基于虚拟仪器的轮胎硫化温度、压力控制系统设计-测量控制部分软硬件设计

内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）PAGEPAGEI题目：基于虚拟仪器的轮胎硫化温度、压力控制系统设计测量控制部分软硬件设计基于虚拟仪器的轮胎硫化温度、压力控制系统设计测量控制部分软硬件设计摘要本设计是基于LabVIEW设计的轮胎硫化的温度、压力控制系统，采用了现在国际上比较先进的技术虚拟仪器。虚拟仪器是指通过应用程序将计算机、软件的功能模块和仪器硬件结合起来，用户可以通过友好的图形界面（简称前面板）来操作这台计算机就像在操作自己定义、自己设计的一台个人仪器一样，从而完成对被测信号的采集、分析、显示、数据存储等。本文简要介绍了轮胎硫化生产过程，主要阐述了一种轮胎硫化控制系统的控制方法及其实现。硫化是轮胎生产中影响轮胎质量的一个重要环节。硫化过程受多种因素的影响，其中，温度、压力、时间被称为硫化的三要素。影响轮胎硫化的三要素中由于对温度的控制比较复杂，所以在轮胎硫化控制系统中，它就成为系统控制的关键。该控制系统，包括温度压力给定信号的设定、现场温度压力信号的采集以及温度压力的调节等等。最终通过计算机输出的控制信号去驱动执行机构来控制阀门的开度，进而实现现场温度的控制。关键词：轮胎硫化；数据采集；PID控制；LabVIEW内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）Thetirecuringtemperature,pressurecontrolsystemdesignpartbasedontheVirtualInstrumentmeasurementhardwareandsoftwarecontroldesignAbstractThisdesignisbasedontemperature,pressurecontrolsystemsoftirecuringwhichisdesignedbyLabVIEW,thisdesignhasusedthepresentinternationallyquiteadvancedtechnologyVirtualInstrument.Virtualinstrumentisthroughtheapplicationoftheprocesstocombinewithcomputer,softwaremodulesandinstrumenthardware,theusercan,throughafriendlygraphicalinterface(thefrontpanel)tooperatethiscomputerasdefinedintheoperationoftheirowndesignofapersonalthesameapparatusinordertocompletethetestsignalcollection,analysis,display,datastorageandsoon.Thispaperintroducesthetirecuringprocess,mainlyonthecontrolmethodanditsimplementationofatirecuringcontrolsystem.SulfurationisAnimportantlinkofimpactofTireQualityontheproductionoftireCuringprocessisaffectedbymanyfactors,includingtemperature,pressure,timewerenamedthethreeelementsofvulcanization.Inthethreeelementsoftirecuring,controltemperatureismorecomplicated,sointhetirecuringcontrolsystem,ithasbecomeakeycontrolsystem.Thecontrolsystem,includingtemperatureandpressuresettingsforagivensignal,on-sitetemperatureandpressureofthecollectedsignalandtheregulationoftemperatureandpressureandsoon.Theultimatecontrolofthecomputeroutputsignaltodrivetheimplementationofinstitutionstocontroltheopeningofthevalve,andproceedtorealizethetemperaturecontrolatthescene.Keywords:Tirecuring;dataacquisition;PIDcontrol;LabVIEW内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）目录摘要 IAbstract II目录 1第一章轮胎硫化 41.1轮胎硫化的背景 41.2轮胎硫化的工艺要求 41.3轮胎硫化的方式、方法及步骤 61.3.1轮胎硫化的方式 61.3.2轮胎硫化的方法 71.3.3轮胎硫化的步骤 71.4硫化过程的主要问题 8第二章LabVIEW的简介 102.1虚拟仪器的产生 102.2虚拟仪器的概况 102.2.1虚拟仪器的特点 112.2.2LabVIEW的优势 122.3虚拟仪器的构成 13第三章系统的总体设计 163.1系统的总原理框图 163.2LabVIEW的总面板及程序设计 18第四章硬件设计 224.1传感器和变送器选择 224.1.1测温原理 224.1.2Pt100热电阻简介 224.1.3Pt100温度传感器的主要参数 234.1.4扩散硅式差压变送器 244.2信号调理模块 244.2.1信号调理的方法 244.2.2RTD01简介 264.2.3RTD噪声的考虑 264.3数据采集卡的选择 274.3.1数据采集卡的主要性能指标 274.3.2数据采集卡（DAQ）卡的组成 284.3.3NIPCI-6221数据采集卡 284.4伺服放大器 294.4.1伺服放大器概述 294.4.2主要技术参数 294.4.3工作原理与结构 304.4.4模拟调试 314.4.5接入系统调试 324.5电动伺服操作器DFD-0500 324.6电动执行机构DKZ5500M 344.7执行部分接线图 35第五章软件设计 365.1模块设计 365.2温度、压力的采集显示存储输出子程序 375.2.1温度、压力设定 375.2.2温度压力采集子程序 385.2.3温度显示转换框图 385.2.4数据保存回放模块 395.2.5输出模块 395.3PID控制器设计 405.3.1控制系统的分类 405.3.2PID控制的原理和特点 415.3.3PID控制算法 435.3.4PID控制器的参数整定 455.4温度、压力的模拟控制 465.4.1温度的PID模拟控制 465.4.2压力的模拟控制 475.5系统调试 485.5.1找出语法错误 495.5.2慢速跟踪 495.5.3断点与单步执行 495.5.4设置探针 49总结 51参考文献 52附录 53致谢 54轮胎硫化轮胎硫化的背景轮胎硫化是轮胎加工生产过程中很重要的一部分,橡胶在未硫化之前，分子之间没有产生交联，因此缺乏良好的物理机械性能，实用价值不大。当橡胶进行硫化以后，经热处理或其他方式能使橡胶分子之间产生交联，形成三维网状结构，从而使其性能大大改善，尤其是橡胶的定伸应力、弹性、硬度、拉伸强度等一系列物理机械性能都会大大提高。轮胎硫化的工艺要求（1）本控制系统可按设定的硫化曲线，对整个硫化过程进行自动控制，且各段温度、时间皆可调。下图分别为温度压力设定曲线。图1.1温度控制曲线图1.2压力控制曲线（2）当温度达不到要求时，根据公式自动计算等效硫化时间，自动进行等效硫化。等效硫化公式（其中硫化温度系数可调）如下：τ1/τ2=K(t2-t1)/10τ1－温度为t1的硫化时间τ2－温度为t2的硫化时间K－硫化温度系数（该系数根据产品不同为可变值）（3）温度控制精度为±1℃（0～160℃（4）蒸汽压力控制精度±0.02Mpa（5）测温输入点为9点，即罐体上，中，下各3点。每一测温与同层的实际误差保证在±1℃（6）罐体上、下的温度差超过输入的设定温度时，自动排放罐底冷凝水，保证硫化罐体内温度的平稳性、均一性，在排放冷凝水后一分钟内允许有±2℃轮胎硫化的方式、方法及步骤轮胎硫化的方式硫化工艺过程根据硫化介质的不同而有明显的区别，硫化介质主要给硫化过程提供温度和压力，硫化中，内温和外温通常不为同一热源，外温介质一般为蒸汽，内温介质一般分为“过热水”、“高温蒸汽”、“蒸汽/氮气”和“热氮”四种。国内轮胎厂家一般采用“过热水”和“蒸汽”作为内温介质。下面简要介绍四种内温硫化方式的基本步骤及优缺点。（1）过热水硫化。首先采用低压蒸气使轮胎定型，然后利用高压过热水进行硫化，硫化中温度一般为170~180度，内压一般在2.2~2.6兆帕。它的优点是，硫化效果比较均匀，外观合格率较高，过热水性质稳定，不存在温度衰减等问题；缺点是，硫化温度低，时间长，效率低，设备不易于安装和维护。（2）高温蒸汽硫化。该方式直接将高压饱和蒸汽通入胶囊中，内压一般为1.6~1.9兆帕，内温一般为190~210度。优点是，时间短，硫化效率高，饱和蒸汽使硫化中能耗降低，削减了设备投资；缺点是，对轮胎生产中其它工序的设备和装置有严格的要求，硫化中，内压偏低，容易造成局部压力不足。（3）蒸汽/氮气硫化。首先向胶囊中通入低压氮气或蒸汽进行定型，然后在通入190~210度高压饱和蒸汽之后，再向胶囊中通入2.0~2.6兆帕高纯氮气进行增压硫化。优点是，与全蒸汽硫化方式相比，减少了蒸汽耗费，降低了能源消耗，增加了胶囊寿命，提高了合格率。（4）热氮硫化。将经过提纯和干燥后的氮气电加热至180度左右之后，再用压缩机将其加压至3.0兆帕，通过专用循环装置使其在胶囊内循环。目前，后两种硫化方式较前两种有明显的优势和更广阔市场前景。但在实际应用中，它们都有一些共同的问题需要考虑，如气体泄露、温差、温度下降等，其硫化工艺也尚存在一些不完善的地方，有待进一步从理论和实际两个方面着手改进。硫化工艺过程取决硫化介质，而硫化介质的选取必须综合考虑两个方面的因素，一是对轮胎各项物理机械性能的保证，如抓着力、耐久性能和外观质量等；二是要求能在生产过程中降低成本，提高生产效率，减少能耗和环境污染。轮胎硫化的方法传统控制方法：传统控制硫化过程的方法是定时控制，这种方法是假定橡胶硫化的过程中模柜内温度和压力保持恒定，但是由于锅炉蒸汽压力波动以及蒸汽在管道中传输温度递减等因素的影响，硫化温度很不稳定。这样生产出的轮胎，经常出现过硫化和欠硫化现象，另外工人的劳动强度大，资源浪费严重。现代控制方法：现代控制硫化过程的方法是根据蒸汽管道内的温度实时调整硫化时间的等效硫化控制。轮胎硫化的步骤各轮胎公司采用的硫化步骤不尽相同，但主要由以下步骤组成：（1）通高温饱和蒸汽（2）充填水（视情况而定）（3）通过热水（4）热水回收（5）通冷却水（视情况而定）（6）主排（7）抽真空（8）开模第3步可采用3种方式：循环、半循环或不循环，需根据实际情况进行选取。第4步可采用两种方式：用高压蒸汽把胶囊中的过热水赶回除氧器或设置一热水回收罐。第6和7步可采用单路或双路。第8步的开模压力一般设置为0.03MPa。全蒸汽硫化一般有两种方式：高温蒸汽进加热排或高温蒸汽进，然后主排，再抽真空；高温蒸汽进加热排，然后低压蒸汽进，再主排、抽真空。其中热排是为了把胶囊中的冷凝水排出。充氮气硫化还需要增加两个步骤，即放气（排出胶囊下部的低温氮气）和查漏（关闭所有阀门，看内压有无下降，以观察有无阀门泄漏）。由于主排时间的长短直接影响到硫化效率，因此主排管径的设定和走向以及辅助措施（如安装排空管）对主排的效果至关重要。抽真空可采用蒸汽或动力水，只需将胶囊从胎里脱出并适当收缩，以便轮胎能轻松取出即可。若抽真空过度，胶囊会紧贴中心机构，上环下降时容易夹破胶囊（B型硫化机）。硫化过程的主要问题目前，轮胎生产的硫化过程面临着两个主要问题。（1）如何提高轮胎内部各点硫化程度的均匀性。由于橡胶是热的不良导体，硫化中，靠近热源的轮胎表面温度变化较快，而内部温度变化较慢，造成了轮胎内外硫化程度的不均匀。同时，轮胎内部各部分的组成材料是不同的，图1.3为轮胎的截面图。其中，胎冠是整个轮胎温度最高、厚度较大的部位，主要包括气密层、胎体和钢丝带束层等几个部分，各部分材料的物性差别很大；胎肩是轮胎中厚度最大的部位，其组成材料种类较多，传热过程很复杂，最容易“欠硫”；胎侧是轮胎中最薄弱的部位，它最易“过硫”。轮胎内部组成材料的不均匀必然导致其内部温度上升速度的不均匀，最终使得其内部各区域硫化程度的不均匀。图1.3轮胎截面图（2）如何准确确定轮胎的硫化时间。硫化中，外界条件一般存在一定的波动，它对轮胎的硫化效应影响很大。常规硫化时间采用固定周期法，不考虑硫化过程边界条件的波动情况，每个轮胎的硫化周期都是同一设定值，硫化时间整定按系统参数变化最坏的情况进行，采取“宁过勿欠”的方针，这必然导致多数情况下轮胎过硫，从而影响产品质量和硫化效率。对于问题（1），通过国内外学者的大量研究，一般从两方面来解决，一方面通过制定新的材料配方，使硫化过程中轮胎内部各区域的温度上升速度基本一致；另一方面，通过在硫化前对轮胎进行预热，使硫化开始时，轮胎内部保持较高的温度，从而加快轮胎内部各点的硫化速度，以达到硫化程度的内外均。对于问题（2），需将固定周期修改为可变周期，每个轮胎的硫化时间需根据外界条件的波动而动态确定。LabVIEW的简介虚拟仪器的产生微电子技术、计算机技术、软件技术、网络技术的高度发展及其在电子测量技术与仪器上的应用，新的测试理论、新的测试方法、新的测试领域以及新的仪器结构不断出现，在许多方面已经突破的传统仪器的概念，电子测量仪器的功能和作用已经发生了质的变化。在这种背景下，八十年代末美国率先研制成功虚拟仪器（VirtualInstrument，简称VI）。虚拟仪器技术是当今计算机辅助测试领域的一项重要技术，它推动着传统仪器朝着数字化、智能化、模块化、网络化的方向发展。虚拟仪器，它是现代计算机技术、通信技术和测量技术相结合的产物，是传统仪器观念的一次巨大变革，是未来仪器产业发展的一个重要方向。虚拟仪器的概念，是美国国家仪器公司（NationalInstrumentsCorp以下简NI公司）于1986年提出的。NI公司同时也提出了“软件即仪器”的概念，打破了传统仪器只能由厂家定义，用户无法改变的局面。随着现代软件和硬件技术的飞速发展，仪器的智能化和虚拟化已经成为研究的方向。虚拟仪器，它既具有传统仪器的功能，又有别于其他传统仪器，它能够充分利用和发挥现有计算机的先进技术，使仪器的测试和测量及自动化工业系统的测试和监控变得异常方便和快捷。虚拟仪器的概况所谓虚拟仪器，就是在通用的计算机平台上定义和设计等同常规仪器的各种功能，用户操作计算机的同时就是在使用一台专门的电子仪器。虚拟仪器以计算机为核心，充分利用计算机强大的图形界面和数据处理能力，提供对测量数据的分析处理和显示功能。虚拟仪器技术强调软件在测控系统中的重要的地位，但也并不排斥测试硬件平台的重要性。虚拟仪器测控系统通过信号采集设备和调理设备将计算机硬件和被测量硬件连接起来，再通过软件取代常规仪器硬件，将计算机硬件资源与仪器硬件有机地融合为一体，从而把计算机强大的计算处理能力和仪器硬件的测量、控制能力结合在一起，大大缩小了仪器硬件的成本和体积，并通过软件来实现对数据的显示、存储以及分析处理。虚拟仪器的特点虚拟仪器是基于计算机的功能化硬件模块和计算机软件构成的电子测试仪器，而软件是虚拟仪器的核心[6][7][8]，如图2.1所示，其中软件的基础部分是设备驱动软件，而这些标准的仪器驱动软件使得系统的开发与仪器的硬件变化无关。这是虚拟仪器最大的优点之一，有了这一点，仪器的开发和换代时间将大大缩短。虚拟仪器中应用程序将可选硬件（如GPIB，VXI，RS-232，DAQ板）和可重复用库函数等软件结合在一起，实现了仪器模块间的通信、定时与触发。源代码库函数为用户构造自己的虚拟仪器（VI）系统提供了基本的软件模块。由于VI的模块化、开放性和灵活性，以及软件是关键的特点，当用户的测试要求变化时可以方便地由用户自己来增减硬、软件模块，或重新配置现有系统以满足新的测试要求。这样，当用户从一个项目转向另一个项目时，就能简单地构造出新的VI系统而不丢失己有的硬件和软件资源。图2.1虚拟仪器开发框图虚拟仪器技术的优势在于可由用户定义自己的专用仪器系统，且功能灵活，很容易构建，所以应用面极为广泛。虚拟仪器技术十分符合国际上流行的“硬件软件化”的发展趋势，因而常被称作“软件仪器”。它功能强大，可实现示波器、逻辑分析仪、频谱仪、信号发生器等多种普通仪器全部功能，配以专用探头和软件还可检测特定系统的参数，如汽车发动机参数、汽油标号、炉窑温度、血液脉搏波、心电参数等多种数据；它操作灵活，完全图形化界面，风格简约，符合传统设备的使用习惯，用户不经培训即可迅速掌握操作规程。LabVIEW的优势和常规仪器技术相比，Nl虚拟仪器技术有四大优势(1)性能高虚拟仪器技术是在PC技术的基础上发展起来的，所以完全继承了以现成即用的PC技术为主导的最新商业技术的优点，包括功能超卓的处理器和文件FO，使您在数据高速导入磁盘的同时就能实时地进行复杂的分析。此外，不断发展的因特网和越来越快的计算机网络使得虚拟仪器技术展现其更强大的优势。LabvlEw环境下温度测控系统的深入研究与实现(2)扩展性强Nl的软硬件工具使得工程师和科学家们不再受硬件仪器的限制。这些都得益于Nl软件的灵活性，我们要做的只是更新计算机或测量硬件，就能以最少的硬件投资和极少的、甚至无需软件上的升级即可改进自己的系统。在利用最新科技的时候，还可以把它们集成到现有的测量设备，最终以较少的成本加速产品的设计时间。(3)开发时间少在驱动和应用两个层面上，Nl高效的软件构架能与计算机、仪器仪表和通讯方面的最新技术结合在一起。Nl设计这一软件构架的初衷就是为了方便用户的操作，同时还提供了灵活性和强大的功能，使用户轻松地配置、创建、发布、维护和修改高性能、低成本的测量和控制解决方案。(4)无缝集成虚拟仪器技术从本质上说是一个集成的软硬件概念。随着产品在功能上不断地趋于复杂，工程师们通常需要集成多个测量设备来满足完整的测试需求，而连接和集成这些不同设备总是要耗费大量的时间。Nl的虚拟仪器软件平台为所有的FO设备提供了标准的接口，帮助用户轻松地将多个测量设备集成到单个系统，减少了任务的复杂性。虚拟仪器的构成虚拟仪器从构成[8]要素上讲，由计算机、应用软件和仪器硬件等构成；从构成方式上讲，则由以DAQ板卡和信号调理为仪器硬件而组成的PC-DAQ测试系统，或以GPIB，VXI，Serial和Fieldbus等标准总线仪器为硬件组成的GPIB系统、VXI系统、串口系统和现场总线系统等多种形式。虚拟仪器的构成如图2.1所示。图2.2虚拟仪器的构成目前，虚拟仪器的构成方式有以下几种：（1）PC-DAQ插卡式的VI这种方式用数据采集卡配以计算机平台和虚拟仪器软件，便可构成各种数据采集和虚拟仪器系统。它充分利用了计算机的总线、机箱、电源以及软件的便利，其关键在于A/D转换技术。这种方式受PC机机箱、总线限制，存在电源功率不足，机箱内噪声电平较高、无屏蔽，插槽数目不多、尺寸较小等缺点。但因插卡式仪器价格便宜，因此其用途广泛，特别适合于工业测控现场、各种实验室和教学部门使用。（2）并行口式的VI最新发展的可连接到计算机并行口的测试装置，其硬件集成在一个采集盒里或探头上，软件装在计算机上，可以完成各种VI功能。它的最大好处是可以与笔记本计算机相连，方便野外作业，又可与台式PC相连，实现台式和便携式两用，非常方便。（3）GPIB总线方式的VIGPIB(GeneralPurposeInterfaceBus)技术是IEEE488标准的VI早期的发展阶段。它的出现使电子测量由独立的单台手工操作向大规模自动测试系统发展。典型的GPIB系统由一台PC机，一块GPIB接口卡和若干台GP1B仪器通过GPIB电缆连接而成。在标准情况下，一块GPIB接口卡可带多达14台的仪器，电缆长度可达20m。GPIB测试系统的结构和命令简单，造价较低，主要市场在台式仪器市场。适用于精确度要求高，但对计算机速率要求和总线控制实时性要求不高的场合应用。（4）VXI总线方式的VIVXI总线是VMEbuseXtensionforInstrumentation的缩写，是高速计算机总线VME在VI领域的扩展，有稳定的电源，强有力的冷却能力和严格的RFI/EMI屏蔽。由于它的标准开放，且具有结构紧凑、数据吞吐能力强、定时和同步精确、模块可重复利用众多仪器厂家支持的优点，得到了广泛的应用。经过多年的发展，VXI系统的组建和使用越来越方便，有其他仪器无法比拟的优势，适用于组建大、中规模自动测量系统以及对速度、精度要求高的场合，但VXI总线要求有专用机箱、零槽管理器及嵌入式控制器造价比较高。（5）PXI总线方式的VIPXI总线是PCIeXtensionforInstrumentation的缩写，是PCI在VI领域的扩展。这种新型模块化仪器系统是在PCI总线内核技术上增加了成熟的技术规范和要求形成的，具有多板同步触发、精确定时的星形触发、相邻模块间高速通讯的局部总线以及高度的可扩展性等优点，适用于大型高精度集成系统。（6）网络接口方式的VI尽管Internet技术最初并没有考虑如何将嵌入式智能仪器设备连接在一起，不过NI等公司己经开发了通过Web浏览器观测这些嵌入式仪器设备的产品，使人们可以通过Internet操作仪器设备。根据虚拟仪器的特性，能够方便的将虚拟仪器组成计算机网络，利用网络技术将分散在不同地理位置不同功能的设备联系在一起，使昂贵的硬件设备、软件在网络上得以共享，减少了设备重复投资。现在，有关MCN(MeasurementandControlNetworks)方面的标准正在积极进行，并取得了一定进展。由此可见，网络化虚拟仪器将具有广泛的应用前景。（7）USB接口方式的VIUniversalSerialBus(USB)因为其在PC机上的广泛使用、即插即用的易用性和USB2.0高达480Mbits/s的传输速率，逐渐的成为仪器控制的主流总线技术。USB接口被广泛应用，也使得工程师可以很方便的将基于USB的测量仪器连接到整个系统中。但是USB在仪器控制方面亦有一些缺点，比如USB的传输线没有工业标准的规格，在恶劣的环境下，可能造成数据的丢失；此外，USB对传输线的距离也有一定的限制。无论哪种VI系统，都是将仪器硬件搭载到笔记本电脑、台式微机或工作站等各种计算机平台加上应用软件而构成的。系统的总体设计系统的总原理框图PC机PC机NIPCI-6221Pt100热电阻SCC-RTD01伺服放大器手操器执行机构开关阀扩散硅差压变送器电磁阀图3.1系统原理框图本设计的原理图如图3-1，该系统总体上可分为：硬件设计和软件设计。硬件部分由两部分组成，即数据采集部分和执行部分。数据采集部分是由传感器、信号调理模块、DAQ板卡组成。传感器PT100热电阻传感器感器和扩散硅式差压变送器。信号调理模块只有热电阻调理模块，扩散硅式差压变送器输出的信号可以直接给DAQ板卡。DAQ板卡是选用NI公司的PCI6221数据采集卡。执行部分是由伺服放大器、电动伺服操作器（手操器）和电动执行机构组成。伺服放大器对DAQ板卡输出的微弱信号进行放大，手操器可以进行手自动切换，电动执行机构对控制阀进行动作。其中控制阀包括进气阀和排气阀。进气阀是一个电磁阀(开度阀)，而排气阀是一个气开阀（开关阀）。其中软件设计由：温度压力设定子程序，温度压力采集子程序，温度压力控制子程序和曲线回放子程序构成。各个子程序的正确连接就可以实现对温度压力的调节，起到调节器的作用。各子程序的具体介绍将在第五章详细说明。温度反馈控制系统采用单回路控制系统，方块图如下。其中温度PID调节器是由温度PID控制子程序实现的。只有进气阀工作。在进行温度控制阶段，排气阀始终处于关闭状态。此时，系统输出的控制量只对硫化罐进气阀的开度进行调节。对象为硫化罐，对其内部温度进行控制。温度给定也是由程序给定。图3.2温度单回路控制系统方块图压力反馈控制系统也是采用单回路控制系统，其方块图如下。其中压力给定也是由编写程序给定的。压力调节器同样由压力调节子程序实现。当温度控制之后，便开始对硫化罐内压力进行控制。此时控制阀还是包括进气阀和排气阀。系统对排气阀的开关状态进行控制。使硫化罐内压力严格按照给定压力变化。图3.3压力单回路控制系统方块图LabVIEW的总面板及程序设计在现有的实验条件下，只能实现了一个温度控制系统。本设计仅以Pt100传感器，SCC-RTD01温度调理模块为模型进行说明。本设计前面板才用选项卡结构，包括六部分：温度压力设定部分，热电阻及调理模块部分，温度压力采集部分，温度压力控制部分，曲线回放部分和系统说明部分。程序框图见附录A。图3-4温度压力设定前面板该面板的功能是设定温度压力的值以及时间。图3-4热电阻及调理模块参数设定前面板该面板对热电阻及调理模块参数的设定。图3-5温度压力采集前面板该面板可以对采集通道、采样频率、采样方式进行设置，温度压力给定和采集曲线的同步显示和对数据保存。图3-6温度压力控制前面板该面板为温度PID调节部分和压力的。此面板功能包括：温度给定和PID控制输出同步显示，PID参数调节和出气阀状态显示。图3-7输出端设置该面板可对数据输出的通道最大值、最小值、输出采样频率进行设置图3-8数据曲线回放前面板该面板可以对温度压力曲线保存到指定文件夹中，并且从指定文件夹中回放历史曲线。硬件设计调理模块工业PC温度传感器数据采集卡NI-6221调理模块工业PC温度传感器数据采集卡NI-6221被测对象差压变送器差压变送器执行机构变送器执行机构变送器图4-1温度、压力控制系统硬件结构图图为温度压力控制硬件结构图，在本章将详细的介绍。传感器和变送器选择测温原理热电阻的测温是利用固体材料的电阻随温度而变化的原理测量温度，如铂电阻、铜电阻和热敏电阻。采用热敏电阻，可满足40摄氏度至90摄氏度测量范围，但热敏电阻精度、重复性、可靠性较差，对于检测小于Pt100热电阻简介热电阻是电阻体、绝缘导管和接线盒等主要部件组成，其中，电阻体是热电阻的最主要组成部分。传感器采用铂电阻Pt100。铂热电阻的物理化学性能在高温和氧化性介质中很稳定，它能用作工业测温元件；且此元件线性较好，在0~100摄氏度之间变化时，最大非线性偏差小于0.5摄氏度（1）-200<t<0℃℃时，RPt100=100[1+At+B*t2+C*t3(t-100)]（2）0≤t≤650℃时，RPt100=100*(1+At+B*t式中，A=0.00390802；B=-0.000000580；C=0.0000000000042735。可见PT100在常温0~150摄氏度之间变化时限性度非常好，其阻值表达式可近似简化为：RPt=100（1+At），当温度变化1摄氏度，PT100阻值近似变化Pt100温度传感器的主要参数Pt100温度传感器的主要技术参数如下：测量范围：-200℃～+850℃允许偏差值△℃：A级±（0.15＋0.002│t│），B级±（0.30＋0.005│t│）；热响应时间<30s；最小置入深度：热电阻的最小置入深度≥200mm；允通电流≤5mA。另外，Pt100温度传感器还具有抗振动、稳定性好、准确度高、耐高压等优点。下表4.1为PT100的分度表（0℃~100℃表4.1PT100分度℃0123456780100.0100.3100.7101.1101.5101.9102.3102.7103.110103.9104.2104.6105.0105.4105.8106.2106.6107.020107.7108.1108.7108.9109.3109.7110.1110.5110.930111.6112.0112.4112.8113.2113.6114.9114.3114.740115.5115.9116.3116.7117.0117.4117.8118.2118.650119.4119.7120.1120.5120.9121.3121.7122.0122.460123.2123.6124.0124.3124.7125.1125.5125.9126.370127.0127.4127.8128.2128.6128.9129.3129.7130.180130.8131.2131.6132.0132.4132.8133.1133.5133.990134.7135.0135.4135.8136.2136.6136.9137.3137.7100138.5138.8139.2139.6140.0140.3140.7141.1141.5扩散硅式差压变送器压力测量部分使用扩散硅式差压变送器，具体介绍如下。扩散硅式差压变送器是无杠杆的变送器。它采用硅杯压阻传感器为敏感元件，同样具有体积小、重量轻、结构简单、线性化和稳定性好的优点，精度也较高。敏感元件由两片研磨后胶合成杯状的硅片组成。当硅杯受压时，压阻效应使其上的应变电阻阻值发生变化，从而使由这些电阻组成的电桥产生不平衡电压。硅杯两面浸在硅油中，硅油和被测介质之间用金属隔离膜片分开。当被测差压输入到测量室内作用于隔离膜片上时，膜片将驱使硅油移动，并把压力传递给硅杯压阻传感器。于是传感器上的不平衡电桥就有电压信号输出给放大器，经放大处理输出4～20mA直流电流信号。本设计具体使用EDR-75-NL型扩散硅式传感器(95B71004)。其各种参数如下，测量范围：0～400kPa；输出信号：4～20mA.DC；基本误差：调校量程的±0.2%；电源电压：24V.DC；负载电阻：0～6000Ω；环境湿度：-40～+90℃；相对温度：0～95%；阻尼特性：时间常数在0.2～18之间；外形尺寸：233mm×231mm×l48mm信号调理模块信号调理的方法从传感器出来的信号可能会很微弱，或者含有大量噪声，或者是非线性的等，这种信号在进入采集卡之前必须经过信号调理。信号调理的方法主要包括放大、衰减、隔离、多路复用、滤波、激励和数字信号调理等。（1）放大放大器提高输入信号电平以更好地匹配ADC的输入范围，从而提高测量精度和灵敏度。此外，使用放置在更接近信号源或转换器的外部信号调理装置，可以通过在信号被环境噪声影响之前提高信号电平来提高测量的信号噪声比。（2）衰减衰减即与放大相反的过程。它在电压（即被数字化的）超过数字化仪输入范围是十分必要的。这种形式的信号调理降低了输入信号的幅度，从而经调理的信号处于ADC范围之内。（3）隔离隔离的信号调理设备通过使用变压器、光或电容性的耦合技术，无须物理连接即可将信号从它的源传输至测量设备。除了切断接地回路之外，隔离也阻隔了高电压浪涌以及较高的共模电压，从而既保护了操作人员也保护了昂贵的测量设备。（4）多路复用通过多路复用技术，一个测量系统可以不间断地将多路信号传输至一个单一的数字化仪，从而提供了一种节省成本的方式来极大地扩大系统通道数量。多路复用对于任何高通道数的应用都是十分必要的。（5）滤波滤波器在一定的频率范围内去除不希望的噪声。几乎所有的数据采集应用都会受到一定程度的50Hz或60Hz的噪声（来源于电线或机械设备）。大部分信号调理装置都包括了为最大程度上抑制50Hz或60Hz的噪声而专门设计的低通滤波器。（6）激励激励对于一般转换器是必需的。例如应变计、电热调节器和RTD需要外部电压或电流激励信号。通常RTD和电热调节器测量都是使用一个电流源来完成的，这个电流源将电阻的变化转化为一个可测量的电压。应变计是一种超低电阻的设备，通常利用一个电压激励源来用于惠斯登电桥配置。（7）线性化许多传感器感应的电信号和物理量之间并不是呈线性关系，因而需要对输出信号进行线性化以补偿传感器带来的误差。（8）数字信号调理数字信号在某种情况下也要进行调理才能进入DAQ卡。譬如，不能将工业环境中的数字信号直接接入DAQ卡，接入之前必须经过隔离来防止可能的高压放电或者经过削减来调整电平以适应DAQ卡的输入要求。RTD01简介图4.2RTD01硬件图本设计采用NISCC-RTD01，它为双通道模块，可连接2、3或4线铂RTD。NISCC-RTD01的每一通道都带有一个增益为25的放大器和一个30Hz低通滤波器。而且每一模块还具有一个用于1或2RTD的1mA激励源。RTD噪声的考虑RTD的输出信号的典型值为毫伏量级，因而极易受到噪声的干扰。在RTD数据采集系统中常常使用低通滤波器，以有效滤除RTD测量结果中的高频噪声。例如，低通滤波器对于滤除在大多数实验室和工厂环境中普遍存在的60Hz电源线噪声非常有用。也可以通过在信号源附近放大处理电压水平偏低的RTD电压，显著改善系统的噪声性能。由于RTD输出的电压水平是非常之低，所以应当选择合适的增益，以优化模数转换器（ADC）的输入限制。数据采集卡的选择数据采集板卡的性能与众多因素相关，要根据具体情况来具体分析。所以在选择数据采集卡构成系统时，首先必须对数据采集卡的性能指标有所了解。数据采集卡的主要性能指标1）采样频率采样频率的高低，决定了在一定时间内获取原始信号信息的多少，为了能够较好的再现原始信号，不产生波形失真，采样率必须要足够高才行。根据奈奎斯特理论采样频率至少是原信号的两倍，但实际中，一般都需要5～10倍。2）采样方法采集卡通常都有好几个数据通道，如果所有的数据通道都轮流使用同一个放大器和A/D转换器，要比每个通道单独使用各自的经济的多，但这仅适用于对时间不是很重要的场合。如果采样系统对时间要求严格，则必须同时采集，这就需要每个通道都有自己的放大和A/D转换器。但是处于成本的考虑，现在普遍流行的是各个数据通道公用一套放大器和A/D转换器。3）分辨率 ADC的位数越多，分辨率就越高，可区分的电压就越小。例如，三位的A/D转换把模拟电压范围分成23=8段，每段用二进制代码在000到111之间表示。因而，数字信号不能真实地反映原始信号，因为一部分信息被漏掉了。如果增加到十二位，代码数从8增加到212=4096，这样就可以获得就能获得十分精确的模拟信号数字化表示。4）I/O通道数 该参数表明了数据采集卡所能够采集的最多的信号路数。数据采集卡（DAQ）卡的组成1）多路开关。将各路信号轮流切换至放大器的输入端，实现多参数多路信号的分时采集。2）放大器。将切换进入采集卡的信号放大至需要的量程内。通常中的放大器都是增益可调的，使用者可根据需要来选择不同的增益倍数。3）采样保持器。把采集到的信号瞬间值，保持在A/D转换的过程中不变化。4）A/D转换器。将模拟的输入信号转化为数字量输出，完成信号幅值的量化。目前，通常将采样保持器和A/D转换器集成在同一块芯片上。以上四个部分是数据采集卡的重要组成部分，与其他的电路如定时/计数器、总线接口等电路仪器组成DAQ。NIPCI-6221数据采集卡本设计采用的是NIPCI-6221数据采集卡，它是NI公司的M系列多功能数据采集卡，采用的是一个A/D转换器，虽然是多路采集，实际上是分时工作的，所有在多路同时工作时采样率会成倍降低。该板卡的主要性能如下：16路模拟信号输入通道，采样率为250kS/s，输入范围为-10V～+10V；2路模拟量输出通道，分辨率为16位；24路数字I/O，数字触发；2个32位定时计数器；NI-DAQmx测试软件和硬件配置支持；NI-MCal校准支持；NIST校准证书和多于70多种的信号调理模块选择。整个系统从被测对象开始，通过传感器转换成电信号，经过信号调理模块进行简单的信号出来，比如SCC-RTD01热电阻调理模块，将信号送至数据采集卡进行采集，然后用软件进行处理。系统采用的是NIPCI-6221采集卡，由于该卡支持DAQmx驱动程序，所以本设计是直接使用DAQmx-DataAcquisition开发的，在这部分中，主要是采集参数的设置，其中包括物理通道的选择，采样模式、采样率、每通道采样数、输入方式的配置，采样最大最小值的设置。随后通过采集卡采集到所需信号，并在PC机上进行分析处理，从而得到我们所需的温度之后再通过采集卡对加热设备发送控制信号，来达到对被测对象的实时测温与控制的目的。伺服放大器伺服放大器概述DFC-型系列伺服放大器（以下简称伺放）是电动执行机构的配套装置，也是工业过程控制自动调节系统的核心部件之一。它与电动执行机构配合，广泛用于电力、冶金、化工等工业过程控制自动化调节系统中。本伺服采用固态继电器做功率输出部件，体积小，耐振动，可靠性高，DFC-1200型产品还具有信号断失保护功能，可提高系统运行的安全性。伺放还设有状态指示，便于观察和调试。主要技术参数（1）输入信号DFC-110型：0～10mADCDFC-1100型：4～20mADCDFC-1200型：4～20mADC(带断信号保护)（2）输入电阻DFC-110型：200ΩDFC-1100型：250ΩDFC-1200型：250Ω（3）死区可调节范围：1%～3%（4）额定负载电流：5A（交流有效值）（5）断信号识别：<2mA，DC（仅对DFC-1200）（6）工作电源：220v，50Hz（7）使用环境：温度：0～50℃相对温度<85%大气压力：86～106KPa，周围空气中无腐蚀介质。工作原理与结构伺放有输入隔离级、磁放大器电路、比较放大电路、功率输出电路、信号断失判别控制电路、报警触点输出电路和状态显示等部分组成。伺放的输入信号一般有两路，一路为控制信号Ic，由调节器或其他控制器提供，另一路为位置反馈信号If，由电动执行机构的位置发送器提供。伺放的输出也有两路，可分别控制伺服电动机正转或反转。当Ic-If>0（且超过死区）时，伺放有正向输出。当Ic-If<0（且超过死区）时，伺放有反向输出。当Ic-If=0（或不超过死区）时，伺放无输出。伺放的接线端子如下图：图4-3接线端子排列图模拟调试伺放在接入系统使用前，一般应进行调试。调试接线方法如下图：图4-4伺放效验接线图调试步骤如下：（1）调试平衡（即调零）出厂时已调好，一般无需调整。a、分别调整Ic和If，使两输入信号相等（推荐在输入信号量程的20%～50%点调平衡）；b、用数字式电压表从伺放电路板上的“调零”测试孔上测量前置级的输出电压Vo。c、调整调零电位器Rs，使Vo的值为数毫伏即可。（2）调死区a、保持调平衡时的If不变，改变Ic，使Ic增加（或减少）0.15～0.2mA。b、调整调死区电位器R1s，至H1或H2刚好不亮（Ic是增加的，则H1亮，若Ic是减少的，则H2亮）；c、改变Ic，H1、H2应交替亮（但不应有同时亮的现象）。（3）断信号保护检查调整Ic和If使H1或H2亮，然后分别断开S1和S2，H1和H2均应熄灭。接入系统调试经以上模拟调试，如无异常情况，可将伺放接入系统使用。当伺放接入系统后，若执行机构的阻尼特性不符合要求，在确定执行机构制动部件及位置发送器输出信号正常的情况下，可将伺放的调稳电位器R1s向“稳”的方向作少量调整。电动伺服操作器DFD-0500DFD-05型电动操作器是DDZ-III型电动单元组合仪表中的一个辅助单元。DFD-0500型电动操作器是DDZ-III型电动单元组合仪表中的一个辅助单元。DFD-05或DFD-0500适用于DDZ-II、DDZ-III型变送器和调节器与电动执行器组成的自动调节系统中，应用DFD-05、DFD-0500可以使执行机构工作在自动调节、手动控制和就地操作三种工作状态。与PID调节器或PI调节器配合使用，可实现调节系统由“手动”到“自动”或由“自动’到“手动”的无干扰切换。操作器本身具有手动控制和自动调节工作状态的显示。主要技术性能指标：（1）电流指示：DFD-050～10mA，DFD-05004～20mA，指示表的刻度误差为±2.5％。（2）输出跟踪电压：DFD-050～10VDC，DFD-05001～5VDC。（3）反馈回路电阻：200Ω。（4）供电电源：220v(50Hz)。 （5）能对系统实现手动、自动无干扰切换。（6）工作状态：转换开关触头额定电压220V电流5A。（7）手动状态：操作开关触头额定电压220V电流5A。（8）工作状态：环境温度(-10～40℃)，相对温度<=80%（9）外形尺寸：80×80×275(mm)开口尺寸：75×75(mm)电路原理图由切换开关(HK)和操作开关(1K、2K)，双针槽形表(1CB、2CB)及工作状态指示灯(1ZD、2ZD)及电源变压器(R)组成。切换开关可完成。“自动”到“就地”到“手动”三种状态的切换。当切换开关在“自动”位置时，这时指示灯红灯亮，放大器的输出端子(9)-(10)和(11)-(12)经过操作器与执行器伺服电机的(3)-(4)-(5)和(8)-(9)-(10)相连，执行器的位置变送器的(1)和(2)经过操作器内部的电流表2CB和电阻2R与放大器的(8)和(7)相连，调节器的输出(11)与操作器的(3)相联，放大器的(2)与调节器的(13)相连，由操作器的电流表1CB指示出自动信号电流的大小，这时系统工作在自动调节状态，并可随时切换到手动而且是无扰切换。当切换开关在手动位置时，这时指示灯绿灯亮。执行器的伺服电机端子(3)-(4)-(5)和(8)-(9)-(10)分别通过操作器内的操作开关(1K)和(2K)与电源相连。执行器位置反馈端子(1)和(2)与操作器端子(5)和(6)相联位置反馈电流经过电流表2CB指示出位置反馈电流和电阻1R，2R上产生的跟踪电压经过操作器端子14和15。与PID调节器端子相连，这时操作器端子16和17被切换开关短路，与调节器的端子变阻器相联。电流表1CB指示出PID调节器的输出电流对位置反馈电流进行跟踪调节，因此当调节器偏差表指示为零耐，执行器停在某位置后，即可由手动切换到自动。从而实现无干扰切换。当切换开关在中间位置时，这时执行器的伺服电机断电。保证了就地操作的安全可靠，同时也可以避免因为线路短路或操作开关触头粘连等事故的出现。提高了运行的可靠性，这时仍然由1CB指示出调节器输出电流，由2CB指示出位置反馈电流。操作器采用面板安装式结构，是靠安装支架将仪表固定在操作盘上，有“手动”和“自动”工作状态的指示灯，“手动”、“自动”和“就地”三种工作状态的切换开关旋钮和手动操作开关的按钮，位置反馈电流及调节器输出电流指示的双针电流表表盘，其下表针指示位置反馈电流，上表针指示调节器输出电流。电动执行机构DKZ5500MDKZ系列直行程电动执行机构是自动调节系绕的终端执行单元。它接受来自调节器或计算机的4～20mA模拟信号，输出推力，自动地操纵调节机构，完成调节任务。DKZ系列直行程电动执行机构是输出直线位移的电动执行机构，控制各种需要直线位移韵调节阀、套筒阀。可广泛用于电站、冶金、化工、石油、建材、轻工及水处理等各个行业生产过程的自动控制。DKZ系列直行程电动执行机构配上各种电动操作器，可完成调节系统的“手动”到“自动”的无干扰自动切换及被调节对象的远方手动操作。主要技术性能指标：输入信号：4～20mA(或0～10mA)；输入通道个数：1(分立式为3个)；基本误差限：±25％；电源电压：220vAC+10％(-15％)50Hz；工作环境：温度：整体式-10～+55℃，分立式-25～+70℃；湿度：<=85执行部分接线图下图为伺服放大器、手操器及电动执行机构之间的接线图。参考上面的文字说明及该图连线，正确的接线便可以实现对控制阀的动作。从而对现场温度压力进行准确的控制。图4-5伺服放大器、手操器及电动执行机构之间的接线图软件设计模块设计目前，常用的温度采集系统绝大部分是由集成温度传感器和单片机构成的，这种方案从传感器到CPU还有许多环节需要系统设计者来设计，过程繁琐、调试期长、修改不方便，而本文借助LabVIEW图形化软件开发系统。用软件代替DAQ数据采集卡设计的这种虚拟温度采集系统,比以前的更易修改且成本低，周期短。系统对采集到的信号进行分析处理的过程都是用软件来实现的。本系统的主要软件实现工作都是在LabVIEW8.5平台下完成的。本系统软件设计采用模块化设计，各模块图如图5-1所示:主要控制模块图5一1功能模块图主要控制模块：提供用户接口。在用户通过鼠标或键盘发出指令后，主控模块通过统一调度各功能模块实现用户意图。本系统将在LabVIEW中定制windows标准风格窗口，并将之与LabVIEW的虚拟仪器前面板设计风格相结合，为用户提供一个操作简单、清楚的人机交互界面。信号采集模块：通过该模块实现对采集卡各通道设置，信号采集。信号处理模块：该模块主要对采集到的信号进行分析处理，得到我们所需要的信息。显示模块：该显示模块主要指的是数据分析处理及对所需信息的显示，主要包括采集信号的图线显示以及所需信息的数据显示。数据存储模块：通过数据存储模块实现对温度、压力数据进行保存的功能。温度、压力控制模块：通过对采集卡编程，来输出控制信号，对温度加热硬件进行控制。数据输出模块：通过该模块实现对采集卡各通道设置，确定激励信号输出、控制信号输出通道。温度、压力的采集显示存储输出子程序温度、压力设定图5-2温度、压力设定前面板上图为温度、压力曲线的设定。本设计利用公式节点对温度、压力进行分段控制。温度压力采集子程序图5-3温度采集子程序该程序可以设定输入信号的采样频率和输出通道采样模式。温度、压力采用同样的子程序。温度显示转换框图本设计仅以Pt100热电阻，SCC-RTD01调理模块为例计算一次标度变换。在温度为0~100℃范围内，铂热电阻与温度呈线性关系，可用特性方程表示：Rt=R0(1+APtt)式中：Rt，R0分别为温度t℃和t0℃时电阻值；APt为铂电阻的温度系数，APt=3.90807*10-3/假设对上面采集进来的电压2.75V，除以25再除以1mA的电流（调理模块内由1mA的恒流源，且对电压放大25倍），则可算得Rt=110Ω，进而算得温度t=26℃。DAQ板卡采集进来的信号是电信号，而我们给定的被控量是温度。所以要对采集进来的电信号进行一个线性的对应转换。这一过程可由如下的标度变换子程序实现。图5-4温度显示转换数据保存回放模块图5-5温度、压力保存模块当按下保存数据按钮后，条件结构为真，仪器自动把温度值保存到指定盘的文件中，对数据进行保存。当按下回放按钮后，仪器自动从指定文件读取数据。输出模块图5-6数据输出模块该模块可对输出通道进行选择将控制信号接入伺服放大器对执行机构就行控制。PID控制器设计在连续-时间控制系统中，PID控制器应用得非常广泛。其设计技术成熟，长期以来形成了典型的结构，参数整定方便，结构更改灵活，能满足一般的控制要求。本设计将详细地讨论数字PID控制器的设计和调试问题。应用PID控制，必须适当地调整比例放大系数Kp，积分时间TI和微分时间TD，使整个控制系统得到良好的性能。在数字计算机中，PID控制规律的实现，也必须用数值逼近的方法。当采样周期相当短时，用求和代替积分，用差商代替微商，使PID算法离散化，将描述连续-时间PID算法的微分方程，变为描述离散-时间PID算法的差分方程。PID控制器是一种线性控制器，用输出量y（t）和给定量r（t）之间的误差的时间函数，e(t)=r(t)-y(t)。目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。同时，控理论的发展也经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。自动控系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器已经很多，产品己在工程实际中得到了广泛的应用，有各种各样的PID控制器产品，各大公司均开发了具有PID参数自整定功能的智能调节器，其中PID控制器参数的自调整是通过智能化调整或自校正、自适应算法来实现。有利用PID控制实现的压力、流量、液位控制器，能实现PID控制功能的可编程控制器(PLC)，还有可实现PID控制的PC系统等等。控制系统的分类控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。开环控制系统是指被控对象的输出(被控制量)对控制器的输出没有影响。在这种控系统中，不依赖将被控量送回来以形成任何闭环回路。闭环控制系统的特点是系统被控对象的输出(被控制量)会反送回来影响控制器的输出，形成一个或多个闭环。闭环控制系统有正反馈和负反馈，若反馈信号与系统给定信号相反，则称为负反馈，若极性相同，则称为正反馈，一般闭环控制系统均采用负馈，又称负反馈控制系统。闭环控制系统的例子很多。比如人就是一个具有负反馈的环控制系统，眼睛便是传感器，充当反馈，人体系统能通过不断的修正最后做出各种确的动作。如果没有眼睛，就没有了反馈回路，也就成了一个开环控制系统。LabVIEW环境下温度测控系统的深入研究与实现阶跃响应是指将一个阶跃输入加到系统上时，系统的输出。稳态误差是指系统的应进入稳态后，系统的期望输出与实际输出之差。控制系统的性能可以用稳、准、快3个字来描述。稳是指系统的稳定性，一个系统要能正常工作，首先必须是稳定的，从跃响应上看应该是收敛的；准是指控制系统的准确性、控制精度，通常用稳态误差来表述，它表示系统输出稳态值与期望值之差；快是指控制系统响应的快速性，通常用上时间来定量描述。PID控制的原理和特点PID控制中的P为比例，I为积分，D为微分，PID调节器要调节的也就是这三个数。在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。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最适合用PID控制技术。实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例积分、微分计算出控制量进行控制的，各自对系统的影响如下:1.比例(P)的影响:比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。2.积分(I)的影响:在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有系统。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。3.微分(D)的影响:在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分(即误差的变化率)成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于在有较大惯性组件(环节)或有滞后组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例十微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。在电子数字计算机直接数字控制系统中，PID控制器是通过计算机PID控制算法程序实现的。计算机直接数字控制系统大多数是采样-数据控制系统。进入计算机的连续-时间信号,必须经过采样和整量化后，变成数字量，方能进入计算机的存贮器和寄存器，而在数字计算机中的计算和处理，不论是积分还是微分，只能用数值计算去逼近。PID控制算法在数字计算机中，PID控制规律的实现，也必须用数值逼近的方法。当采样周期T相对于输入信号变化周期很小时，可用矩形法来求积分的近似值，用一阶的差分来代替微分。位置式算法图5-7位置式PID控制算法的简化示意图考虑式（5-1）用矩形积分时，有

(5-2)用差分代替微分

(5-3)将式（4-2）、（4-3）代入式（4-1），PID算法变为

(5-4)或

（5-5）式中

u

0——控制量的基值，即n=0时的控制；e（n）——第n个采样时刻的控制；KP——比例放大系数；

KI——积分放大系数；,；KD——微分放大系数；TS——采样周期。式（4-4）是数字PID算法的非递推形式，称全量算法。算法中，为了求和，必须将系统偏差的全部过去值e（n）（j=1，2，3，...，n）都存储起来。这种算法得出控制量的全量输出y（n），是控制量的绝对数值。在控制系统中，这种控制量确定了执行机构的位置，例如在阀门控制中，这种算法的输出对应了阀门的位置（开度）。所以，将这种算法称为“位置算法”。增量式PID控制算法当执行机构需要的不是控制量的绝对值，而是控制量的增量（例如去驱动步进电动机）时，需要用PID的“增量算法”。图5-8增量式PID控制算法的简化示意图

由位置算法求出

(5-6)再求出(5-7)两式相减，得出控制量的增量算法(5-8)式(5-8)称为增量式PID算法。

PID控制器的参数整定PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大