计算机温度控制

1、College of Materials Science and Engineering 实验名称实验名称College of Materials Science and Engineering 计算机控制系统基本结构计算机控制系统基本结构执行器执行器驱动电路驱动电路传感器传感器处理电路处理电路闭环控制系统闭环控制系统被控对象被控对象计算机计算机College of Materials Science and Engineering PID控制简介控制简介 PID控制（控制（PID调节器）：调节器）： 按偏差的比例（按偏差的比例（P-Proportional）、）、 积分（积分（I-Integ

2、ral）和）和 微分（微分（D-Derivative）线性组合进行控制的方式。）线性组合进行控制的方式。 PID控制器是连续控制系统中技术成熟 、应用最为广泛的控制器，在模拟控制系统中 ，最常用的控制规律是PID控制。当我们不完全了解一个系统和被控对象或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。 1. 实验原理实验原理College of Materials Science and Engineering PID是一种线性控制器，它根据给定值r(t)与实际输出 y(t)构成控制偏差。 e(t)=r(t)一y(t) 将偏差比例(P)、积分(I)和微分(D)通过一定的线性组合

3、构成控制量 U(t)对被控对象进行控制。它的控制规律为： 1. 实验原理实验原理College of Materials Science and Engineering 式中：KP 为比例系数；TI为积分时间常数；TD为微分时间常数。将上式进行离散化处理，可得PID离散表达式：1. 实验原理实验原理tDIpdttdeTdtteTteKtU0)()(1)()(College of Materials Science and Engineering 1. 实验原理实验原理11TTKKpTTKKDpD式中： KP为比例系数，KI为积分系数，KD为微分系数，T为采样周期， k为采样序号，代表的是第k次

4、采样。u(k)为第 k次采样时刻的计算机输出值；e(k)为第k次采样时刻的输入的偏差值；e(k-1)为第 k-1次采样时刻的输入的偏差值。 College of Materials Science and Engineering 1. 实验原理实验原理 上式控制算法的输出直接对应于执行结构的位置（如阀门的开度等），所以称之为数字PID位置型控制算法。在其它佷多情况下，如用步进电机作为执行机构的场合，要在其它佷多情况下，如用步进电机作为执行机构的场合，要求控制器输出控制增量，为此对位置式算法进行改进，得到求控制器输出控制增量，为此对位置式算法进行改进，得到增量式（两个相邻时刻输出的绝对值之差）算

5、法：增量式（两个相邻时刻输出的绝对值之差）算法：同理可得u(k-1)的表达式： College of Materials Science and Engineering 用u(k)减去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)是比例的贡献，KI e(k)是积分的贡献KDe(k)-2e(k-1)+e(k-2)是微分的贡献。1. 实验原理实验原理由此得出：如果确定了比例系数KP、积分系数KI、微分系数KD，使用前后3次测量值的偏差即可求出控制增量。College of Materials Scien

6、ce and Engineering 比例(P)、积分(I)、微分(D)控制算法各有作用：比例控制：误差一旦产生，控制器立即就有控制作用，使被控制量朝比例控制：误差一旦产生，控制器立即就有控制作用，使被控制量朝着减小误差方向变化，控制作用的强弱取决于比例系数着减小误差方向变化，控制作用的强弱取决于比例系数KP。比例控制。比例控制的缺点是对于具有自平衡性（即系统阶跃响应终值为一有限值）的被的缺点是对于具有自平衡性（即系统阶跃响应终值为一有限值）的被控对象存在静差。加大控对象存在静差。加大KP可减小静差，但可减小静差，但KP过大时，会导致动态性过大时，会导致动态性能变坏，甚至会使闭环系统不稳定。能

7、变坏，甚至会使闭环系统不稳定。积分控制：它能对误差进行记忆并积分，有利于消除静差。但它的不积分控制：它能对误差进行记忆并积分，有利于消除静差。但它的不足之处在于积分作用具有滞后特性，积分控制作用太强会使控制的动足之处在于积分作用具有滞后特性，积分控制作用太强会使控制的动态性能变差，以至于使系统不稳定。态性能变差，以至于使系统不稳定。微分控制：它能对误差进行微分，误差的变化趋势，增大微分控制作微分控制：它能对误差进行微分，误差的变化趋势，增大微分控制作用可加快系统响应，使超调量减少，增加系统稳定性。它的缺点是对用可加快系统响应，使超调量减少，增加系统稳定性。它的缺点是对干扰同样敏感，使系统抑制干

8、扰能力降低。干扰同样敏感，使系统抑制干扰能力降低。1. 实验原理实验原理College of Materials Science and Engineering 1. 实验原理实验原理温度源 K型热电偶计算机控制方法计算机控制方法PID控制继电器输出采 集模 块1.1实验原理框图实验原理框图 图1. PID控制系统的原理框图 College of Materials Science and Engineering 1. 实验原理实验原理 温度源把温度信号转成电信号，采集模块将采集到的模拟量放大并转化成数字量与上位机（计算机）通过485接口通讯，上位机发出相应的指令控制反馈模块对输入量进行实时控

9、制。这样就构成了一个计算机温度控制系统。1.2实验原理实验原理College of Materials Science and Engineering 2、实验目的、实验目的2. 实验目的实验目的College of Materials Science and Engineering 3. 实验仪器实验仪器 K型热电偶 计算机 RS232/RS485转接头、HL340（USB to RS232） 综合实验台、温度控制仪、温度源 导线若干3、实验仪器、实验仪器College of Materials Science and Engineering 4. 实验内容与步骤实验内容与步骤4. 实验内容

10、与步骤实验内容与步骤College of Materials Science and Engineering 4. 实验内容与步骤实验内容与步骤1、将YL系列温度测量控制仪的“加热方式”、 “冷却方式”均拨至“外控方式”，“加热手动调节”逆时针旋转至最左端且关断。此时可选用K型热电偶，插在控制仪上方的测温孔中，另外两端的传感器输出线分别对应接至控制仪面板的传感器（+）和（）端，选择开关拨至“热电偶”，同时将面板中标准信号输出Vo用实验线接至主控箱面板的多功能数据采集控制器的A/D输入端（8个通道可任选），例如接第0通道。 College of Materials Science and Eng

11、ineering 4. 实验内容与步骤实验内容与步骤College of Materials Science and Engineering 2、用实验线连接主控箱的D/A第0通道（4个通道可任选）至YL系列温度控制仪的加热控制输入端，温度源电源线插入YL系列温度控制仪对应插孔中。4. 实验内容与步骤实验内容与步骤College of Materials Science and Engineering 4. 实验内容与步骤实验内容与步骤3、用实验线连接主控箱的DO第0通道（4个通道可任选）至温度源的冷却控制输入端，风机电源由主控箱左下方“+2-+24V”引入，电源调整旋钮旋至中间位置。Coll

12、ege of Materials Science and Engineering 4. 实验内容与步骤实验内容与步骤4、如下图连接好“RS485-RS232转接头”以及HL340（蓝色），HL340的USB一端接电脑左侧靠上的USB接口（接下面的一个USB接口软件有可能会报错）。College of Materials Science and Engineering 4. 实验内容与步骤实验内容与步骤 5、此时在“我的电脑-F盘”中找到名为【19实验二十（串口）温度控制系统的设计】的文件夹（大多数电脑路径为：“F：虚拟仪器扩展实验VI19实验二十（串口）温度控制系统的设计”）。打开后缀名为vi

13、的文件。设置好“比例系数”、“积分时间”、“微分时间”参数值（参考值5、1、1，具体根据曲线自行调节），设置“温度设定值”（先50，后80，不要设置过高温度，以免烧坏仪器）。【重要】在通讯设置中选好“串口通道”，否则软件会死机。College of Materials Science and Engineering 4. 实验内容与步骤实验内容与步骤6、【重要】连好线后给老师检查。College of Materials Science and Engineering 4. 实验内容与步骤实验内容与步骤7、老师检查通过后，依次开启各部分开关，如下图所示顺序。其中温度源的开关打开后，灯不一定会亮

14、。务必保证最后一幅图中电源合上，即“T/R”灯亮，这样计算机才能和实验台进行正常通讯。College of Materials Science and Engineering 4. 实验内容与步骤实验内容与步骤College of Materials Science and Engineering 8、连好线、设置好软件参数后，点击软件窗口左上角的向右箭头，再点击窗口中部的绿色开始实验按钮（亮绿色为开始），即可开始实验。4. 实验内容与步骤实验内容与步骤College of Materials Science and Engineering 4. 实验内容与步骤实验内容与步骤College o

15、f Materials Science and Engineering 9、将目标温度设为、将目标温度设为50摄氏度。根据控制规律可设摄氏度。根据控制规律可设置不同的置不同的P、I、D参数，以达到最佳的控制效果。参数，以达到最佳的控制效果。进入恒温过程时温度偏差在正负进入恒温过程时温度偏差在正负1摄氏度以内，即摄氏度以内，即当前温度曲线（红色）和设定温度曲线（绿色）基当前温度曲线（红色）和设定温度曲线（绿色）基本保持一致时可举手给老师检查。待通过老师检查本保持一致时可举手给老师检查。待通过老师检查后，保存曲线截图（文件后，保存曲线截图（文件-打印，生成图像文件后需打印，生成图像文件后需裁剪）和

16、实验数据，并记录下三个系数。裁剪）和实验数据，并记录下三个系数。4. 实验内容与步骤实验内容与步骤College of Materials Science and Engineering 10、将目标温度改为80摄氏度，重复实验。曲线截图打印后贴于实验报告上。 系数温度比 例积 分微 分50804. 实验内容与步骤实验内容与步骤College of Materials Science and Engineering 5. 注意事项与思考题注意事项与思考题1.在通电之前，必须检查各器件间连线并保证温度 源的电源是断开的。2.实验结束后，确保温度源断电，以免温度源长时 间工作导致温度过高。3.连接导线时应关闭电源，以防触电。1) 注意事项注意事项College of Materials Science and Engineering