1、基于LabVIEW的溫度控制系統設計作 者 姓 名 韓婷婷 專 業 測控技術與儀器 指導教師姓名 郭俊美 專業技術職務 講師 目 錄摘 要1第一章 引言211 課題研究的背景與意義212 國內外研究現狀213 設計方案414 本課題的工作內容415 本文的結構安排4第二章 虛擬儀器與LabVIEW介紹521 虛擬儀器的概述5211 虛擬儀器的概念5212 虛擬儀器的特點5213 虛擬儀器的硬件系統5214 虛擬儀器的軟件系統622 LABVIEW開發環境7221 LABVIEW的開發環境7221 LABVIEW編程語言7223 LABVIEW編程語言特點8第三章 系統硬件部分設計831 系統硬

2、件整體設計831 K型熱電偶溫度傳感器9311 溫度傳感器的發展概況9312 K型熱電偶概述932 多路數據采集控制器1033 計算機1034 溫度調節模塊10第四章 基于LabVIEW的控制程序設計1041 系統軟件整體設計1042 模數轉換模塊1142 PID控制模塊13421 PID控制簡介13422 數字PID控制器13423 數字PID控制器各環節作用16424 數字PID控制器的參數整定16445 PID模塊的設計1743 數模轉換模塊1944 輸出控制模塊2145 創建波形顯示模塊2645溫度控制系統整體設計圖27第五章 溫度控制系統的分析與測試2851 測試步驟2852 測試結

3、果圖29第六章 結論29致 謝31參考文獻32摘 要溫度是表征物體冷熱的物理量。通過軟、硬件的有機結合，以硬件為基礎，運用開發軟件LabVIEW對各功能模塊進行編寫完成本次設計。通過K型熱電偶將溫度信號轉化為電壓信號，再由A/D模塊轉化為數字量，在PC機上由LabVIEW完成PID控制，再經過D/A輸出對被控量加熱，經過數字量開關通道DO輸出對被控量冷卻（以啟動風機的方式冷卻），實現對溫度的智能控制。關鍵詞:LabVIEW 溫度傳感器 PID控制ABSTRACTTemperature is the degree of physical quantity . Its measurement an

4、d controlment have a huge important effert on the peoples daily life , industrial production , agricultural production and weather forecast and many other sides . This design mainly use the LabVIEW 8.6 to design a temperature control system which can be used to regulate the temperature of the temper

5、ature chambers ,using the instrument of YL500 based on LabVIEW innovtion type measuring and control technology test box and Sensor measure test-bed to test . Combining software with hardware ,based on haedware and using software as LabVIEW programing which can achieve the function of the module in t

6、his design . Using K type therelectric couple invert temperature signal to voltage signal , then using A/D transfer turn analog signal to digital signal . Using the PC which has the software of LabVIEW accomplish PID control . The signal which has been delt can lead the command variable to be heated

7、 up which is exput by D/A and can lead it to be cooled down (with the method of started up fan) .Finally make the intelligent temperature control ture .Key words:LabVIEW ;temperature sensor ;PIDcontrol第一章 引言11 課題研究的背景與意義隨著計算機技術的飛速發展,虛擬儀器的概念逐步為工業界和學術界所知，經過20多年的技術進步與發展，已成為21世紀測試技術發展的一個重要方向，并在研究、制造和開發等

8、眾多領域得到廣泛應用。采用虛擬儀器技術構建測試儀器，開發效率高，可維護性強，測試精度、穩定 性和可靠性能夠得到充分保證，具有很高的性價比，節省投資，便于設備更新和功能的轉換與補充。因此，虛擬儀器在產品性能測試，設備故障診斷、生產過程控制中得到普遍的應用，其研究的意義非常重要。LabVIEW作為虛擬儀器概念的首創者，自1986念問世以來，已經成為虛擬儀器軟件開發平臺事實上的工業標準，在研究、制造和開發的眾多領域得到廣泛應用。現代社會是一個自動化程度高度集中的時代，我們的日常生活、生產不開各種各樣形形色色的機器，溫度是影響機器運轉的一個很重要的參數，它影響著各種儀器的使用，它的測量與控制對人類日常

9、生活、工業生產、農業生產、氣象預報等都起著極其重要的作用。在許多場合，及時獲得目標的溫度信息是十分重要的。近年來，溫度控制領域發展迅速，并且隨著數字技術的發展，智能化已是現代溫度控制系統發展的主流方向，現在溫度控制智能化正處于起步階段，所以，設計一個溫度控制系統具有廣泛的應用價值與實際意義。溫度控制系統通常采用單片機控制，該技術得到了廣泛的應用，但是它的編程極其復雜，控制不穩定，控制精度不高，而利用虛擬儀器開發和設計的溫度控制系統，采用普通PC機為主機，利用圖形化可視軟件LabVIEW為軟件開發平臺，成本低，使用方便、靈活，編程更加簡單，大大縮短了工程人員的編程時間，大大提高了編程的準確度與可

10、靠性。12 國內外研究現狀溫度控制技術按照控制目標的不同可分為兩類：動態溫度跟蹤與恒值溫度控制。動態溫度跟蹤實現的控制目標是使被控對象的溫度值按預先設定好的曲線進行變化。在工業生產中很多場合需要實現這一控制目標，如在發酵過程控制，化工生產中的化學反應溫度控制，冶金工廠中燃燒爐中的溫度控制等。恒值溫度控制的目的是使被控對象的溫度恒定在某一數值上，且要求其波動幅度（即穩態誤差）不能超過某一給定值。從工業溫度控制器的發展過程來看，溫度控制技術大致可分以下幾種：1、定制開關溫度控制法所謂定值開關控溫法，就是通過硬件電路或軟件計算判別當前溫度值與設定目標溫度值之間的關系，進而對系統加熱源（或冷卻裝置）進

11、行通斷控制。若當前溫度值比設定溫度值高，則關斷加熱器，或者開動制冷裝置；若當前溫度值比設定溫度值低，則開啟加熱器并同時關斷制冷器。這種開關控溫方法比較簡單，在沒有計算機參與的情況下，用很簡單的模擬電路就能夠實現。目前，采用這種控制方法的溫度控制器在我國許多工廠的老式工業電爐中仍被使用。由于這種控制方式是當系統溫度上升至設定點時關斷電源，當系統溫度下降至設定點時開通電源，因而無法克服溫度變化過程的滯后性，致使系統溫度波動較大，控制精度低，完全不適用于高精度的溫度控制。2、PID線性溫度控制法1922年美國的Minorsky在對船舶自動導航的研究中，提出了基于輸出反饋的比例積分微分（PID，Pro

12、portional Integral Differential）控制器的設計方法1，標志了PID控制的誕生。由于PID控制算法簡單、可靠性高等特點，在控制技術高速發展的今天，它在工業過程控制中仍然占有主導地位。由于PID調節器模型中考慮了系統的誤差，誤差變化及誤差積累三個因素，因此，其控制性能大大地優越于定值開關控溫法。其具體電路可以采用模擬電路或計算機軟件方法來實現PID調節功能。前者稱為模擬PID調節器，后者稱為數字PID調節器。其中數字PID節器的參數可以在現場實現在線整定，因此具有較大的靈活性，可以得到較好的控制效果。采用這種方法實現的溫度控制器，其控制品質的好壞主要取決于三個PID參

13、數（即比例值、積分值、微分值）。只要PID參數選取的正確，對于一個確定的受控系統來說，其控制精度是比較令人滿意的。它對大多數工業控制對象都能達到較好的控制效果，但它有明顯的缺點，比如依賴于對象模型，對于非線性、大滯后、時變系統控制效果不理想等。而且隨著生產的發展，對控制的實時性與精度要求越來越高，被控對象也越來越復雜，單純采用常規PID控制器己不能滿足系統的要求，因此出現了許多新的控制方法。比如自適應控制、最優控制、智能控制、魯棒控制、滿意控制等，這些控制策略引入到PID控制系統的設計當中極大地提高了系統的控制性能。其中，智能PID控制近幾年引起了人們極大的研究興趣。將智能控制方法和常規PID

14、控制方法融合在一起，形成了許多形式的智能PID控制器。它吸收了智能控制與常規PID控制兩者的優點。首先，它具備自學習、自適應、自組織的能力，能夠自動辨識被控過程參數、自動整定控制參數、能夠適應被控過程參數的變化;其次，它又具有常規PID控制器結構簡單、魯棒性強、可靠性高、為現場工程設計人員所熟悉等特點。3、智能溫度控制法智能控制系統是某些具有仿人智能的工程控制和信息處理系統，它與人工智能的發展緊密聯系。智能控制是一門新興的交叉前沿學科，它具有非常廣泛的應用領域。智能可定義為:能有效的獲取、傳遞、處理、再生和利用信息，從而在任意給定的環境下成功的達到目的的能力。智能溫度控制就是應用人工智能的理論

15、與技術和運籌學的優化方法，并將其同控制理論方法與技術相結將智能控制與PID控制相結合，實現溫度的智能控制。13 設計方案這次主要是設計一個基于虛擬儀器技術的溫度控制系統，利用PID控制算法對溫度箱進行控制。該系統主要利用LabVIEW開發設計，系統利用PC機的串口實現數據的采集與控制量的輸出。設計主要方案為：通過K型熱電偶將溫度信號轉化為電壓信號，再由A/D模塊轉化為數字量，在PC機上由LabVIEW完成PID控制，再經過D/A輸出對被控量加熱，經過數字量輸出開關通道DO輸出對被控量冷卻（以啟動風機的方式冷卻），實現對溫度的智能控制。溫度被控對象傳感器多路數據采集控制器計算機LabVIEW溫度

16、控制系統圖1-1 溫控系統硬件框圖14 本課題的工作內容本文完成的工作有：（1）設計系統的原理結構及基本組成，畫出詳細的原理框圖。（2）硬件電路的設計，包括K型熱電偶傳感器、數據采集電路、冷卻控制模塊、加熱控制模塊等。（3）應用LabVIEW實現PID控制算法，利用圖形化的語言設計程序完成課題的軟件設計。（4）面向實際控制對象對PID算法的性能進行測試。（5）寫出詳細的設計報告，要求思路清晰、結構合理。15 本文的結構安排本論文主要分六章：第一章引言，介紹論文研究的背景與意義、國內外研究現狀、設計方案的確定、本文工作內容以及結構安排；第二章對虛擬儀器與LabVIEW做了介紹，詳細介紹虛擬儀器和

17、LabVIEW編程語言；第三章主要對系統硬件部分的設計進行了說明；第四章主要介紹了基于LabVIEW的控制程序設計；第五章主要是對溫度控制系統設計的分析與測試；第六章結論，主要是對本文的研究情況作總結。第二章 虛擬儀器與LabVIEW介紹21 虛擬儀器的概述本小節主要從虛擬儀器的概念、特點、硬件系統、軟件系統進行了介紹。211 虛擬儀器的概念美國NI公司在20世紀80年代中期對虛擬儀器提出解釋，認為虛擬儀器是由計算機硬件資源、模塊化儀器硬件和用于數據分析、過程通信及圖形用戶界面的軟件組成的測控系統，是一種計算機操縱的模塊化儀器系統。應用LabVIEW開發的程序稱為虛擬儀器。虛擬儀器是計算機技術

18、與儀器技術完美結合的產物，代表儀器發展的方向。212 虛擬儀器的特點1、虛擬儀器的軟件和硬件具有開放性、模塊化、互換性以及可重復使用等特點。2、在通用硬件平臺搭建后，由軟件來實現儀器的具體功能，即軟件在虛擬儀器中具有的重要的作用。3、虛擬儀器的功能是由用戶根據實際需要通過軟件來說定義的，而不是事先由儀器廠商定義的。4、虛擬儀器研制的周期較傳統儀器大為縮短。5、虛擬儀器的性價比較高。6、由于虛擬儀器技術是建立在計算機技術和數據采集技術基礎上的，因而技術更新較快、成本較低、測試自動化程度較高，而且可與網絡及其他設備互聯。7、虛擬儀器具有友好、靈活的人機界面，傳統儀器的界面較呆板。213 虛擬儀器的

19、硬件系統虛擬儀器的硬件系統主要由傳感器、信號調理電路、數據采集設備（包括各種I/O接口設備、通信適配器、模塊化儀器機箱等）以及計算機組成。其中計算機是虛擬儀器硬件平臺的核心；傳感器是虛擬儀器系統的前置部件，將被測的非電量轉化為電量；信號調理電路的主要功能是對傳感器輸出的模擬信號進行放大、濾波、隔離等；數據采集設備的主要作用是對被測信號進行采樣、放大、模數轉換等。傳感器信號調理數據處理虛擬儀器面板數據采集卡圖2-1 常見虛擬儀器的組建根據所使用的儀器硬件不同，虛擬儀器硬件系統可以分為PC-DAQ系統、GPIB系統、VXI/PXI/LXI系統、串口系統、現場總線系統等。214 虛擬儀器的軟件系統虛

20、擬儀器的軟件結構具有開放的、統一的格式與標準。圖2-2為虛擬儀器的軟件結構，從底層到頂層分別為輸入輸出接口層、儀器驅動程序層和應用軟件層。應用軟件層儀器驅動程序層輸入輸出接口層圖2-2 虛擬儀器軟件框架1、輸入輸出接口層該層位于儀器與儀器驅動程序之間，是實現開放的、統一的虛擬儀器系統的基礎與核心。2、儀器驅動程序層在虛擬儀器系統中，每個儀器模塊均有自己的儀器驅動程序。儀器驅動程序的實質是為用戶提供能用于儀器操作的、較抽象的操作函數集。應用程序對儀器的操作是通過儀器驅動程序來實現的；而儀器驅動程序對于儀器操作與管理是通過調用VISA庫函數來實現的。3、應用程序層應用程序層建立在儀器驅動程序層之上

21、，直接面向使用者，通過提供直觀友好的儀器操作界面、豐富的數據分析與處理功能等實現自動測試任務。22 LabVIEW開發環境本小節主要介紹了LabVIEW的開發環境、LabVIEW的編程語言及其特點。221 LabVIEW的開發環境LabVIEW（laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是美國國家儀器公司的軟件產品，自1986年問世以來不斷升級，它是一個具有革命性的圖形化開發工具，它內置信號采集、測量分析與數據顯示功能，把復雜、繁瑣、費時的語言編程簡化成“用圖標提示的方法選擇功能塊、用線條將各種功能塊連接起來”的編程方式。LabVI

22、EW的開發環境主要包括兩部分，前面板（Front Panel）和程序框圖面板（Block Diagram），前者建立程序運行的界面和各種變量、數據，后者組織程序的運行流程。在虛擬儀器的開發過程中，主要利用LabVIEW提供的三個選板：工具選板、控制選板和函數選板來完成VI面板和流程圖兩部分的設計開發工作。這三個選板集中反映了該軟件的功能和特征。用戶的設計主要是通過對這3個選板的操作來完成前面板的設計和程序框圖的設計。 圖2-3a 函數選板 圖2-3b 控件選板 圖2-3c 工具選板圖2-3 函數選板，控件選板，工具選板這次設計利用了LabVIEW8.6版本，該版本擁有強大的子VI庫，利用它，我

23、們可以更加方便的構建多樣化的LabVIEW控制系統。221 LabVIEW編程語言LabVIEW 是一種圖形化的編程語言G 語言。LabVIEW 是一個完全的、開放式的虛擬儀器開發系統應用軟件，利用它組建儀器測試系統和數據采集系統可以大大簡化程序的設計。LabVIEW 與 Visual C+、Visual Basic、LabWindows/CVI 等編程語言不同，后者采用的是基于文本語言的程序代碼（Code），而 LabVIEW 則是使用圖形化程序設計語言G（Graphic），用框圖代替了傳統的程序代碼。LabVIEW 所運用的設備圖標與科學家、工程師們習慣的大部分圖標基本一致，這使得編程過程

24、和思維過程非常的相似。它可以增強用戶構建自己的科學和工程系統的能力，提供實現儀器編程和數據采集系統的便捷途徑。使用它進行原理研究、設計、測試并實現儀器系統時，可以大大提高工作效率。LabVIEW 包含有專門用于設計數據采集程序和儀器控制程序的函數庫和開發工具庫。LabVIEW 的程序設計實質上就是設計一個個的“虛擬儀器”，即“VIs”。在計算機顯示屏幕上利用函數庫和開發工具庫產生一個前面板（Front Panel）；在后臺則是利用圖形化的編程語言編制用于控制前面板的框圖程序。程序的前面板具有與傳統儀器相類似的界面，可接受用戶的鼠標和鍵盤指令。一般來說，每一個 VI 都可以被其他 VI 調用，其

25、功能類似于文本語言的子程序嵌套；而這種嵌套的層次，從理論上講，是不受任何限制的。223 LabVIEW編程語言特點LabVIEW編程語言具有以下特點：1、實現了儀器控制與數據采集的完全圖形化編程，設計者無需編寫任何文本形式的代碼。2、提供了大量的面向測控領域應用的庫函數，如面向數據采集的DAQ庫函數、內置GPIB、VXI、串口等數據采集驅動程序；面向分析的高級分析庫，可進行信號處理、統計、曲線擬合以及復雜的分析工作；面向顯示的大量儀器面板，如按鈕、滑尺、二維和三維圖形等。3、提供了大量與外部代碼或應用軟件進行連接的機制，如動態鏈接庫（DLL）、動態數據交換（DDE）、各種Activex等。4、

26、具有強大的網絡連接功能，支持常用網絡協議，便于用戶開發各種網絡測控、遠程虛擬儀器系統。5、LabVIEW應用程序具有可移植性，適用于多種操作系統。6、可生成可執行文件，脫離LabVIEW開發環境運行。第三章 系統硬件部分設計31 系統硬件整體設計溫控系統的硬件原理框圖如圖3-1K型熱電偶傳感器多路數據采集控制器計 算 機溫度測控對象加熱冷卻圖3-1 硬件原理框圖31 K型熱電偶溫度傳感器傳感器是虛擬儀器的前置部件，將被測的非電量轉化為電量。311 溫度傳感器的發展概況溫度是反映物體冷熱狀態的物理參數。溫度傳感器則是實現溫度檢測和控制的重要器件。公元1600年，伽利略研制出氣體溫度計，一百年后，

27、研制成酒精溫度計和水銀溫度計。隨著現代工業技術發展的需要，相繼研制出金屬絲電阻、溫差電動式元件、雙金屬式溫度傳感器。1905年以后，相繼研制成半導體熱敏電阻器。最近，隨著原材料、加工技術的飛速發展、又陸續研制出各種類型的溫度傳感器。按照測溫方法溫度傳感器可以分為接觸式溫度傳感器和非接觸式溫度傳感器兩種。接觸式溫度傳感器是將測溫敏感元件直接與被測介質接觸，使被測介質與測溫敏感元件進行充分熱交換，當兩者具有相同溫度時，達到測量的目的。這種傳感器的測量精度較高，但由于被測介質的熱量傳遞給傳感器，從而降低了被測介質的溫度，特別是被測介質熱容量較小時，會給測量帶來誤差。非接觸式溫度傳感器是利用物質的熱輻

28、射原理工作的，測溫敏感元件不與被測介質接觸，是利用物體溫度與總輻射出射度全光譜范圍的積分輻射能量的關系來測量溫度的。這種傳感器的制造成本較高，測量精度卻較低，單不存在測溫敏感元件與被測介質接觸之間的熱交換現象。312 K型熱電偶概述K型熱電偶作為一種溫度傳感器，K型熱電偶通常和顯示儀表、記錄儀表和電子調節器配套使用。K型熱電偶可以直接測量各種生產中從0到1300范圍的液體蒸汽和氣體介質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1.24.0mm。正極（KP）

29、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型熱電偶線性度好，熱電動勢較大，靈敏度高，穩定性和均勻性較好，抗氧化性能強，價格便宜等優點，能用于氧化性惰性氣氛中。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氛。32 多路數據采集控制器多錄數據采集控制器的主要作用是對被測信號進行采樣、模數間相互轉換等。這次設計采用的多路數據采集器是YL500基于LabVIEW創新型測控技術實驗箱配置的多通道數據采集卡，它包括8路A/D，4路D/A，8路DI和4路DO子模塊四個模塊。33

30、 計算機計算機是虛擬儀器硬件平臺的核心，它承載了LabVIEW的設計與操作。計算機（Computer）全稱：電子計算機，俗稱電腦，是一種能夠按照程序運行，自動、高速處理海量數據的現代化智能電子設備。由硬件和軟件所組成，沒有安裝任何軟件的計算機稱為裸機。34 溫度調節模塊溫度調節模塊包括加熱部分和冷卻部分。冷卻使用的是傳感器檢測試驗臺內置的風扇，加熱通過電阻發熱。將傳感器檢測試驗臺與YL500基于LabVIEW創新型測控技術實驗箱配置的溫度采集系統通過與溫度源的連接，可以對熱電偶進行加熱和冷卻。第四章 基于LabVIEW的控制程序設計41 系統軟件整體設計這次設計的溫度控制系統是通過多路數據采集

31、器對溫度信號進行實時采集，并由軟件平臺LabVIEW對采集的信號進行分析，然后用PID控制算法處理，經過不同的通道對溫度進行處理，最終達到溫控的目的。系統控制模塊結構框圖如圖4-1所示。PC機LabVIEW模數轉換模塊PID控制模塊輸出控制模塊圖表顯示模塊數模轉換模塊圖4-1 系統控制模塊框圖42 模數轉換模塊為了能夠使用數字電路處理模擬信號，必須將模擬信號轉換成相應的數字信號，方能輸入數字系統（例如微型計算機）進行處理，我們將從模擬信號到數字信號的轉換成為模-數轉換，或簡稱為A/D（Analog to Digital）轉換，同時，將實現A/D轉換的電路稱為A/D轉換器，簡寫為ADC（系Ana

32、log-Digital Conwerter的縮寫）。此模塊在測試過程中用到了YL500基于LabVIEW創新型測控技術實驗箱的溫度控制系統和多路數據采集控制器，其中多路數據采集控制器用到了8路A/D模塊，分辨率為10bit，溫度控制范圍為0100，輸出電壓范圍為05，所以又如下算數關系式： （公式4-1） （公式4-2）上式中，T為輸入溫度值，V為輸出電壓信號及輸入模擬量，D為A/D轉換后的數字量。設計步驟：1、創建一個新的VI，切換到程序框圖設計窗口下，打開【函數】【選擇VI】函數選項板，彈出【選擇需要打開的VI】對話框，即選擇AD.vi，點擊確定。2、創建顯示控件和輸入控件。如圖4-2圖4

33、-23、由于模擬量值比較小，對其進行一個放大，A/D模塊設計完成。如圖4-3圖4-34、創建一個顯示空間，修改名稱為實測值。如圖4-4圖4-45、創建一個平鋪式順序結構，如圖4-5圖4-542 PID控制模塊421 PID控制簡介PID控制算法是一種在工業控制中廣泛運用的控制策略。它的優點是原理簡單，易于實現，穩定性好。實際上，大多數的工業過程都不同程度的存在著非線性、參數時變性和模糊不確定性，而傳統的PID控制主要是控制具有確定模型的線性過程，因此常規PID控制不具有在線整定參數的能力，其控制效果就不是十分理想。如果采用模糊推理的方法實現PID參數：KP、TI、TD的在線自適應，不僅保持了常

34、規PID測控的特點，而且具有強大的靈活性、適應性和精確性等優點，是目前一種較為先進的控制算法。PID控制器（比例-積分-微分控制器）是根據PID控制原理對整個控制系統進行偏差調節，從而使被控量的實際值與工藝要求的預定值一致，由比例單元P、積分單元I和微分單元D組成，通過，KP、TI和TD三個參數的設定進行偏差調節。PID控制器是一個在工業控制應用中常見的反饋回路部件。這個控制器把收集到的數據和一個參數值進行比較然后把這個差別用于計算新的輸入值，這個新的輸入值的目的是可以讓系統的數據達到或者保持在參考值。和其他簡單的控制運算不同，PID控制器可以根據歷史數據和差別的出現率來調整輸入值，這樣可以使

35、系統更加準確，更加穩定。這次設計對象比較簡單，非線性程度不高，大多數不具有時變性和模糊不確定性，而且設備的投資成本要求較低，比較適合采用常規PID控制。422 數字PID控制器數字PID控制器是一種現行控制器，它將設定值r(t)與實際輸出值y(t)進行比較，形成控制偏差：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),對控制對象進行控制。一般模擬PID的控制框圖如圖4-6所示。+積分比例微分被控對象+-u(t)r（t）e(t)y（t）圖4-6 PID控制系統原理框圖2、模擬PID控制規律的離散化表4-1 模擬PID離

36、散化規律模擬形式離散化形式e(t)=r(t)-c(t)e(n)=r(n)-c(n)3、數字PID算法的兩種類型數字PID兩種類型是數字PID位置型控制算法（例如圖4-7調節閥控制）和數字PID增量型控制算法（例如圖4-8步進電機控制）。PID位置算法調節閥被控對象r(t) +-e(t)uy(t)圖4-7 調節閥控制r(t) + e(t)PID增量算法步進電機被控對象-y(t)圖4-8 步進電機控制 （公式4-3）上式表示的控制算法提供了這行機構的位置u(k),如閥門的開度，所以被稱為數字PID位置型控制算法。由公式（4-3）可看出，位置型控制算式不夠方便，這是因為要累加偏差e(i),不僅要占用

37、較多的存儲單元，而且不便于編寫程序，為此可對公式（4-3）進行改進。根據公式（4-3）不難寫出u(k-1)的表達式，即 （公式4-4）將公式（4-3）和公式（4-4）相減，既得數字PID增量型控制算式為：u(k)=u(k)-u(k-1) =KPe(k)-e(k-1)+KIe(k)+KDe(k)-2e(k-1)+e(k-2) (公式4-5)式中，稱為比例增益，稱為積分系數，稱為微分系數。增量式算法與位置式算法相比，具有以下優點：（1）增量算法不需要做累加，控制量增量的確定僅與最近幾次誤差采樣值有關，計算誤差或計算精度問題，對控制量的計算影響較小。而位置算法要用到過去的誤差的累加值，容易差生大的累

38、加誤差。（2）增量式算法得出的是控制量的增量，例如閥門的控制中、只輸出閥門開度的變化部分，誤動作影響小，必要時通過邏輯判斷限制或禁止本次輸出，不會嚴重影響系統的工作。而位置算法的輸出是控制量的全量輸出，誤動作影響大。（3）采用增量算法，易于實現手動到自動的無沖擊切換。4、數字PID控制算法流程，如圖4-9離線計算q0、q1、q2置e(k-1)=e(k-2)將A/D結果賦給y(k)求e(k)=r(k)-y(k)按式（4-5）計算控制增量u(k)將u(k)輸出給D/Ae(k-2)=e(k-1)e(k-1)=e(k)采樣時刻到否？D/A否到被 控 對 象A/D圖4-9 數字PID增量型控制算法流程圖

39、423 數字PID控制器各環節作用1、比例環節：即時成比例地反應控制系統的偏差e(t)，偏差一旦產生，調節器立即產生控制作用以減小偏差。2、積分環節：主要用于消除靜差，提高系統的誤差度。積分作用的強弱取決于積分時間常數TI，TI越大，積分作用越弱，反之則越強。3、微分環節：能反應偏差信號的變化趨勢（變化速率），并能在偏差信號值變得太大之前，在系統中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統的動作速度，減小調節時間。424 數字PID控制器的參數整定按湊試法整定PID參數增大比例系數KP一般將加快系統的響應，在有靜差的情況下有利于減小靜差。但過大的比例系數會使系統有較大的超調，并產生振蕩，使穩定性

40、變壞。增大積分時間TI有利于減小超調，減小震蕩，使系統更加穩定，但系統靜差的消除將隨之減慢。增大微分時間TD亦有利于加快系統響應，使超調量減小，穩定性增加，但系統對擾動的抑制能力減弱，對擾動有較敏感的響應。在湊試時，可參考以上參數對控制過程的影響趨勢，對參數實行下述先比例，后積分，再微分的整定步驟。首先只整定比例部分。即將比例系數由小變大，并觀察相應的系統響應，直到到反應快，超調小的響應曲線。如果系統沒有靜差或靜差已小到允許范圍內，并且響應曲線已屬滿意，那么只需用比例控制器即可，最優比例系數可由此決定。如果在比例調節的基礎上系統的靜差不能滿足設計要求，則需加入積分環節。整定時首先置積分時間TI

41、為一較大值，并將經第一步整定得到的比例系數略為縮小（如縮小為原來的0.8倍），然后減小積分時間，使在保持系統良好動態性能的情況下，靜差得到消除。在此過程中，可根據響應曲線的好壞反復改變比例系數與積分時間，以期得到滿意的控制過程與整定參數。若使用比例積分控制器消除了靜差，但動態過程經反復調整仍不能滿意，則可加入微分環節，構成比例積分微分控制器。在整定時，可先置微分時間TD為零。在第二步整定的基礎上，增大TD，同時相應地改變比例系數和積分時間，逐步湊試，以獲得滿意的調節效果和控制參數。445 PID模塊的設計PID控制模塊的設計步驟1、放置k,k-1,k-2時刻的偏差，并置零。如圖4-10所示圖4

42、-102、在平鋪式順序結構上在后面添加幀，將e(k-1)的值賦值給e(k-2).如圖4-11圖4-113、在平鋪式順序結構上在后面添加幀，將e(k)的值賦值給e(k-1)。如圖4-12圖4-124、按照數字PID增量控制算式設計PID控制器，如圖4-13圖4-1343 數模轉換模塊數字信號到模擬信號的轉換成為數-模轉換，或簡稱為D/A（Digital to Analog）轉換，同時，將實現D/A轉換的電路稱為D/A轉換器，簡寫為DAC（系Digital-Analog Conwerter的縮寫）。這次設計的D/A轉換模塊是將PID模塊處理過的數字量轉換為模擬量，測試時由PC機將一個八位數字量，如

43、01011010轉化為電壓值（05V）形式輸入，即1.7578V，通過串口通信，由實驗箱內的D/A模塊轉換為實際模擬電壓量，可通過萬用表檢測。D/A模塊的分辨率為8bit，所以由如下關系式： （公式4-11）式中，V為輸出模擬電壓值，D為輸入數字量。D/A模塊設計步驟：1、添加一個公式節點，添加輸入u和輸出V。如圖4-14圖4-142、在公式節點內編寫公式。如圖4-15float v;if(u>10)v=5;elsev=u/2;圖4-153、添加一個條件結構，在控制量大于零為真時，計算輸出電壓；為假時，輸出電壓為零。如圖4-16a和圖4-16b所示圖4-16a圖4-16b4、在平鋪順序結

44、構中在后面添加幀，在程序框圖設計窗口下，打開【函數】【選擇VI】函數選項板，彈出【選擇需要打開的VI】對話框，即選擇DA.vi，點擊確定。5、設置輸入、顯示控件，如圖4-17圖4-1744 輸出控制模塊DO通道輸出的開關量可以控制溫度源上風扇的開關狀態，DO通道默認狀態時“00”，即風扇的關閉狀態，當輸入為“01”時，風扇是開啟狀態。風扇控制程序編寫步驟：1、將A/D控制模塊加一個平鋪式順序結構，并在后面添加幀，如圖4-18所示。圖4-182、添加一個溫度設定值，使其與模數轉換后的數值進行比較，決定被控量的處理方式。如圖4-19示。圖4-193、添加一個條件結構，如圖4-20圖4-203、條件

45、為真時，即被控量溫度大于設定溫度，DO通道為01，風扇處于開啟狀態，輸出對被控量的冷卻。設計如圖4-21所示。圖4-21條件為假時，即被控量溫度小于設定溫度，DO通道為00，風扇處于停止狀態。設計如圖4-22所示。圖4-224、創建一個條件結構，如圖4-23所示圖4-235、創建一個While循環結構，如圖4-24所示圖4-246、創建一個條件結構，設計實驗停止時風扇狀態，條件真時風扇停止。如圖4-25a和4-25b所示。圖4-25a4-25b45 創建波形顯示模塊1、波形顯示框圖，如圖4-26所示圖4-262、在前面板設置波形列表中顯示的顏色實測值設置為白色，設定值設置為紅色，控制量設置為綠

46、色。45溫度控制系統整體設計圖溫度控制系統的程序框圖如圖4-27圖4-27 溫度控制系統程序框圖溫度控制系統設計的前面板如圖4-28圖4-28 溫度控制系統前面板第五章 溫度控制系統的分析與測試51 測試步驟1、用YL500基于LabVIEW創新型測試技術實驗箱和傳感器檢測實驗臺對設計進行最后測試，測試步驟如下（1）將PC機與實驗箱用串口線進行連接，打開實驗箱電源，對串口進行測試，保證串口是通的。（查看通道串口測試步驟）（2）將K型熱電偶插入溫度源上面板的圓槽內，熱電偶紅、黑接線端分別于實驗箱內溫度模塊傳感器的紅、藍接口連接。（3）標準信號輸出接口的紅、黑色接口分別于A/D模塊0通道黃、黑色接

47、口連接。（4）將溫度源電源線插入實驗箱內溫度控制系統模塊面板內的加熱輸出插口，風機電源的紅、黑接口與實驗箱上的+15V、接地口連接。（5）溫度控制系統模塊上的加熱方式和冷卻方式開關打到外控，加熱手動調節逆時針旋轉到底。（6）溫度控制系統模塊內的加熱控制輸入（外）Vi與A/D模塊0通道連接。（7）冷卻控制輸入Di與實驗箱上D0通道0連接并且與溫度源上的Di相連接。（8）打開溫度源電源開關。（9）運行由VI生成的【PID】可執行程序。（10）通訊設置面板中，設置串口通道選擇【ASRL1：INSTR】，波特率選擇默認的9600。（11）板卡設置面板中，下位機板卡地址選擇【01】，通道號選擇【00】。

48、（12）PID參數一次選擇5,1,1。（13）溫度設定值選擇50。（14）風扇控制面板中，風扇通道選擇【01】。（15）輸出控制面板中，輸出通道選擇【00】（16）單擊開始實驗按鈕，觀察風扇狀態，溫度變化表和輸出電壓值。（17）觀察溫度控制系統模塊中溫度值的變化，等待其變化到與預期設定值相等。（18）變PID參數，重復上述實驗，記錄數據，總結PID控制作用。（19）單擊退出系統按鈕，關閉該可執行程序。（20）關閉電源，整理實驗設備。2、通道串口測試實驗（1）將PC機與實驗箱用串口線進行連接，打開實驗箱電源，打開YL3.0軟件，在登陸框輸入用戶名：user 以及密碼111 （2）初始化測試，勾去“從機地址”， 打開串口，發送“B00”（注意是數字0不是字母O），一般出現 “B01FF”說明通訊正常。關閉窗口。（3）選擇“網絡地址”下的“地址修改選擇“YL5010-485多功能數據采集卡”，點擊“讀地址”。彈出當前網絡地址 ，再關閉。（4）點擊“網絡地址”選擇“設備選擇”，顯示正常，再關閉。最后點擊“啟動測試”，進行數據傳輸測試(做到這一步正常說明采集卡是通信正常的)。（一般網絡地址都是1，實驗一般不用改動網絡地址）5.2 測試結果圖圖5.1 測試結果圖第六章 結論通過這次畢業設計，我熟練掌握了LabVIEW開發環境及程序設計、程序調試技巧，進一步掌握了