計(jì)算機(jī)溫度控制

1、College of Materials Science and Engineering 實(shí)驗(yàn)名稱實(shí)驗(yàn)名稱College of Materials Science and Engineering 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)執(zhí)行器執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電路傳感器傳感器處理電路處理電路閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)被控對(duì)象被控對(duì)象計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)College of Materials Science and Engineering PID控制簡(jiǎn)介控制簡(jiǎn)介 PID控制（控制（PID調(diào)節(jié)器）：調(diào)節(jié)器）： 按偏差的比例（按偏差的比例（P-Proportional）、）、 積分（積分（I-Integ

2、ral）和）和 微分（微分（D-Derivative）線性組合進(jìn)行控制的方式。）線性組合進(jìn)行控制的方式。 PID控制器是連續(xù)控制系統(tǒng)中技術(shù)成熟 、應(yīng)用最為廣泛的控制器，在模擬控制系統(tǒng)中 ，最常用的控制規(guī)律是PID控制。當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象或不能通過有效的測(cè)量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合用PID控制技術(shù)。 1. 實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)原理College of Materials Science and Engineering PID是一種線性控制器，它根據(jù)給定值r(t)與實(shí)際輸出 y(t)構(gòu)成控制偏差。 e(t)=r(t)一y(t) 將偏差比例(P)、積分(I)和微分(D)通過一定的線性組合

3、構(gòu)成控制量 U(t)對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制。它的控制規(guī)律為： 1. 實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)原理College of Materials Science and Engineering 式中：KP 為比例系數(shù)；TI為積分時(shí)間常數(shù)；TD為微分時(shí)間常數(shù)。將上式進(jìn)行離散化處理，可得PID離散表達(dá)式：1. 實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)原理tDIpdttdeTdtteTteKtU0)()(1)()(College of Materials Science and Engineering 1. 實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)原理11TTKKpTTKKDpD式中： KP為比例系數(shù)，KI為積分系數(shù)，KD為微分系數(shù)，T為采樣周期， k為采樣序號(hào)，代表的是第k次

4、采樣。u(k)為第 k次采樣時(shí)刻的計(jì)算機(jī)輸出值；e(k)為第k次采樣時(shí)刻的輸入的偏差值；e(k-1)為第 k-1次采樣時(shí)刻的輸入的偏差值。 College of Materials Science and Engineering 1. 實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)原理 上式控制算法的輸出直接對(duì)應(yīng)于執(zhí)行結(jié)構(gòu)的位置（如閥門的開度等），所以稱之為數(shù)字PID位置型控制算法。在其它佷多情況下，如用步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的場(chǎng)合，要在其它佷多情況下，如用步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的場(chǎng)合，要求控制器輸出控制增量，為此對(duì)位置式算法進(jìn)行改進(jìn)，得到求控制器輸出控制增量，為此對(duì)位置式算法進(jìn)行改進(jìn)，得到增量式（兩個(gè)相鄰時(shí)刻輸出的絕對(duì)值之差）算

5、法：增量式（兩個(gè)相鄰時(shí)刻輸出的絕對(duì)值之差）算法：同理可得u(k-1)的表達(dá)式： College of Materials Science and Engineering 用u(k)減去u(k-1)，可得u的值：u=KPe(k)-e(k-1)+KI e(k)+KDe(k)-2e(k-1)+e(k-2)KPe(k)-e(k-1)是比例的貢獻(xiàn)，KI e(k)是積分的貢獻(xiàn)KDe(k)-2e(k-1)+e(k-2)是微分的貢獻(xiàn)。1. 實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)原理由此得出：如果確定了比例系數(shù)KP、積分系數(shù)KI、微分系數(shù)KD，使用前后3次測(cè)量值的偏差即可求出控制增量。College of Materials Scien

6、ce and Engineering 比例(P)、積分(I)、微分(D)控制算法各有作用：比例控制：誤差一旦產(chǎn)生，控制器立即就有控制作用，使被控制量朝比例控制：誤差一旦產(chǎn)生，控制器立即就有控制作用，使被控制量朝著減小誤差方向變化，控制作用的強(qiáng)弱取決于比例系數(shù)著減小誤差方向變化，控制作用的強(qiáng)弱取決于比例系數(shù)KP。比例控制。比例控制的缺點(diǎn)是對(duì)于具有自平衡性（即系統(tǒng)階躍響應(yīng)終值為一有限值）的被的缺點(diǎn)是對(duì)于具有自平衡性（即系統(tǒng)階躍響應(yīng)終值為一有限值）的被控對(duì)象存在靜差。加大控對(duì)象存在靜差。加大KP可減小靜差，但可減小靜差，但KP過大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致動(dòng)態(tài)性過大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致動(dòng)態(tài)性能變壞，甚至?xí)归]環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。能

7、變壞，甚至?xí)归]環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。積分控制：它能對(duì)誤差進(jìn)行記憶并積分，有利于消除靜差。但它的不積分控制：它能對(duì)誤差進(jìn)行記憶并積分，有利于消除靜差。但它的不足之處在于積分作用具有滯后特性，積分控制作用太強(qiáng)會(huì)使控制的動(dòng)足之處在于積分作用具有滯后特性，積分控制作用太強(qiáng)會(huì)使控制的動(dòng)態(tài)性能變差，以至于使系統(tǒng)不穩(wěn)定。態(tài)性能變差，以至于使系統(tǒng)不穩(wěn)定。微分控制：它能對(duì)誤差進(jìn)行微分，誤差的變化趨勢(shì)，增大微分控制作微分控制：它能對(duì)誤差進(jìn)行微分，誤差的變化趨勢(shì)，增大微分控制作用可加快系統(tǒng)響應(yīng)，使超調(diào)量減少，增加系統(tǒng)穩(wěn)定性。它的缺點(diǎn)是對(duì)用可加快系統(tǒng)響應(yīng)，使超調(diào)量減少，增加系統(tǒng)穩(wěn)定性。它的缺點(diǎn)是對(duì)干擾同樣敏感，使系統(tǒng)抑制干

8、擾能力降低。干擾同樣敏感，使系統(tǒng)抑制干擾能力降低。1. 實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)原理College of Materials Science and Engineering 1. 實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)原理溫度源 K型熱電偶計(jì)算機(jī)控制方法計(jì)算機(jī)控制方法PID控制繼電器輸出采 集模 塊1.1實(shí)驗(yàn)原理框圖實(shí)驗(yàn)原理框圖 圖1. PID控制系統(tǒng)的原理框圖 College of Materials Science and Engineering 1. 實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)原理 溫度源把溫度信號(hào)轉(zhuǎn)成電信號(hào)，采集模塊將采集到的模擬量放大并轉(zhuǎn)化成數(shù)字量與上位機(jī)（計(jì)算機(jī)）通過485接口通訊，上位機(jī)發(fā)出相應(yīng)的指令控制反饋模塊對(duì)輸入量進(jìn)行實(shí)時(shí)控

9、制。這樣就構(gòu)成了一個(gè)計(jì)算機(jī)溫度控制系統(tǒng)。1.2實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)原理College of Materials Science and Engineering 2、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)?zāi)康?. 實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶?shí)驗(yàn)?zāi)康腃ollege of Materials Science and Engineering 3. 實(shí)驗(yàn)儀器實(shí)驗(yàn)儀器 K型熱電偶 計(jì)算機(jī) RS232/RS485轉(zhuǎn)接頭、HL340（USB to RS232） 綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)、溫度控制儀、溫度源 導(dǎo)線若干3、實(shí)驗(yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)儀器College of Materials Science and Engineering 4. 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟4. 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

10、與步驟實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟College of Materials Science and Engineering 4. 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟1、將YL系列溫度測(cè)量控制儀的“加熱方式”、 “冷卻方式”均撥至“外控方式”，“加熱手動(dòng)調(diào)節(jié)”逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)至最左端且關(guān)斷。此時(shí)可選用K型熱電偶，插在控制儀上方的測(cè)溫孔中，另外兩端的傳感器輸出線分別對(duì)應(yīng)接至控制儀面板的傳感器（+）和（）端，選擇開關(guān)撥至“熱電偶”，同時(shí)將面板中標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出Vo用實(shí)驗(yàn)線接至主控箱面板的多功能數(shù)據(jù)采集控制器的A/D輸入端（8個(gè)通道可任選），例如接第0通道。 College of Materials Science and Eng

11、ineering 4. 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟College of Materials Science and Engineering 2、用實(shí)驗(yàn)線連接主控箱的D/A第0通道（4個(gè)通道可任選）至YL系列溫度控制儀的加熱控制輸入端，溫度源電源線插入YL系列溫度控制儀對(duì)應(yīng)插孔中。4. 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟College of Materials Science and Engineering 4. 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟3、用實(shí)驗(yàn)線連接主控箱的DO第0通道（4個(gè)通道可任選）至溫度源的冷卻控制輸入端，風(fēng)機(jī)電源由主控箱左下方“+2-+24V”引入，電源調(diào)整旋鈕旋至中間位置。Coll

12、ege of Materials Science and Engineering 4. 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟4、如下圖連接好“RS485-RS232轉(zhuǎn)接頭”以及HL340（藍(lán)色），HL340的USB一端接電腦左側(cè)靠上的USB接口（接下面的一個(gè)USB接口軟件有可能會(huì)報(bào)錯(cuò)）。College of Materials Science and Engineering 4. 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟 5、此時(shí)在“我的電腦-F盤”中找到名為【19實(shí)驗(yàn)二十（串口）溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)】的文件夾（大多數(shù)電腦路徑為：“F：虛擬儀器擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)VI19實(shí)驗(yàn)二十（串口）溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)”）。打開后綴名為vi

13、的文件。設(shè)置好“比例系數(shù)”、“積分時(shí)間”、“微分時(shí)間”參數(shù)值（參考值5、1、1，具體根據(jù)曲線自行調(diào)節(jié)），設(shè)置“溫度設(shè)定值”（先50，后80，不要設(shè)置過高溫度，以免燒壞儀器）?！局匾吭谕ㄓ嵲O(shè)置中選好“串口通道”，否則軟件會(huì)死機(jī)。College of Materials Science and Engineering 4. 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟6、【重要】連好線后給老師檢查。College of Materials Science and Engineering 4. 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟7、老師檢查通過后，依次開啟各部分開關(guān)，如下圖所示順序。其中溫度源的開關(guān)打開后，燈不一定會(huì)亮

14、。務(wù)必保證最后一幅圖中電源合上，即“T/R”燈亮，這樣計(jì)算機(jī)才能和實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行正常通訊。College of Materials Science and Engineering 4. 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟College of Materials Science and Engineering 8、連好線、設(shè)置好軟件參數(shù)后，點(diǎn)擊軟件窗口左上角的向右箭頭，再點(diǎn)擊窗口中部的綠色開始實(shí)驗(yàn)按鈕（亮綠色為開始），即可開始實(shí)驗(yàn)。4. 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟College of Materials Science and Engineering 4. 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟College o

15、f Materials Science and Engineering 9、將目標(biāo)溫度設(shè)為、將目標(biāo)溫度設(shè)為50攝氏度。根據(jù)控制規(guī)律可設(shè)攝氏度。根據(jù)控制規(guī)律可設(shè)置不同的置不同的P、I、D參數(shù)，以達(dá)到最佳的控制效果。參數(shù)，以達(dá)到最佳的控制效果。進(jìn)入恒溫過程時(shí)溫度偏差在正負(fù)進(jìn)入恒溫過程時(shí)溫度偏差在正負(fù)1攝氏度以內(nèi)，即攝氏度以內(nèi)，即當(dāng)前溫度曲線（紅色）和設(shè)定溫度曲線（綠色）基當(dāng)前溫度曲線（紅色）和設(shè)定溫度曲線（綠色）基本保持一致時(shí)可舉手給老師檢查。待通過老師檢查本保持一致時(shí)可舉手給老師檢查。待通過老師檢查后，保存曲線截圖（文件后，保存曲線截圖（文件-打印，生成圖像文件后需打印，生成圖像文件后需裁剪）和

16、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并記錄下三個(gè)系數(shù)。裁剪）和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并記錄下三個(gè)系數(shù)。4. 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟College of Materials Science and Engineering 10、將目標(biāo)溫度改為80攝氏度，重復(fù)實(shí)驗(yàn)。曲線截圖打印后貼于實(shí)驗(yàn)報(bào)告上。 系數(shù)溫度比 例積 分微 分50804. 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟College of Materials Science and Engineering 5. 注意事項(xiàng)與思考題注意事項(xiàng)與思考題1.在通電之前，必須檢查各器件間連線并保證溫度 源的電源是斷開的。2.實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，確保溫度源斷電，以免溫度源長(zhǎng)時(shí) 間工作導(dǎo)致溫度過高。3.連接導(dǎo)線時(shí)應(yīng)關(guān)閉電源，以防觸電。1) 注意事項(xiàng)注意事項(xiàng)College of Materials Science and Engineering