bt2) Rt為r C時熱電阻的電阻值() 式中的R0為0*C時熱電阻的電阻值() 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不大于03C。熱響應時間 當被測介質(zhì)(一定溫度和規(guī)定流速的水)溫度出現(xiàn)階躍變化時，熱電阻的電阻值變化至相當于該階躍變化的50所需的時間，用l。s表示。具體數(shù)值參見型號規(guī)格表。公稱壓力 系指在室溫下保護管所承受的靜態(tài)外壓而不破損，測溫性能不受其影響。絕緣電阻 當周圍空氣溫度1535C和相對溫度不大于80時，熱電阻感溫元件和保護管之間以及雙支感溫元件之間的絕緣電阻，應不小于100M(電壓10100V)。最小可置入深度一般應不小于其保護管外徑的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(Virtual Instruments，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，該公司還同時推出了另一種功能和應用環(huán)境不同的虛擬軟件LabWindowsll6-zq。使用LabVIEW開發(fā)平臺編制的程序稱為虛擬儀器程序，簡稱為vI程序或vI。vI程序包括三個部分：程序前面板、框圖程序和圖標連接器。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31是一個能同時顯示兩參數(shù)的vI前面板程序。圖3-1兩參數(shù)同時顯示VI前面板程序每一個程序前面板都對應著一段框圖程序?？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、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)點被用柬實現(xiàn)函數(shù)和功能調(diào)用，圖框被用來實現(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)流動方向。上述兩參數(shù)顯示程序的框圖程序如下圖32所示。 圖3-2兩參數(shù)同時顯示VI框圖程序圖標連接器是子vI被其它vI調(diào)用的接口。圈標是子vI在其他程序框圖中被調(diào)用的節(jié)點表現(xiàn)形式；而連接器則表示節(jié)點數(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應。3.2 LABVIEW的操作模板LabVIEW具有多個圖形化的操作模扳，用于創(chuàng)建和運行程序。這些操作模板可以隨意在屏幕上移動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。3.2.1 工具模板(TooIs PaIette)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。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象和框圖對象。3.2.2 控制模板（Controls Palette）用控制模板可以給前面板添加輸入控制和輸出顯示。每個圖標代表一個子模板?？刂颇０迦鐖D3-4所示，它包括下面幾個子模板。 圖3-4 控制模板3.2.3 功能模板（Functions Palette）功能模板是創(chuàng)建框圖程序的工具。該模板上的每一個頂層圖標都表示一個子模板。功能模板如下圖3-5所示。圖3-5功能模板3.3 水箱對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)定值從而達到控制。虛擬儀器的硬件可以完成信號的采集，信號的放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)換等，所以硬件設(shè)計是整個水箱溫度控制系統(tǒng)得以順利運行的保障，只有保證所采集溫度信號的正確，才能確保對后來數(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，從而使整個水箱溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計具有實際的應用價值。3.4水箱的對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3.6所示。水箱對象裝置內(nèi)流動的液體(純凈水)存儲在水箱中，水箱內(nèi)的水由泵抽出經(jīng)自動閥門2注入水柱，再經(jīng)出水閥門1流回水箱形成循環(huán)。通過電動閥門2(控制閥門)可以調(diào)節(jié)進水量g。，通過閥門1可以手動調(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，這是一個典型的有自平衡能力的流量對象。3.6圖單容水箱下圖是水箱的溫度控制的硬件圖形，如圖3.7所示： 圖3.7水箱硬件裝3.5水箱對象的數(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78。我們可以通過編程操作數(shù)據(jù)采集卡，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。本文中采用VC+60來完成編碼914。 l、VC+60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，因此在正式編程之前，首先需要把PCI2006LIB、PCI2006h添加到項目中。采用面向?qū)ο蠡幊?，為?shù)據(jù)采集卡建立一個IOPort類，將數(shù)據(jù)采集功能全部封裝在類中。2、精確地定時器實現(xiàn)VC+60中提供了以下幾種可供選擇的定時方式：(1)WM TIMER消息映射能進行簡單的時間控制。這種定時方法非常簡單，可以實現(xiàn)一定的定時功能，但精度非常低。(2)利用GetTickCount（）函數(shù)實現(xiàn)定時。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時程序中。(3)多媒體定時器函數(shù)DWORD timeGetTime(void)，該函數(shù)定時精度為ms級，返回從Windows啟動開始經(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)實現(xiàn)定時。其定時誤差不超過1微秒，精度與CPU等機器配置有關(guān)，在精度要求非常高的情況下使用。3.6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)與實際輸出值y(t)進行比較，形成偏差：e(t)=r(t)-y(t),再對偏差e(t)進行比例（P）、積分（I）、微分(D)運算，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3.8圖所示。 圖 3.8 水箱溫度的PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方塊圖3.6.1 PID控制器的設(shè)計常規(guī)PID控制器是由比例、積分、微分三種數(shù)學運算組合而成的運算器，它們稱為控制器的控制規(guī)律。PID控制器的輸入輸出信號關(guān)系式為（1）對應的傳遞函數(shù)為：（2）式中的kp是比例系數(shù)；Ti是積分時間常數(shù)；Td是微分時間常數(shù)；u(t)是為控制輸出。3.6.2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)采樣時刻的偏差值計算控制量，因此式(1)中的積分和微分項不能準確計算，只能用數(shù)值計算的方法逼近，稱為數(shù)字PID控制算式數(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。3.6.2.1位置式PID控制算式在采樣時刻t kT(T為采樣周期)，為了便于計算機實現(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；e(n一1)，e( )分別為第( 一1)，( )個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表達式：（5）如果采樣周期T取的足夠小，這種逼近相當準確，缺點是由于全量輸出，所以每次輸出均與過去的狀態(tài)有關(guān)，計算時要對e(足)進行累加，計算機運算工作量大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，由于一般計算機控制系統(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改進，卻有許多優(yōu)點：誤動作時影響?。皇謩幼詣忧袚Q時沖擊小，便于無擾動切換；算式中不需要累加但是增量式控制也有不足之處，積分截斷效應大，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算法來實現(xiàn)對水箱流量系統(tǒng)的控制。如圖3.9就是在LABVIEW中實現(xiàn)的PID控制程序：圖3.9水箱溫度PID控制程序框圖3.7水箱溫度的PID控制系統(tǒng)的LV實現(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、記錄及程序運行控制等部分。水箱溫度PID控制系統(tǒng)LV程序圖3.10所示圖3.10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3.11水箱溫度的PID控制系統(tǒng)LV前面板3.8 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)直接影響到整個系統(tǒng)的控制性能，因此，確定一組較準確的參數(shù)值是一項至關(guān)重要的工作。參數(shù)整定通常有兩種方法，即理論設(shè)計法和試驗確定法。前者需要被控對象的精確模型，然后采用最優(yōu)化的方法確定PID的各參數(shù)。被控對象的模型可以通過物理建?；蛳到y(tǒng)辨識等方法得到，但這樣通常只能得到近似的模型。通過試驗確定法(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)運行系統(tǒng)來觀察系統(tǒng)的響應曲線，然后根據(jù)各控制參數(shù)對系統(tǒng)響應的大致影響來改變參數(shù)，反復試湊，直至逼近最優(yōu)值。在考慮了以上參數(shù)對控制過程的影響后，試湊時，可按先比例一后積分一再微分的順序反復調(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)所對應的響應，直到得到響應快、超調(diào)量小的響應曲線為止。如果這時系統(tǒng)的靜態(tài)誤差己在允許范圍內(nèi)，并且達到4：l哀減比(定值系統(tǒng)的最佳經(jīng)驗值)的響應曲線，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)誤差還達不到設(shè)計要求，則必須調(diào)整積分環(huán)節(jié)。積分常數(shù)在試湊時，先給一個較大值，并將上一步調(diào)整時獲得的比例系數(shù)略微減小，然后逐漸減小積分常數(shù)進行試湊，并根據(jù)所獲得的響應曲線進一步調(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)的動態(tài)性能仍不能令人滿意，這時可調(diào)節(jié)微分環(huán)節(jié)。在試湊時，可先給一個很小的微分常數(shù)，以后逐漸增大，同時相應地改變比例系數(shù)和積分常數(shù)，直到獲得滿意的效果為止。按照上述方法對系統(tǒng)進行參數(shù)整定，得到本系統(tǒng)的最佳參數(shù)值為：Kp=4.5;Ti=19;Td=0.9我們把采樣周期設(shè)定為T=1s.，在系統(tǒng)工作點分別處于50攝氏度、100攝氏度，控制器參數(shù)為K。=41，Z=攝氏度mm。啟動系統(tǒng)，待系統(tǒng)狀態(tài)平穩(wěn)后再加入階躍干擾信號，干擾信號取控制電壓Au=05v。系統(tǒng)的控制結(jié)果為如下圖3.12和3.13所示 圖3.12在r=50時PID時常規(guī)PID控制系統(tǒng)控制結(jié)果圖3.13在r=100時常規(guī)PID控制系統(tǒng)控制結(jié)果5.結(jié)束語這次基于虛擬儀器LABVIEW的水箱溫度系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)，是在LABVIEW的環(huán)境下