水箱温度测控的设计与实现毕业设计

毕业设计（论文）水箱温度测控系统的设计与实现水箱温度测控系统的设计与实现［摘要］论文采纳对被控对象单容水箱成立了仿真模型，用对labview的拟操纵系统其设计了水箱对象模型及常规PID操纵系统。在该系统设计中，论文就常规PID操纵器的设计作了详细表达，并对其进行参数整定取得了最正确PID参数，在100时仿真实验取得阶跃响应曲线。然后对单容温度对象设计了PID操纵系统。然后提出了系统的整体结构，对系统操纵原理进行了分析，详细表达了如何设计对水箱温度的操纵。本文探讨对水箱温度操纵系统的PID操纵在虚拟仪器开发软件LabVIEW中的实现方式，并将其应用于水箱温度的操纵，并对其实现性做了分析，仿真结果说明操纵系统具有良好的动、静态操纵成效，系统是能够实现的。关键词:LabVIEW水箱对象模型PID温度操纵系统TankTemperatureControlSystemDesignandImplementationAbstract:Alongwiththescienceandtechnologyandthedevelopmentofcomputertechnologyandvirtualinstrumentisdeveloped,basedonthecontrolsystemoflabviewcontrolsystemprovidesaplatform.Thispaperdiscusstheproblem,temperaturecontrolsystembackground,researchstatusandthesubjectofthecontentandmeaning.Papersofthecontrolledobjectsingleletwatertankwithestablishedsimulationmodel,thecontrolsystemoflabviewitsdesignthetankobjectmodelandconventionalPIDcontrolsystem.Inthissystem,thethesisisdesignofconventionalPIDcontrollerdesignforadetaileddescriptionandtogettheoptimumparametersin100PIDparametersobtainedsimulationexperimentstepresponsecurve.ThenletthetemperatureoftheobjectsPIDcontrolsystemdesign.Andthenputsforwardtheoverallstructureofthesystem,thecontrolprincipleofsystemareanalyzedindetail,andhowtodesignthecontrolofwatertemperature.BasedonthetemperaturecontrolsystemofPIDcontrolinLabVIEWvirtualinstrumentsoftwaredevelopment,andtherealizationmethodsappliedtothewatertemperaturecontrol,anditsimplementationareanalyzed,thesimulationresultsshowthatthecontrolsystemhasgooddynamicandstaticcontroleffect,thesystemcanberealized.Keywords:LabVIEW,Tankobjectmodel,PID,controlsystem.TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"课题背景 4\o"CurrentDocument"1.2水箱温度操纵研究的现状 5\o"CurrentDocument"本设计的技术要求 5课题的意义及本论文的要紧内容 61-4-1课题的意义 61.4.2本论文的要紧内容 6\o"CurrentDocument"课题的整体方案 6第二章水箱温度操纵系统硬件设计 7\o"CurrentDocument"整体方案设计 8加热器的选择 12第三章水箱温度操纵系统仿真 13\o"CurrentDocument"虚拟仪器的概念 14\o"CurrentDocument"LABVIEW的操作模板 15工具模板(ToolsPalette) 15操纵模板(ControlsPalette) 16功能模板(FunctionsPalette) 16\o"CurrentDocument"水箱对象模拟 17\o"CurrentDocument"水箱的对象装置 17\o"CurrentDocument"水箱对象的数据搜集 18\o"CurrentDocument"水箱温度PID操纵系统的工作原理 19\o"CurrentDocument"3.6.1PID操纵器的设计 193.6.2数字pid算法 203.6.3增量式pid操纵算式 21\o"CurrentDocument"水箱温度的PID操纵系统的LV实现 22\o"CurrentDocument"水箱温度操纵系统的参数设定及结果分析 23\o"CurrentDocument"5.终止语 25\o"CurrentDocument"参考文献 26\o"CurrentDocument"致谢 27终止语 25参考文献 26致谢 27第一章绪论课题背景温度是工业生产中常见的工艺参数之一，任何物理转变和化学反映进程都与温度紧密相关，因此温度操纵是生产自动化的重要任务。关于不同生产情形和工艺要求下的温度操纵，所采纳的升温加热方式，操纵方案也有所不同。像电力、化工、石油、冶金、航空航天、机械制造、粮食贮存、酒类生产等领域内，温度常常是表征对象和进程状态的最重要的参数之一。能够说几乎所有的工业生产部门都不能不考虑着温度那个因素。国外温度操纵系统及仪表正朝着高精度智能化、小型化等方面快速进展。温度操纵系统在国内各行各业的应用尽管已经十分普遍，但从国内生产的温度操纵器来讲，整体进展水平仍然不高，同国外的日本、美国、德国等先进国家相较，仍然有着较大的差距。目前，我国在这方面的整体技术水平处于20世纪80年代中后期水平。1・2水箱温度操纵研究的现状随着单片机技术的飞速进展，基于单片机的温度测控系统在检测和操纵系统中的应用也愈来愈普遍。本文设计了一种基于PID算法的温度测控系统，并在水箱上加以应用，从而实现对水箱的温度进行实时精准测量、自动检测和操纵，有效的提高了操纵系统的实时性和操纵精度，大大改善了水箱温度操纵的自动化程度，具有较高的有效价值。目前的测温操纵系统多数利用传统温度测量仪器，其功能大多都是由硬件或固化的软件来实现，而且只能通过厂家概念、设置，其功能和规格一样都是固定的，用户无法随意改变其结构和功能，因此已不能适应现代化监测系统的要求。随着运算机技术的飞速进展，美国国家仪器公司率先提出了虚拟仪器的概念，完全打破了传统仪器由厂家概念、用户无法改变的模式，使测控仪器发生了庞大变革。虚拟仪器技术充分利用运算机的壮大运算处置功能，冲破传统仪器在数据处置、显示、传输、存储等方面的限制.通过交互式图形界面实现系统操纵和显示测量数据，并利用框图模块指定各类功能。采纳集成电路温度传感器和虚拟仪器方便地构建一个测温系统，且外围电路简单，易于实现，便于系统硬件保护、功能扩展和软件升级口。本设计的技术要求测控系统应能对水箱温度进行搜集、计算、操纵、存储、显示检测和打印输出。（2） 可对温度测试值进行实时显示监测，利用者可清楚明白所有瞬时参数及累计参数，应可随时进行查询和报表打印。（3） 当受到干扰时能进行PID调剂。（4） 人机交互界面友好、快捷，具有报警功能。（5） 在硬件和软件上具有必然的抗干扰方法。课题的意义及本论文的要紧内容1.4.1课题的意义在钢铁、机械、石油化工、电力、工业炉窑等工业生产中，温度是极为普遍又极为重要的热工参数之一。随着自动化水平的不断提高和对产品质量要求的不断提高，对温度的测控精度、响应速度、系统稳固性和适应能力等方面要求愈来愈高，测温范围愈来愈广，因此，温度测控技术的研究是一个重要的研究课题，研究高性能的温度操纵仪表具有重要意义。温度操纵的关键在于测温和控温两方面。在温度测量方面，热电阻和热电偶以其精度高、稳固性好、价钱低等特点，在工业领域取得了普遍应用尽管热电阻和热电偶测量中，传感器的非线性校正已经有多种方式，但有些方式存在着变换电路复杂、软硬件开销大、稳固性差等问题。因此，寻求一种简单、稳固的检测电路和非线性校准电路，关于工业生产和科学研究超级重要。在温度操纵方面，由于操纵对象愈来愈复杂，还存在着许多问题，人们还在寻觅着更好的操纵方式以提高操纵性能，知足不同的操纵要求。随着科学技术的进展PID操纵技术在虚拟仪器中的应用更能解决这些问题。1.4.2本论文的要紧内容本文在充分研究温度操纵的特点与操纵方式的基础上，设计了基于LabVIEW的PID操纵器，用于单容水箱温度对象的操纵，采纳仿真法显示实验结果，采纳比较法证明应用该法进行操纵的优势。课题的整体方案本课题设计的水箱流量的系统要紧有单容水箱，NI-6009数据搜集卡，流量计，液体流动阀门和采纳LABVIEW编写的PID操纵软件组成。该课题是基于版本的labview环境下实现pid操纵的设计的。如下是对本课题的设计整体步骤：第一步：对水箱流量的操纵系统的整体计划和选择适合的传感器和其详细的参数和搜集卡的选择和水箱的形状的确立和水箱材料和阀门的选定。第二步：设计单容水箱并传感器和阀门组装在一路。第三步：进行Pid的操纵算法的确立和选择简便的算法并在labview中编程第四步：把PID操纵和水箱的流量的模型连接在一路并整理labview前面板的整理和最后的程序调试第五步：进行结果分析第二章水箱温度操纵系统硬件设计整体方案设计本系统由水箱装置（仿真模型）、温度传感器（K型热电偶）、数据搜集卡、信号的处置部份、信号的搜集、温度的监控组成，由温度传感器实现温度的测量，将测得的温度信号送给数据搜集卡对温度进行搜集，以便实现温度的监测和操纵，提高了系统的平安性、方便性。系统原理框图如图2-1所示。系统工作时，温度传感器将水箱的温度转变转换成电流转变，然后通过信号处置电路将电流信号转变成搜集卡处置的电压信号。然后将数据送给运算机，并通过运算机运行的LabVIEW的程序来分析处置输入数据，同时，依照采样输入信号，利用LabVIEW中的PID操纵算法，求出系统输出信号的大小，再将输出信号传输至外部，现在输出的是数字信号，还需要对数字信号进行一次转换，转换成模拟信号，本系统通过D/A转换电路实现模/数转换。通过瘦数转换后的信号送给后续统执行装置，执行装置依照信号发生动作以实现温度操纵，如此便形成了闭环操纵系统。该系统集运算机、壮大的图形化编程软件和模块化的硬件于一体，能够很方便的成立灵活且以运算机为基础的测量及操纵方案，构建出知足需要的系统，具有专门好的有效性和可操作性，有专门好的应用前景。图2-1系统原理框图温度搜集系统传感器选择温度检测系统包括温度传感器、电压放大电路和温度外补偿电路，电路如图2-2所示，温度传感器采纳热电偶，它将温度信号转换成电势（mV）信号，配以测量信号的仪表或变换器，即能够实现温度的测量和温度信号转换。热电偶温度计由于测温范围宽，它在工程实际中的应用超级普遍。热电偶温度计能用来测量点的温度和壁面温度，也能用来进行动态温度测量。从1K到3000K的温区，都可选择不同型号的热电偶温度计实现温度测量。电压放大电路：采纳的K型热电偶，其输出的热电势超级小，每1°C约为，因此，为了将其转换为A/D的输入信号，必需进行放大，采纳高灵敏度、高增益、低漂移的集成运算放大器AD707。电路中，R—、R二、RP3决定电路，放大增益的大小用RP3可使增益在111与131之间可调。图2-2温度检测电路2.2.1温度传感器与温度搜集本系统的温度搜集系统，第一需要将检测的温度信号处置成相应的电信号。因此需要把温度转换为电信号的转换器。热电式传感器是一种将温度转变转换成电量转变的装置。其中将温度转换成电势的热电式传感器叫热电偶，将温度转换成电阻值的热电式传感器叫热电阻。作为工业测温中最普遍利用的温度传感器之一，热电偶与伯热电阻一路，约占整个温度传感器总量的60%。这两种传感器在目前的工业生产中取得最为普遍的应用。热电偶作为一种要紧的测温元件，具有制造容易、利用方便、测温范围宽、测温精度高，性能稳固结构简单，且动态相应好，输出直接为电压信号，能够传送便于集中检测和操纵等特点。热电偶通常和显示仪表等配套利用，可直接用于测量各类生产进程中-40〜1800°C度范围的液体、蒸汽介质和固体的表面温度。2.2.2热电偶的温度测量原理热电偶是目前温度测量中应用极为普遍的一种温度测量系统。其工作原理是基于物体的热电效应。如图(2-3)所示：图2-3热电偶的组成把两种不同的导体或半导体材料AB连接好形成闭合回路，将他们的两个极端别离置于温度为T和T(T>T)的热源中，那么回路中就产生热电动势(简称热0 0电势)，可用EB(T,T0)表示，这种现象称为热电效应.咱们把这两种不同材料

的导体或半导体的组合称为热电偶°A和B称为热电极，温度高的极点称为热端（或工作端），温度低的极点称为冷端或自由端。如图2-3所示的热电偶产生的热电势由两种导体的接触电动势和单一导体的温差电动势组成。（一）接触电动势：所有金属内部有大量的自由电子，而不同的金属材料其内部自由电子密度不同，当两种不同的金属导体接触时，在接触面上因自由电子密度不同而发生电子扩散，电子扩散的速度与导体的电子密度有关，而且和接触点的温度成正比。设导体A和B的自由电子密度别离为七和吨，且有NA＞叽，那么在接触面上由A扩散到B的自由电子将必然比由B扩散^瞌的电子数多：因此，导体A失电子而带正电荷，导体B因取得电子而带负电荷，在A和B的接触面上便形成了一个A到B的静电场。如以下图2-4所示：图2-4EAiT）接触电动势那个电场组，阻碍了电子的继续扩展，当达到平稳时，在接触区形成一个稳固的电位差，即接触电动势其大小可表达为：EB（EB（T）=KT、N ln—aeNB（3-1）式中：K一波耳兹曼常数，K=X10-16；T一接触点的热力学温度；NA、、一导体A、B中的自由电子密度；e一电子电荷量。（二）温差电动势：在单一导体中，若是两头温度不同，两头间会产生电势，即单一导体的温差电势。这时高温端带正电荷，低温端因为得电子而带负电荷，从而形成一个静电场，如图（2-5）所示：

图2-5Ea(T,孔)温差电动势该电场阻碍电子的继续扩散，当达到动态平稳时，导体的两头便产生一个相应的电位差该电位差称为温差电势。温差电势的大小可表示为：E(")=jTdT (3-2)A0 T0A式中：。A—汤姆逊系数，其含义的单一导体两头温度差为1°C时所产生的温差电动势。热电偶回路电动势：关于由A、B组成的热电偶闭合回路，NA＞、闭合回路的热电动势为:Ea(t,T)Ea(t,T)=[Ea(t)-Eb(T)]-[Ea(T,T)-E(t,t)]=K(t-T)lnN-iT(ae0Ne 0B0Eab(T，T0)=[Eab(T)-i:(aA-aB)dT"-T0=Eab(t)-Eab(T)T0-a)dTABE (t)-jT0(aAB0 0-aAB(3-3)其中：Eab(t)为热端电动势，Eab(T)为冷端电动势。由此可知：只有当热电偶的两个电极材料不同，且两接点的温度也不同时，才会产生电动势。当热电偶的两个不同的电极材料确信后，热电动势变与两个接点温度T和T有关。既回路的热电动势是两个接点的温度函数之差：E(T,T)=f(T)-f(T)B0 0当自由端九固定不变时，f(T)为常数。由此可见，热电动势和工作端温度t是单值函数关系。由此制订出标准热电偶分度表，该表是将自由端温度维持为0°C，通过实验成立起来的热电动势与温度之间的数值关系。这为工程中热电偶应用带来了极大的方便。热电偶的选择经常使用标准化热电偶的特点如下：1铂铑10—铂热电偶，性能稳固，准确度高，可用做基准和标准热电偶。热电动势比较低，价钱昂贵，不能用于金属蒸汽和还原性气体环境中。2铂铑30—铂铑6热电偶，较铂铑10—铂热电偶具有更高的稳固性和机械强度，最高测温可达1800°C，室温下热电动势较低，可作为标准热电偶，一样情形下不需要进行补偿和修正处置。由于其热电动势较低，需采纳高灵敏度高精度的仪表。3镍铭一镍硅或镍铭一镍铅热电偶，热电动势较高，热电特性具有较好线性，良好的化学稳固性，具有较强的抗氧化性和抗侵蚀性。稳固性较差，测量精度不高。4镍铭一考铜热电偶，热电动势较高，电阻率小，适合于还原性和中性环境下测量，价钱廉价，测量上限温度不高。5镍铭一康铜热电偶，热电动势较低，价钱廉价。高温下易氧化，适合于低温和超低温测量。其中镍铭一镍硅分度号为K的热电偶，稳固性较高，可在氧化性和中性介质中长期测900°C以下温度，短时间可测量1200°C。其答复性较好，产生热电势较大，线性好，价钱廉价。但他在还原性介质中易被侵蚀，能测500°C下的温度，且测量精度较高，而且完全能知足工业要求，是工业中最经常使用的一种热电偶。经综合考虑K型热电偶的测温范围、测温精度、测温特性及价钱，本文研制的温度搜集系统选择利用K型热电偶作为温度传感器。K型热电偶通常和显示仪表，记录仪表和电子调剂器配套利用。 K型热电偶能够直接测量各类生产中从0°C到1300°C范围的液体蒸汽和气体介质和固体的表面温度。K型热电偶通常由感温元件、安装固定装置和接线盒等要紧部件组成。镍铭-偶（K型热电偶是目前用量最大的廉金属热电偶，其用量为其他热电偶的总和。K型热电偶丝直径一样为1.2〜mm。正极（KP）的名义化学成份为：Ni：Cr=92:12，负极（KN）的名义化学成份为：Ni：Si=99:3，其利用温度为-200~1300C。K型热电偶具有线性度好，热电动势较大，灵敏度高，稳固性和均匀性较好，抗氧化性能强，价钱廉价等优势，能用于氧化性惰性气氛中。普遍为用户所采纳。K型热电偶不能直接在高温下用于硫，还原性或还原，氧化交替的气氛中和真空中，也不推荐用于弱氧化气。为了更好的实现对水箱温度的操纵咱们需要选择一个加热器咱们选用铂热电阻进行加热。咱们通过PID操纵通过WZP系列薄膜铂热电阻来对水箱进行加热。下面是热电阻的技术指标：热电阻感温元件在0’C时的电阻值(Ro)分度号Ptl00B级R0：100+0.12Q铂热电阻的电阻与温度关系一般可用以下关系表示：在-79‘C范围内Rt=ROrl+At+Bt2+C(t-100*C)t3]在O〜600’C范围内：Rt=R0(1+At+Bt2)Rt为rC时热电阻的电阻值(Q)式中的R0为0*C时热电阻的电阻值(Q)t为被测介质温度(C)A、R、C等均为有关的分度常数。自然影响通过热电阻中的测量电流为2mA，测得的电阻增量换算成温度值应不大于0.3’C。热响应时刻当被测介质(一定温度和规定流速的水)温度出现阶跃变化时，热电阻的电阻值变化至相当于该阶跃变化的50%所需的时间，用1。s表示。具体数值参见型号规格表。公称压力系指在室温下保护管所承受的静态外压而不破损，测温性能不受其影响。绝缘电阻当周围空气温度15〜35‘C和相对温度不大于80%时，热电阻感温元件和保护管之间以及双支感温元件之间的绝缘电阻，应不小于100M》(电压10—100V)。最小可置入深度一样应不小于其爱惜管外径的15倍，再加上感温元件的长度。第三章水箱温度操纵系统仿真虚拟仪器的概念虚拟仪器(VirtualInstruments,简称VI)是一类用于数据搜集、分析、显示和仪器操纵的开发软件。除经常使用的LabVIEW外,还有LabScene、HPVEE、Prograph、vipers等。LabVIEW是美国国家仪器(NationalInstruments，简称NI)公司开发的一种图形化的编程环境，该公司还同时推出了另一种功能和应用环境不同的虚拟软件LabWindowsll6-zq。利用LabVIEW开发平台编制的程序称为虚拟仪器程序，简称为vI程序或vI。vI程序包括三个部份：程序前面板、框图程序和图标/连接器。程序前面板用于设置输入数值和观看输出量，用于模拟真实仪表的前面板。在程序前面板上，输入量被称为操纵件(Controls),输出量被称为显示件(Indicators)o操纵件和显示件是以各类图标形式出此刻前面板上，如旋钮、兀关、按钮、图表、图形等，这使得前面板直观易懂。以下图k1是一个能同时显示两参数的vI前面板程序。图3-1两参数同时显示VI前面板程序每一个程序前面板都对应着一段框图程序。框图程序用LabVIEW图形编程语言编写，能够把它明白得成传统程序的源代码。框图程序由端口、节点、图框和连线组成。其中端口被用来同程序前面板的操纵和显示传递数据，节点被用柬实现函数和功能挪用，图框被用来实现结构化程序操纵命令，而连线代表程序执行进程中的数据流，概念了框图内的数据流动方向。上述两参数显示程序的框图程序如以下图3.2所示。强何曲线图3-2强何曲线图3-2两参数同时显示VI框图程序□陟图标/连接器是子vI被其它vI挪用的接口。圈标是子vI在其他程序框图中被挪用的节点表现形式;而连接器那么表示节点数据的输入/输出口，就象函数的参数。用户必需指定连接器端口与前面板的操纵件和显示件一一对应。LABVIEW的操作模板LabVIEW具有多个图形化的操作模扳，用于创建和运行程序。这些操作模板能够随意在屏幕上移动.并能够放置在屏幕的任意位置。操纵模板共有三类，为工具(Tools)模板、操纵(Controls)模板和功能(Functions)模板。工具模板(TooIsPaIette)工具模板如图3-3所示。工具模板为编程者提供了各类用于创建、修改和调试vI程序的工具。工具图标有如下几种：图3-3工具模板

与上述工具模板不同，操纵和功能模板只显示顶层子模板的图标。在这些顶层子模板中包括许多不同的操纵或功能子模板。通过这些操纵或功能子模板能够找到创建程序所需的面板对象和框图对象。操纵模板(ControlsPalette)用操纵模板能够给前面板添加输入操纵和输出显示。每一个图标代表一个子模板。操纵模板如图3-4所示，它包括下面几个子模板。r板、数值的控制和皇示wI 布尔值于模块；逻辑数值的控制利字符申子模板e字符串和表略的技制和显示*列恭和坏(Ring)子模板，菜单环和宛表栏的控制和显示.图3-4操纵模板功能模板(FunctionsPalette)功能模板是创建框图程序的工具。该模板上的每一个顶层图标都表示一个子模板。功能模板如以下图3-5所示。图3-5功能模板水箱对象模拟水箱温度系统是基于水箱的温度的操纵，通过传感器的搜集到水箱的温度的数据，通过搜集卡，搜集到这些数据与设定值比较，送到操纵装置，通过执行器（水箱阀门）来调剂水箱的温度，从而使最终的结果接近设定值从而达到操纵。虚拟仪器的硬件能够完成信号的搜集，信号的放大、滤波、A/D转换等，因此硬件设计是整个水箱温度操纵系统得以顺利运行的保障，只有保证所搜集温度信号的正确，才能确保对后来数据做出正确的分析，得出正确的结论，供相关技术人员参考，从而使整个水箱温度操纵系统的设计具有实际的应用价值。水箱的对象装置本课题研究的是基于单容水箱的温度的PID操纵，其示用意如下图。水箱对象装置内流动的液体（纯净水）存储在水箱中，水箱内的水由泵抽出经自动阀门2注入水柱，再经出水阀门1流回水箱形成循环。通过电动阀门2（操纵阀门）能够调剂进水量g。，通过阀门1能够手动调剂出水量q。从而能够在水箱底面积必然的情形下来操纵水箱的液位下降速度来操纵水箱的流量。因此，这是一个典型的有自平稳能力的流量对象。

图单容水箱以下图是水箱的温度操纵的硬件图形，如下图:图水箱硬件装水箱对象的数据搜集取得系统的输入输出数据，是成立温度系统模型的前提】7〜8】。咱们能够通过编程操作数据搜集卡，实现数据搜集。本文中采纳VC++6.0来完成编码】9〜14】。1、VC++6.0操作数据搜集卡本系统采纳的是阿尔泰公司生产的PCI2006型号的数据搜集卡，其自带有访问操作数据搜集卡的底层驱动，因此在正式编程之前，第一需要把PCI2006.LIB、PCI2006.h添加到项目中。采纳面向对象化编程，为数据搜集卡成立一个IOPort类，将数据搜集功能全数封装在类中。二、精准地按时器实现VC++6.0中提供了以下几种可供选择的按时方式：WMTIMER消息映射能进行简单的时刻操纵。这种按时方式超级简单，能够实现必然的按时功能，但精度超级低。利用GetTickCount()函数实现按时。精度比WMTIMER消息映射高，CPU占用率超级高，只能用于要求不高的延时程序中。多媒体按时器函数DWORDtimeGetTime(void)，该函数按时精度为ms级，返回从Windows启动开始通过的毫秒数。可是很占用系统资源。利用。ueryPerformanceFrequency()和QueryPerformanceCounter()函数实现按时。其按时误差不超过1微秒，精度与CPU等机械配置有关，在精度要求超级高的情形下利用。水箱温度PID操纵系统的工作原理PID操纵器是种线性操纵器，它将设定值r(t)与实际输出值y(t)进行比较，形成误差：e(t)=r(t)-y(t),再对误差e(t)进行比例(P)、积分(I)、微分(D)运算，然后通过线性组合形成操纵量u(t)，一样模型的PID的操纵框图如下图。设定值偏差.一一控制量—腆―祓殷景石、PiD控福闰门T J斯象］,测量系统图水箱温度的PID操纵系统结构方块图3.6.1PID操纵器的设计常规PID操纵器是由比例、积分、微分三种数学运算组合而成的运算器，它们称为操纵器的操纵规律。PID操纵器的输入输出信号关系式为—Kp"(e)二号J(t)dr+Tjd；?)5*)+打、腿.顼声誓⑴对应的传递函数为：，泠)=宫:卜叫"1寿—》)⑵式中的kp是比例系数；Ti是积分时刻常数；Td是微分时刻常数；u(t)是为操纵输出。3.6.2数字PID算法基于虚拟仪器的PID操纵是一种采样操纵，只能依照采样时刻的误差值计算操纵量，因此式(1)中的积分和微分项不能准确计算，只能用数值计算的方式逼近，称为数字PID操纵算式.数字PID操纵算式通常又分为位置式PID操纵算式和增量式PID操纵算式。3.6.2.1位置式PID操纵算式在采样时刻t—kT(T为采样周期)，为了便于运算机实现PID操纵，把微分方程式(1)改写成差分方程，即(3)(4)(3)(4)式中，T为操纵周期；为操纵周期序号；e(n—1)，e()别离为第(一1)，()个操纵周期所得的误差.将公式(3)和(4)代人公式(1)可得位置PID表达式：u(k)=Kp ++缶点)一心-1.)］〕若是采样周期T取的足够小，这种逼近相当准确，缺点是由于全量输出，因此每次输出均与过去的状态有关，计算时要对e(足)进行累加，运算机运算工作量大.3.6.3增量式PID操纵算式增量式PID操纵算式是指数字操纵器的输出只是操纵器的增量Au(k).依照递推原理可得：u(k—1)=Kp｛《以一1)+gZ客。)+孕[e(&—1)—e(k—2)]j用式(5)减去式(6)可得：△t(k)—u(k)—u(k—1)—K*、k)一心-1)+/L以)十宰"。)一心-2)])能够看出，由于一样运算机操纵系统采纳恒定的采样周期T,一旦确信了K、Ti、T,只要利用前后3次测量值的误差，即可由式⑺求出操纵增量.位置式与增量式操纵算法并无本质区别，增量式操纵尽管只是算法上作了一点改良，却有许多优势：误动作时阻碍小；手动/自动切换时冲击小，便于无扰动切换；算式中不需要累加.可是增量式操纵也有不足的地方，积分截断效应大，有静态误差，溢出的阻碍。因此在这次课题中咱们采纳增量式PID算法来实现对水箱流量系统的操纵。如图确实是在LABVIEW中实现的PID操纵程序：

止de：inti5dde;血二Kp*〔da+T/Ti脆止de：inti5dde;U.=du+ul:nl=u:图水箱温度PID操纵程序框图水箱温度的PID操纵系统的LV实现水箱温度PID操纵系统的LV整体框图如以下图4-3所示。该图共由四部份组成，功能如下：（1）为个参数、权赋初始值。（2）PID操纵器。（3）水箱模型。（4）系统误差显示、记录及程序运行操纵等部份。水箱温度PID操纵系统LV程序图所示

图水箱温度PID操纵的全程序图水箱温度的PID操纵系统LV前面板如以下图所示:图水箱温度的PID操纵系统LV前面板水箱温度操纵系统的参数设定及结果分析在PID操纵系统中，由于PID操纵参数直接阻碍到整个系统的操纵性能，因此，确信一组较准确的参数值是一项相当重要的工作。参数整定通常有两种方式，即理论设计法和实验确信法。前者需要被控对象的精准模型，然后采纳最优化的方式确信PID的各参数。被控对象的模型能够通过物理建模或系统辨识等方式取得，但如此通常只能取得近似的模型。通过实验确信法（试凑法）来选择PID参数一般是行之有效的方式。试凑法是通过模拟或闭环运行系统来观看系统的响应曲线，然后依照各操纵参数对系统响应的大致阻碍来改变参数，反复试凑，直至逼近最优值。在考虑了以上参数对操纵进程的阻碍后，试凑时，可按先比例一后积分一再微分的顺序反复调试参数。具体步骤如下：第一只调整比例部份，将比例系数由小变大，并观看系统所对应的响应，直到取得响应快、超调量小的响应曲线为止。若是这时系统的静态误差己在许诺范围内，而且达到4：l哀减比(定值系统的最正确体会值)的响应曲线，那么只需要调整比例环节即可，由此能够确信出比例系数。若是在比例调剂的基础上，系统的静态误差还达不到设计要求，那么必需调整积分环节。积分常数在试凑时，先给一个较大值，并将上一步伐整时取得的比例系数略微减小，然后慢慢减小积分常数进行试凑，并依照所取得的响应曲线进一步伐试比例系数和积分常数值，直到排除静态误差，而且维持良好的动态性能为止。若是利用比例积分环节尽管排除静态误差，但系统的动态性能仍不能令人中意，这时可调剂微分环节。在试凑时，可先给一个很小的微分常数，以后慢慢增大，同时相应地改变比例系数和积分常数，直到取得中意的成效为止。依照上述方式对系统进行参数整定，取得本系统的最正确参数值为：Kp=;Ti=19;Td=咱们把采样周期设定为T=1s.，在系统工作点别离处于50摄氏度、100摄氏度，操纵器参数为K。=4.1，