畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）水箱溫度測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)水箱溫度測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［摘要］論文采納對(duì)被控對(duì)象單容水箱成立了仿真模型，用對(duì)labview的擬操縱系統(tǒng)其設(shè)計(jì)了水箱對(duì)象模型及常規(guī)PID操縱系統(tǒng)。在該系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，論文就常規(guī)PID操縱器的設(shè)計(jì)作了詳細(xì)表達(dá)，并對(duì)其進(jìn)行參數(shù)整定取得了最正確PID參數(shù)，在100時(shí)仿真實(shí)驗(yàn)取得階躍響應(yīng)曲線。然后對(duì)單容溫度對(duì)象設(shè)計(jì)了PID操縱系統(tǒng)。然后提出了系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，對(duì)系統(tǒng)操縱原理進(jìn)行了分析，詳細(xì)表達(dá)了如何設(shè)計(jì)對(duì)水箱溫度的操縱。本文探討對(duì)水箱溫度操縱系統(tǒng)的PID操縱在虛擬儀器開(kāi)發(fā)軟件LabVIEW中的實(shí)現(xiàn)方式，并將其應(yīng)用于水箱溫度的操縱，并對(duì)其實(shí)現(xiàn)性做了分析，仿真結(jié)果說(shuō)明操縱系統(tǒng)具有良好的動(dòng)、靜態(tài)操縱成效，系統(tǒng)是能夠?qū)崿F(xiàn)的。關(guān)鍵詞:LabVIEW水箱對(duì)象模型PID溫度操縱系統(tǒng)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"課題背景 4\o"CurrentDocument"1.2水箱溫度操縱研究的現(xiàn)狀 5\o"CurrentDocument"本設(shè)計(jì)的技術(shù)要求 5課題的意義及本論文的要緊內(nèi)容 61-4-1課題的意義 61.4.2本論文的要緊內(nèi)容 6\o"CurrentDocument"課題的整體方案 6第二章水箱溫度操縱系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 7\o"CurrentDocument"整體方案設(shè)計(jì) 8加熱器的選擇 12第三章水箱溫度操縱系統(tǒng)仿真 13\o"CurrentDocument"虛擬儀器的概念 14\o"CurrentDocument"LABVIEW的操作模板 15工具模板(ToolsPalette) 15操縱模板(ControlsPalette) 16功能模板(FunctionsPalette) 16\o"CurrentDocument"水箱對(duì)象模擬 17\o"CurrentDocument"水箱的對(duì)象裝置 17\o"CurrentDocument"水箱對(duì)象的數(shù)據(jù)搜集 18\o"CurrentDocument"水箱溫度PID操縱系統(tǒng)的工作原理 19\o"CurrentDocument"3.6.1PID操縱器的設(shè)計(jì) 193.6.2數(shù)字pid算法 203.6.3增量式pid操縱算式 21\o"CurrentDocument"水箱溫度的PID操縱系統(tǒng)的LV實(shí)現(xiàn) 22\o"CurrentDocument"水箱溫度操縱系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)定及結(jié)果分析 23\o"CurrentDocument"5.終止語(yǔ) 25\o"CurrentDocument"參考文獻(xiàn) 26\o"CurrentDocument"致謝 27終止語(yǔ) 25參考文獻(xiàn) 26致謝 27第一章緒論課題背景溫度是工業(yè)生產(chǎn)中常見(jiàn)的工藝參數(shù)之一，任何物理轉(zhuǎn)變和化學(xué)反映進(jìn)程都與溫度緊密相關(guān)，因此溫度操縱是生產(chǎn)自動(dòng)化的重要任務(wù)。關(guān)于不同生產(chǎn)情形和工藝要求下的溫度操縱，所采納的升溫加熱方式，操縱方案也有所不同。像電力、化工、石油、冶金、航空航天、機(jī)械制造、糧食貯存、酒類生產(chǎn)等領(lǐng)域內(nèi)，溫度常常是表征對(duì)象和進(jìn)程狀態(tài)的最重要的參數(shù)之一。能夠說(shuō)幾乎所有的工業(yè)生產(chǎn)部門(mén)都不能不考慮著溫度那個(gè)因素。國(guó)外溫度操縱系統(tǒng)及儀表正朝著高精度智能化、小型化等方面快速進(jìn)展。溫度操縱系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)各行各業(yè)的應(yīng)用盡管已經(jīng)十分普遍，但從國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的溫度操縱器來(lái)講，整體進(jìn)展水平仍然不高，同國(guó)外的日本、美國(guó)、德國(guó)等先進(jìn)國(guó)家相較，仍然有著較大的差距。目前，我國(guó)在這方面的整體技術(shù)水平處于20世紀(jì)80年代中后期水平。1?2水箱溫度操縱研究的現(xiàn)狀隨著單片機(jī)技術(shù)的飛速進(jìn)展，基于單片機(jī)的溫度測(cè)控系統(tǒng)在檢測(cè)和操縱系統(tǒng)中的應(yīng)用也愈來(lái)愈普遍。本文設(shè)計(jì)了一種基于PID算法的溫度測(cè)控系統(tǒng)，并在水箱上加以應(yīng)用，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水箱的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)精準(zhǔn)測(cè)量、自動(dòng)檢測(cè)和操縱，有效的提高了操縱系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和操縱精度，大大改善了水箱溫度操縱的自動(dòng)化程度，具有較高的有效價(jià)值。目前的測(cè)溫操縱系統(tǒng)多數(shù)利用傳統(tǒng)溫度測(cè)量?jī)x器，其功能大多都是由硬件或固化的軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，而且只能通過(guò)廠家概念、設(shè)置，其功能和規(guī)格一樣都是固定的，用戶無(wú)法隨意改變其結(jié)構(gòu)和功能，因此已不能適應(yīng)現(xiàn)代化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的要求。隨著運(yùn)算機(jī)技術(shù)的飛速進(jìn)展，美國(guó)國(guó)家儀器公司率先提出了虛擬儀器的概念，完全打破了傳統(tǒng)儀器由廠家概念、用戶無(wú)法改變的模式，使測(cè)控儀器發(fā)生了龐大變革。虛擬儀器技術(shù)充分利用運(yùn)算機(jī)的壯大運(yùn)算處置功能，沖破傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)處置、顯示、傳輸、存儲(chǔ)等方面的限制.通過(guò)交互式圖形界面實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)操縱和顯示測(cè)量數(shù)據(jù)，并利用框圖模塊指定各類功能。采納集成電路溫度傳感器和虛擬儀器方便地構(gòu)建一個(gè)測(cè)溫系統(tǒng)，且外圍電路簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，便于系統(tǒng)硬件保護(hù)、功能擴(kuò)展和軟件升級(jí)口。本設(shè)計(jì)的技術(shù)要求測(cè)控系統(tǒng)應(yīng)能對(duì)水箱溫度進(jìn)行搜集、計(jì)算、操縱、存儲(chǔ)、顯示檢測(cè)和打印輸出。（2） 可對(duì)溫度測(cè)試值進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示監(jiān)測(cè)，利用者可清楚明白所有瞬時(shí)參數(shù)及累計(jì)參數(shù)，應(yīng)可隨時(shí)進(jìn)行查詢和報(bào)表打印。（3） 當(dāng)受到干擾時(shí)能進(jìn)行PID調(diào)劑。（4） 人機(jī)交互界面友好、快捷，具有報(bào)警功能。（5） 在硬件和軟件上具有必然的抗干擾方法。課題的意義及本論文的要緊內(nèi)容1.4.1課題的意義在鋼鐵、機(jī)械、石油化工、電力、工業(yè)爐窯等工業(yè)生產(chǎn)中，溫度是極為普遍又極為重要的熱工參數(shù)之一。隨著自動(dòng)化水平的不斷提高和對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量要求的不斷提高，對(duì)溫度的測(cè)控精度、響應(yīng)速度、系統(tǒng)穩(wěn)固性和適應(yīng)能力等方面要求愈來(lái)愈高，測(cè)溫范圍愈來(lái)愈廣，因此，溫度測(cè)控技術(shù)的研究是一個(gè)重要的研究課題，研究高性能的溫度操縱儀表具有重要意義。溫度操縱的關(guān)鍵在于測(cè)溫和控溫兩方面。在溫度測(cè)量方面，熱電阻和熱電偶以其精度高、穩(wěn)固性好、價(jià)錢(qián)低等特點(diǎn)，在工業(yè)領(lǐng)域取得了普遍應(yīng)用盡管熱電阻和熱電偶測(cè)量中，傳感器的非線性校正已經(jīng)有多種方式，但有些方式存在著變換電路復(fù)雜、軟硬件開(kāi)銷大、穩(wěn)固性差等問(wèn)題。因此，尋求一種簡(jiǎn)單、穩(wěn)固的檢測(cè)電路和非線性校準(zhǔn)電路，關(guān)于工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究超級(jí)重要。在溫度操縱方面，由于操縱對(duì)象愈來(lái)愈復(fù)雜，還存在著許多問(wèn)題，人們還在尋覓著更好的操縱方式以提高操縱性能，知足不同的操縱要求。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)展PID操縱技術(shù)在虛擬儀器中的應(yīng)用更能解決這些問(wèn)題。1.4.2本論文的要緊內(nèi)容本文在充分研究溫度操縱的特點(diǎn)與操縱方式的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于LabVIEW的PID操縱器，用于單容水箱溫度對(duì)象的操縱，采納仿真法顯示實(shí)驗(yàn)結(jié)果，采納比較法證明應(yīng)用該法進(jìn)行操縱的優(yōu)勢(shì)。課題的整體方案本課題設(shè)計(jì)的水箱流量的系統(tǒng)要緊有單容水箱，NI-6009數(shù)據(jù)搜集卡，流量計(jì)，液體流動(dòng)閥門(mén)和采納LABVIEW編寫(xiě)的PID操縱軟件組成。該課題是基于版本的labview環(huán)境下實(shí)現(xiàn)pid操縱的設(shè)計(jì)的。如下是對(duì)本課題的設(shè)計(jì)整體步驟：第一步：對(duì)水箱流量的操縱系統(tǒng)的整體計(jì)劃和選擇適合的傳感器和其詳細(xì)的參數(shù)和搜集卡的選擇和水箱的形狀的確立和水箱材料和閥門(mén)的選定。第二步：設(shè)計(jì)單容水箱并傳感器和閥門(mén)組裝在一路。第三步：進(jìn)行Pid的操縱算法的確立和選擇簡(jiǎn)便的算法并在labview中編程第四步：把PID操縱和水箱的流量的模型連接在一路并整理labview前面板的整理和最后的程序調(diào)試第五步：進(jìn)行結(jié)果分析第二章水箱溫度操縱系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)整體方案設(shè)計(jì)本系統(tǒng)由水箱裝置（仿真模型）、溫度傳感器（K型熱電偶）、數(shù)據(jù)搜集卡、信號(hào)的處置部份、信號(hào)的搜集、溫度的監(jiān)控組成，由溫度傳感器實(shí)現(xiàn)溫度的測(cè)量，將測(cè)得的溫度信號(hào)送給數(shù)據(jù)搜集卡對(duì)溫度進(jìn)行搜集，以便實(shí)現(xiàn)溫度的監(jiān)測(cè)和操縱，提高了系統(tǒng)的平安性、方便性。系統(tǒng)原理框圖如圖2-1所示。系統(tǒng)工作時(shí)，溫度傳感器將水箱的溫度轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)換成電流轉(zhuǎn)變，然后通過(guò)信號(hào)處置電路將電流信號(hào)轉(zhuǎn)變成搜集卡處置的電壓信號(hào)。然后將數(shù)據(jù)送給運(yùn)算機(jī)，并通過(guò)運(yùn)算機(jī)運(yùn)行的LabVIEW的程序來(lái)分析處置輸入數(shù)據(jù)，同時(shí)，依照采樣輸入信號(hào)，利用LabVIEW中的PID操縱算法，求出系統(tǒng)輸出信號(hào)的大小，再將輸出信號(hào)傳輸至外部，現(xiàn)在輸出的是數(shù)字信號(hào)，還需要對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行一次轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，本系統(tǒng)通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)模/數(shù)轉(zhuǎn)換。通過(guò)瘦數(shù)轉(zhuǎn)換后的信號(hào)送給后續(xù)統(tǒng)執(zhí)行裝置，執(zhí)行裝置依照信號(hào)發(fā)生動(dòng)作以實(shí)現(xiàn)溫度操縱，如此便形成了閉環(huán)操縱系統(tǒng)。該系統(tǒng)集運(yùn)算機(jī)、壯大的圖形化編程軟件和模塊化的硬件于一體，能夠很方便的成立靈活且以運(yùn)算機(jī)為基礎(chǔ)的測(cè)量及操縱方案，構(gòu)建出知足需要的系統(tǒng)，具有專門(mén)好的有效性和可操作性，有專門(mén)好的應(yīng)用前景。圖2-1系統(tǒng)原理框圖溫度搜集系統(tǒng)傳感器選擇溫度檢測(cè)系統(tǒng)包括溫度傳感器、電壓放大電路和溫度外補(bǔ)償電路，電路如圖2-2所示，溫度傳感器采納熱電偶，它將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電勢(shì)（mV）信號(hào)，配以測(cè)量信號(hào)的儀表或變換器，即能夠?qū)崿F(xiàn)溫度的測(cè)量和溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換。熱電偶溫度計(jì)由于測(cè)溫范圍寬，它在工程實(shí)際中的應(yīng)用超級(jí)普遍。熱電偶溫度計(jì)能用來(lái)測(cè)量點(diǎn)的溫度和壁面溫度，也能用來(lái)進(jìn)行動(dòng)態(tài)溫度測(cè)量。從1K到3000K的溫區(qū)，都可選擇不同型號(hào)的熱電偶溫度計(jì)實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量。電壓放大電路：采納的K型熱電偶，其輸出的熱電勢(shì)超級(jí)小，每1°C約為，因此，為了將其轉(zhuǎn)換為A/D的輸入信號(hào)，必需進(jìn)行放大，采納高靈敏度、高增益、低漂移的集成運(yùn)算放大器AD707。電路中，R—、R二、RP3決定電路，放大增益的大小用RP3可使增益在111與131之間可調(diào)。圖2-2溫度檢測(cè)電路2.2.1溫度傳感器與溫度搜集本系統(tǒng)的溫度搜集系統(tǒng)，第一需要將檢測(cè)的溫度信號(hào)處置成相應(yīng)的電信號(hào)。因此需要把溫度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的轉(zhuǎn)換器。熱電式傳感器是一種將溫度轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)換成電量轉(zhuǎn)變的裝置。其中將溫度轉(zhuǎn)換成電勢(shì)的熱電式傳感器叫熱電偶，將溫度轉(zhuǎn)換成電阻值的熱電式傳感器叫熱電阻。作為工業(yè)測(cè)溫中最普遍利用的溫度傳感器之一，熱電偶與伯熱電阻一路，約占整個(gè)溫度傳感器總量的60%。這兩種傳感器在目前的工業(yè)生產(chǎn)中取得最為普遍的應(yīng)用。熱電偶作為一種要緊的測(cè)溫元件，具有制造容易、利用方便、測(cè)溫范圍寬、測(cè)溫精度高，性能穩(wěn)固結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且動(dòng)態(tài)相應(yīng)好，輸出直接為電壓信號(hào)，能夠傳送便于集中檢測(cè)和操縱等特點(diǎn)。熱電偶通常和顯示儀表等配套利用，可直接用于測(cè)量各類生產(chǎn)進(jìn)程中-40?1800°C度范圍的液體、蒸汽介質(zhì)和固體的表面溫度。2.2.2熱電偶的溫度測(cè)量原理熱電偶是目前溫度測(cè)量中應(yīng)用極為普遍的一種溫度測(cè)量系統(tǒng)。其工作原理是基于物體的熱電效應(yīng)。如圖(2-3)所示：圖2-3熱電偶的組成把兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料AB連接好形成閉合回路，將他們的兩個(gè)極端別離置于溫度為T(mén)和T(T>T)的熱源中，那么回路中就產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)(簡(jiǎn)稱熱0 0電勢(shì))，可用EB(T,T0)表示，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng).咱們把這兩種不同材料

的導(dǎo)體或半導(dǎo)體的組合稱為熱電偶°A和B稱為熱電極，溫度高的極點(diǎn)稱為熱端（或工作端），溫度低的極點(diǎn)稱為冷端或自由端。如圖2-3所示的熱電偶產(chǎn)生的熱電勢(shì)由兩種導(dǎo)體的接觸電動(dòng)勢(shì)和單一導(dǎo)體的溫差電動(dòng)勢(shì)組成。（一）接觸電動(dòng)勢(shì)：所有金屬內(nèi)部有大量的自由電子，而不同的金屬材料其內(nèi)部自由電子密度不同，當(dāng)兩種不同的金屬導(dǎo)體接觸時(shí)，在接觸面上因自由電子密度不同而發(fā)生電子擴(kuò)散，電子擴(kuò)散的速度與導(dǎo)體的電子密度有關(guān)，而且和接觸點(diǎn)的溫度成正比。設(shè)導(dǎo)體A和B的自由電子密度別離為七和噸，且有NA＞嘰，那么在接觸面上由A擴(kuò)散到B的自由電子將必然比由B擴(kuò)散^瞌的電子數(shù)多：因此，導(dǎo)體A失電子而帶正電荷，導(dǎo)體B因取得電子而帶負(fù)電荷，在A和B的接觸面上便形成了一個(gè)A到B的靜電場(chǎng)。如以下圖2-4所示：圖2-4EAiT）接觸電動(dòng)勢(shì)那個(gè)電場(chǎng)組，阻礙了電子的繼續(xù)擴(kuò)展，當(dāng)達(dá)到平穩(wěn)時(shí)，在接觸區(qū)形成一個(gè)穩(wěn)固的電位差，即接觸電動(dòng)勢(shì)其大小可表達(dá)為：EB（EB（T）=KT、N ln—aeNB（3-1）式中：K一波耳茲曼常數(shù)，K=X10-16；T一接觸點(diǎn)的熱力學(xué)溫度；NA、、一導(dǎo)體A、B中的自由電子密度；e一電子電荷量。（二）溫差電動(dòng)勢(shì)：在單一導(dǎo)體中，若是兩頭溫度不同，兩頭間會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)，即單一導(dǎo)體的溫差電勢(shì)。這時(shí)高溫端帶正電荷，低溫端因?yàn)榈秒娮佣鴰ж?fù)電荷，從而形成一個(gè)靜電場(chǎng)，如圖（2-5）所示：

圖2-5Ea(T,孔)溫差電動(dòng)勢(shì)該電場(chǎng)阻礙電子的繼續(xù)擴(kuò)散，當(dāng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平穩(wěn)時(shí)，導(dǎo)體的兩頭便產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的電位差該電位差稱為溫差電勢(shì)。溫差電勢(shì)的大小可表示為：E(")=jTdT (3-2)A0 T0A式中：。A—湯姆遜系數(shù)，其含義的單一導(dǎo)體兩頭溫度差為1°C時(shí)所產(chǎn)生的溫差電動(dòng)勢(shì)。熱電偶回路電動(dòng)勢(shì)：關(guān)于由A、B組成的熱電偶閉合回路，NA＞、閉合回路的熱電動(dòng)勢(shì)為: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)為熱端電動(dòng)勢(shì)，Eab(T)為冷端電動(dòng)勢(shì)。由此可知：只有當(dāng)熱電偶的兩個(gè)電極材料不同，且兩接點(diǎn)的溫度也不同時(shí)，才會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。當(dāng)熱電偶的兩個(gè)不同的電極材料確信后，熱電動(dòng)勢(shì)變與兩個(gè)接點(diǎn)溫度T和T有關(guān)。既回路的熱電動(dòng)勢(shì)是兩個(gè)接點(diǎn)的溫度函數(shù)之差：E(T,T)=f(T)-f(T)B0 0當(dāng)自由端九固定不變時(shí)，f(T)為常數(shù)。由此可見(jiàn)，熱電動(dòng)勢(shì)和工作端溫度t是單值函數(shù)關(guān)系。由此制訂出標(biāo)準(zhǔn)熱電偶分度表，該表是將自由端溫度維持為0°C，通過(guò)實(shí)驗(yàn)成立起來(lái)的熱電動(dòng)勢(shì)與溫度之間的數(shù)值關(guān)系。這為工程中熱電偶應(yīng)用帶來(lái)了極大的方便。熱電偶的選擇經(jīng)常使用標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶的特點(diǎn)如下：1鉑銠10—鉑熱電偶，性能穩(wěn)固，準(zhǔn)確度高，可用做基準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)熱電偶。熱電動(dòng)勢(shì)比較低，價(jià)錢(qián)昂貴，不能用于金屬蒸汽和還原性氣體環(huán)境中。2鉑銠30—鉑銠6熱電偶，較鉑銠10—鉑熱電偶具有更高的穩(wěn)固性和機(jī)械強(qiáng)度，最高測(cè)溫可達(dá)1800°C，室溫下熱電動(dòng)勢(shì)較低，可作為標(biāo)準(zhǔn)熱電偶，一樣情形下不需要進(jìn)行補(bǔ)償和修正處置。由于其熱電動(dòng)勢(shì)較低，需采納高靈敏度高精度的儀表。3鎳銘一鎳硅或鎳銘一鎳鉛熱電偶，熱電動(dòng)勢(shì)較高，熱電特性具有較好線性，良好的化學(xué)穩(wěn)固性，具有較強(qiáng)的抗氧化性和抗侵蝕性。穩(wěn)固性較差，測(cè)量精度不高。4鎳銘一考銅熱電偶，熱電動(dòng)勢(shì)較高，電阻率小，適合于還原性和中性環(huán)境下測(cè)量，價(jià)錢(qián)廉價(jià)，測(cè)量上限溫度不高。5鎳銘一康銅熱電偶，熱電動(dòng)勢(shì)較低，價(jià)錢(qián)廉價(jià)。高溫下易氧化，適合于低溫和超低溫測(cè)量。其中鎳銘一鎳硅分度號(hào)為K的熱電偶，穩(wěn)固性較高，可在氧化性和中性介質(zhì)中長(zhǎng)期測(cè)900°C以下溫度，短時(shí)間可測(cè)量1200°C。其答復(fù)性較好，產(chǎn)生熱電勢(shì)較大，線性好，價(jià)錢(qián)廉價(jià)。但他在還原性介質(zhì)中易被侵蝕，能測(cè)500°C下的溫度，且測(cè)量精度較高，而且完全能知足工業(yè)要求，是工業(yè)中最經(jīng)常使用的一種熱電偶。經(jīng)綜合考慮K型熱電偶的測(cè)溫范圍、測(cè)溫精度、測(cè)溫特性及價(jià)錢(qián)，本文研制的溫度搜集系統(tǒng)選擇利用K型熱電偶作為溫度傳感器。K型熱電偶通常和顯示儀表，記錄儀表和電子調(diào)劑器配套利用。 K型熱電偶能夠直接測(cè)量各類生產(chǎn)中從0°C到1300°C范圍的液體蒸汽和氣體介質(zhì)和固體的表面溫度。K型熱電偶通常由感溫元件、安裝固定裝置和接線盒等要緊部件組成。鎳銘-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型熱電偶絲直徑一樣為1.2?mm。正極（KP）的名義化學(xué)成份為：Ni：Cr=92:12，負(fù)極（KN）的名義化學(xué)成份為：Ni：Si=99:3，其利用溫度為-200~1300C。K型熱電偶具有線性度好，熱電動(dòng)勢(shì)較大，靈敏度高，穩(wěn)固性和均勻性較好，抗氧化性能強(qiáng)，價(jià)錢(qián)廉價(jià)等優(yōu)勢(shì)，能用于氧化性惰性氣氛中。普遍為用戶所采納。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。為了更好的實(shí)現(xiàn)對(duì)水箱溫度的操縱咱們需要選擇一個(gè)加熱器咱們選用鉑熱電阻進(jìn)行加熱。咱們通過(guò)PID操縱通過(guò)WZP系列薄膜鉑熱電阻來(lái)對(duì)水箱進(jìn)行加熱。下面是熱電阻的技術(shù)指標(biāo)：熱電阻感溫元件在0’C時(shí)的電阻值(Ro)分度號(hào)Ptl00B級(jí)R0：100+0.12Q鉑熱電阻的電阻與溫度關(guān)系一般可用以下關(guān)系表示：在-79‘C范圍內(nèi)Rt=ROrl+At+Bt2+C(t-100*C)t3]在O?600’C范圍內(nèi)：Rt=R0(1+At+Bt2)Rt為rC時(shí)熱電阻的電阻值(Q)式中的R0為0*C時(shí)熱電阻的電阻值(Q)t為被測(cè)介質(zhì)溫度(C)A、R、C等均為有關(guān)的分度常數(shù)。自然影響通過(guò)熱電阻中的測(cè)量電流為2mA，測(cè)得的電阻增量換算成溫度值應(yīng)不大于0.3’C。熱響應(yīng)時(shí)刻當(dāng)被測(cè)介質(zhì)(一定溫度和規(guī)定流速的水)溫度出現(xiàn)階躍變化時(shí)，熱電阻的電阻值變化至相當(dāng)于該階躍變化的50%所需的時(shí)間，用1。s表示。具體數(shù)值參見(jiàn)型號(hào)規(guī)格表。公稱壓力系指在室溫下保護(hù)管所承受的靜態(tài)外壓而不破損，測(cè)溫性能不受其影響。絕緣電阻當(dāng)周?chē)諝鉁囟?5?35‘C和相對(duì)溫度不大于80%時(shí)，熱電阻感溫元件和保護(hù)管之間以及雙支感溫元件之間的絕緣電阻，應(yīng)不小于100M》(電壓10—100V)。最小可置入深度一樣應(yīng)不小于其愛(ài)惜管外徑的15倍，再加上感溫元件的長(zhǎng)度。第三章水箱溫度操縱系統(tǒng)仿真虛擬儀器的概念虛擬儀器(VirtualInstruments,簡(jiǎn)稱VI)是一類用于數(shù)據(jù)搜集、分析、顯示和儀器操縱的開(kāi)發(fā)軟件。除經(jīng)常使用的LabVIEW外,還有LabScene、HPVEE、Prograph、vipers等。LabVIEW是美國(guó)國(guó)家儀器(NationalInstruments，簡(jiǎn)稱NI)公司開(kāi)發(fā)的一種圖形化的編程環(huán)境，該公司還同時(shí)推出了另一種功能和應(yīng)用環(huán)境不同的虛擬軟件LabWindowsll6-zq。利用LabVIEW開(kāi)發(fā)平臺(tái)編制的程序稱為虛擬儀器程序，簡(jiǎn)稱為vI程序或vI。vI程序包括三個(gè)部份：程序前面板、框圖程序和圖標(biāo)/連接器。程序前面板用于設(shè)置輸入數(shù)值和觀看輸出量，用于模擬真實(shí)儀表的前面板。在程序前面板上，輸入量被稱為操縱件(Controls),輸出量被稱為顯示件(Indicators)o操縱件和顯示件是以各類圖標(biāo)形式出此刻前面板上，如旋鈕、兀關(guān)、按鈕、圖表、圖形等，這使得前面板直觀易懂。以下圖k1是一個(gè)能同時(shí)顯示兩參數(shù)的vI前面板程序。圖3-1兩參數(shù)同時(shí)顯示VI前面板程序每一個(gè)程序前面板都對(duì)應(yīng)著一段框圖程序?？驁D程序用LabVIEW圖形編程語(yǔ)言編寫(xiě)，能夠把它明白得成傳統(tǒng)程序的源代碼?？驁D程序由端口、節(jié)點(diǎn)、圖框和連線組成。其中端口被用來(lái)同程序前面板的操縱和顯示傳遞數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)被用柬實(shí)現(xiàn)函數(shù)和功能挪用，圖框被用來(lái)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)化程序操縱命令，而連線代表程序執(zhí)行進(jìn)程中的數(shù)據(jù)流，概念了框圖內(nèi)的數(shù)據(jù)流動(dòng)方向。上述兩參數(shù)顯示程序的框圖程序如以下圖3.2所示。強(qiáng)何曲線圖3-2強(qiáng)何曲線圖3-2兩參數(shù)同時(shí)顯示VI框圖程序□陟圖標(biāo)/連接器是子vI被其它vI挪用的接口。圈標(biāo)是子vI在其他程序框圖中被挪用的節(jié)點(diǎn)表現(xiàn)形式;而連接器那么表示節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的輸入/輸出口，就象函數(shù)的參數(shù)。用戶必需指定連接器端口與前面板的操縱件和顯示件一一對(duì)應(yīng)。LABVIEW的操作模板LabVIEW具有多個(gè)圖形化的操作模扳，用于創(chuàng)建和運(yùn)行程序。這些操作模板能夠隨意在屏幕上移動(dòng).并能夠放置在屏幕的任意位置。操縱模板共有三類，為工具(Tools)模板、操縱(Controls)模板和功能(Functions)模板。工具模板(TooIsPaIette)工具模板如圖3-3所示。工具模板為編程者提供了各類用于創(chuàng)建、修改和調(diào)試vI程序的工具。工具圖標(biāo)有如下幾種：圖3-3工具模板

與上述工具模板不同，操縱和功能模板只顯示頂層子模板的圖標(biāo)。在這些頂層子模板中包括許多不同的操縱或功能子模板。通過(guò)這些操縱或功能子模板能夠找到創(chuàng)建程序所需的面板對(duì)象和框圖對(duì)象。操縱模板(ControlsPalette)用操縱模板能夠給前面板添加輸入操縱和輸出顯示。每一個(gè)圖標(biāo)代表一個(gè)子模板。操縱模板如圖3-4所示，它包括下面幾個(gè)子模板。r板、數(shù)值的控制和皇示wI 布爾值于模塊；邏輯數(shù)值的控制利字符申子模板e(cuò)字符串和表略的技制和顯示*列恭和壞(Ring)子模板，菜單環(huán)和宛表欄的控制和顯示.圖3-4操縱模板功能模板(FunctionsPalette)功能模板是創(chuàng)建框圖程序的工具。該模板上的每一個(gè)頂層圖標(biāo)都表示一個(gè)子模板。功能模板如以下圖3-5所示。圖3-5功能模板水箱對(duì)象模擬水箱溫度系統(tǒng)是基于水箱的溫度的操縱，通過(guò)傳感器的搜集到水箱的溫度的數(shù)據(jù)，通過(guò)搜集卡，搜集到這些數(shù)據(jù)與設(shè)定值比較，送到操縱裝置，通過(guò)執(zhí)行器（水箱閥門(mén)）來(lái)調(diào)劑水箱的溫度，從而使最終的結(jié)果接近設(shè)定值從而達(dá)到操縱。虛擬儀器的硬件能夠完成信號(hào)的搜集，信號(hào)的放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)換等，因此硬件設(shè)計(jì)是整個(gè)水箱溫度操縱系統(tǒng)得以順利運(yùn)行的保障，只有保證所搜集溫度信號(hào)的正確，才能確保對(duì)后來(lái)數(shù)據(jù)做出正確的分析，得出正確的結(jié)論，供相關(guān)技術(shù)人員參考，從而使整個(gè)水箱溫度操縱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。水箱的對(duì)象裝置本課題研究的是基于單容水箱的溫度的PID操縱，其示用意如下圖。水箱對(duì)象裝置內(nèi)流動(dòng)的液體（純凈水）存儲(chǔ)在水箱中，水箱內(nèi)的水由泵抽出經(jīng)自動(dòng)閥門(mén)2注入水柱，再經(jīng)出水閥門(mén)1流回水箱形成循環(huán)。通過(guò)電動(dòng)閥門(mén)2（操縱閥門(mén)）能夠調(diào)劑進(jìn)水量g。，通過(guò)閥門(mén)1能夠手動(dòng)調(diào)劑出水量q。從而能夠在水箱底面積必然的情形下來(lái)操縱水箱的液位下降速度來(lái)操縱水箱的流量。因此，這是一個(gè)典型的有自平穩(wěn)能力的流量對(duì)象。

圖單容水箱以下圖是水箱的溫度操縱的硬件圖形，如下圖:圖水箱硬件裝水箱對(duì)象的數(shù)據(jù)搜集取得系統(tǒng)的輸入輸出數(shù)據(jù)，是成立溫度系統(tǒng)模型的前提】7?8】。咱們能夠通過(guò)編程操作數(shù)據(jù)搜集卡，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)搜集。本文中采納VC++6.0來(lái)完成編碼】9?14】。1、VC++6.0操作數(shù)據(jù)搜集卡本系統(tǒng)采納的是阿爾泰公司生產(chǎn)的PCI2006型號(hào)的數(shù)據(jù)搜集卡，其自帶有訪問(wèn)操作數(shù)據(jù)搜集卡的底層驅(qū)動(dòng)，因此在正式編程之前，第一需要把PCI2006.LIB、PCI2006.h添加到項(xiàng)目中。采納面向?qū)ο蠡幊?，為?shù)據(jù)搜集卡成立一個(gè)IOPort類，將數(shù)據(jù)搜集功能全數(shù)封裝在類中。二、精準(zhǔn)地按時(shí)器實(shí)現(xiàn)VC++6.0中提供了以下幾種可供選擇的按時(shí)方式：WMTIMER消息映射能進(jìn)行簡(jiǎn)單的時(shí)刻操縱。這種按時(shí)方式超級(jí)簡(jiǎn)單，能夠?qū)崿F(xiàn)必然的按時(shí)功能，但精度超級(jí)低。利用GetTickCount()函數(shù)實(shí)現(xiàn)按時(shí)。精度比WMTIMER消息映射高，CPU占用率超級(jí)高，只能用于要求不高的延時(shí)程序中。多媒體按時(shí)器函數(shù)DWORDtimeGetTime(void)，該函數(shù)按時(shí)精度為ms級(jí)，返回從Windows啟動(dòng)開(kāi)始通過(guò)的毫秒數(shù)?？墒呛苷加孟到y(tǒng)資源。利用。ueryPerformanceFrequency()和QueryPerformanceCounter()函數(shù)實(shí)現(xiàn)按時(shí)。其按時(shí)誤差不超過(guò)1微秒，精度與CPU等機(jī)械配置有關(guān)，在精度要求超級(jí)高的情形下利用。水箱溫度PID操縱系統(tǒng)的工作原理PID操縱器是種線性操縱器，它將設(shè)定值r(t)與實(shí)際輸出值y(t)進(jìn)行比較，形成誤差：e(t)=r(t)-y(t),再對(duì)誤差e(t)進(jìn)行比例(P)、積分(I)、微分(D)運(yùn)算，然后通過(guò)線性組合形成操縱量u(t)，一樣模型的PID的操縱框圖如下圖。設(shè)定值偏差.一一控制量—腆―祓殷景石、PiD控福閏門(mén)T J斯象］,測(cè)量系統(tǒng)圖水箱溫度的PID操縱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方塊圖3.6.1PID操縱器的設(shè)計(jì)常規(guī)PID操縱器是由比例、積分、微分三種數(shù)學(xué)運(yùn)算組合而成的運(yùn)算器，它們稱為操縱器的操縱規(guī)律。PID操縱器的輸入輸出信號(hào)關(guān)系式為—Kp"(e)二號(hào)J(t)dr+Tjd；?)5*)+打、腿.頊聲誓⑴對(duì)應(yīng)的傳遞函數(shù)為：，泠)=宮:卜叫"1壽—》)⑵式中的kp是比例系數(shù)；Ti是積分時(shí)刻常數(shù)；Td是微分時(shí)刻常數(shù)；u(t)是為操縱輸出。3.6.2數(shù)字PID算法基于虛擬儀器的PID操縱是一種采樣操縱，只能依照采樣時(shí)刻的誤差值計(jì)算操縱量，因此式(1)中的積分和微分項(xiàng)不能準(zhǔn)確計(jì)算，只能用數(shù)值計(jì)算的方式逼近，稱為數(shù)字PID操縱算式.數(shù)字PID操縱算式通常又分為位置式PID操縱算式和增量式PID操縱算式。3.6.2.1位置式PID操縱算式在采樣時(shí)刻t—kT(T為采樣周期)，為了便于運(yùn)算機(jī)實(shí)現(xiàn)PID操縱，把微分方程式(1)改寫(xiě)成差分方程，即(3)(4)(3)(4)式中，T為操縱周期；為操縱周期序號(hào)；e(n—1)，e()別離為第(一1)，()個(gè)操縱周期所得的誤差.將公式(3)和(4)代人公式(1)可得位置PID表達(dá)式：u(k)=Kp ++缶點(diǎn))一心-1.)］〕若是采樣周期T取的足夠小，這種逼近相當(dāng)準(zhǔn)確，缺點(diǎn)是由于全量輸出，因此每次輸出均與過(guò)去的狀態(tài)有關(guān)，計(jì)算時(shí)要對(duì)e(足)進(jìn)行累加，運(yùn)算機(jī)運(yùn)算工作量大.3.6.3增量式PID操縱算式增量式PID操縱算式是指數(shù)字操縱器的輸出只是操縱器的增量Au(k).依照遞推原理可得：u(k—1)=Kp｛《以一1)+gZ客。)+孕[e(&—1)—e(k—2)]j用式(5)減去式(6)可得：△t(k)—u(k)—u(k—1)—K*、k)一心-1)+/L以)十宰"。)一心-2)])能夠看出，由于一樣運(yùn)算機(jī)操縱系統(tǒng)采納恒定的采樣周期T,一旦確信了K、Ti、T,只要利用前后3次測(cè)量值的誤差，即可由式⑺求出操縱增量.位置式與增量式操縱算法并無(wú)本質(zhì)區(qū)別，增量式操縱盡管只是算法上作了一點(diǎn)改良，卻有許多優(yōu)勢(shì)：誤動(dòng)作時(shí)阻礙小；手動(dòng)/自動(dòng)切換時(shí)沖擊小，便于無(wú)擾動(dòng)切換；算式中不需要累加.可是增量式操縱也有不足的地方，積分截?cái)嘈?yīng)大，有靜態(tài)誤差，溢出的阻礙。因此在這次課題中咱們采納增量式PID算法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)水箱流量系統(tǒng)的操縱。如圖確實(shí)是在LABVIEW中實(shí)現(xiàn)的PID操縱程序：

止de：inti5dde;血二Kp*〔da+T/Ti脆止de：inti5dde;U.=du+ul:nl=u:圖水箱溫度PID操縱程序框圖水箱溫度的PID操縱系統(tǒng)的LV實(shí)現(xiàn)水箱溫度PID操縱系統(tǒng)的LV整體框圖如以下圖4-3所示。該圖共由四部份組成，功能如下：（1）為個(gè)參數(shù)、權(quán)賦初始值。（2）PID操縱器。（3）水箱模型。（4）系統(tǒng)誤差顯示、記錄及程序運(yùn)行操縱等部份。水箱溫度PID操縱系統(tǒng)LV程序圖所示

圖水箱溫度PID操縱的全程序圖水箱溫度的PID操縱系統(tǒng)LV前面板如以下圖所示:圖水箱溫度的PID操縱系統(tǒng)LV前面板水箱溫度操縱系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)定及結(jié)果分析在PID操縱系統(tǒng)中，由于PID操縱參數(shù)直接阻礙到整個(gè)系統(tǒng)的操縱性能，因此，確信一組較準(zhǔn)確的參數(shù)值是一項(xiàng)相當(dāng)重要的工作。參數(shù)整定通常有兩種方式，即理論設(shè)計(jì)法和實(shí)驗(yàn)確信法。前者需要被控對(duì)象的精準(zhǔn)模型，然后采納最優(yōu)化的方式確信PID的各參數(shù)。被控對(duì)象的模型能夠通過(guò)物理建模或系統(tǒng)辨識(shí)等方式取得，但如此通常只能取得近似的模型。通過(guò)實(shí)驗(yàn)確信法（試湊法）來(lái)選擇PID參數(shù)一般是行之有效的方式。試湊法是通過(guò)模擬或閉環(huán)運(yùn)行系統(tǒng)來(lái)觀看系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，然后依照各操縱參數(shù)對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)的大致阻礙來(lái)改變參數(shù)，反復(fù)試湊，直至逼近最優(yōu)值。在考慮了以上參數(shù)對(duì)操縱進(jìn)程的阻礙后，試湊時(shí)，可按先比例一后積分一再微分的順序反復(fù)調(diào)試參數(shù)。具體步驟如下：第一只調(diào)整比例部份，將比例系數(shù)由小變大，并觀看系統(tǒng)所對(duì)應(yīng)的響應(yīng)，直到取得響應(yīng)快、超調(diào)量小的響應(yīng)曲線為止。若是這時(shí)系統(tǒng)的靜態(tài)誤差己在許諾范圍內(nèi)，而且達(dá)到4：l哀減比(定值系統(tǒng)的最正確體會(huì)值)的響應(yīng)曲線，那么只需要調(diào)整比例環(huán)節(jié)即可，由此能夠確信出比例系數(shù)。若是在比例調(diào)劑的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)的靜態(tài)誤差還達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，那么必需調(diào)整積分環(huán)節(jié)。積分常數(shù)在試湊時(shí)，先給一個(gè)較大值，并將上一步伐整時(shí)取得的比例系數(shù)略微減小，然后慢慢減小積分常數(shù)進(jìn)行試湊，并依照所取得的響應(yīng)曲線進(jìn)一步伐試比例系數(shù)和積分常數(shù)值，直到排除靜態(tài)誤差，而且維持良好的動(dòng)態(tài)性能為止。若是利用比例積分環(huán)節(jié)盡管排除靜態(tài)誤差，但系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能仍不能令人中意，這時(shí)可調(diào)劑微分環(huán)節(jié)。在試湊時(shí)，可先給一個(gè)很小的微分常數(shù)，以后慢慢增大，同時(shí)相應(yīng)地改變比例系數(shù)和積分常數(shù)，直到取得中意的成效為止。依照上述方式對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)整定，取得本系統(tǒng)的最正確參數(shù)值為：Kp=;Ti=19;Td=咱們把采樣周期設(shè)定為T(mén)=1s.，在系統(tǒng)工作點(diǎn)別離處于50攝氏度、100攝氏度，操縱器參數(shù)為K。=4.1，