某恒溫系統(tǒng)PID控制實驗裝置設計原理綜述目錄TOC\o"1-3"\h\u13474某恒溫系統(tǒng)PID控制實驗裝置設計原理綜述 17951.1溫度控制系統(tǒng)概述 1135841.2溫度測量模塊原理 1101761.1.1常用測溫原理介紹 1214931.1.2溫度傳感器補償方式原理 3104281.3溫度控制模塊原理 5111761.3.1常用溫度控制介紹 5140281.3.2基于PID的溫度控制算法 5211401.4可編程邏輯控制器（PLC） 6本文設計的溫度控制系統(tǒng)主要由溫度測量和溫度控制兩個核心部分組成，包括電源模塊、散熱模塊、執(zhí)行器、溫度傳感器和溫度控制模塊。同時，為了滿足簡單、直觀、易操作的要求，本文設計的溫度控制系統(tǒng)基于人機交互模塊?；谝陨蠑?shù)據(jù)分析問題展開對恒溫系統(tǒng)PID控制進行實驗裝置的設計。1.1溫度控制系統(tǒng)概述溫度測量特別是溫度控制在當前的生產(chǎn)生活中起著重要的作用。舒適健康的日常環(huán)境是幸福生活的基礎，穩(wěn)定安全的生產(chǎn)環(huán)境是高效工作的基礎。溫度控制反映在各種工業(yè)領域，如電子技術(shù)、鋼鐵生產(chǎn)和機械制造，從細菌形成的小群落到航天工業(yè)的各個方面，所有涉及和干擾溫度變量，即使是最細小的事件也不能脫離溫度控制的過程。因此，做好溫度控制管理系統(tǒng)具有重大的應用研究價值和現(xiàn)實意義?？删幊炭刂破?PLC)是一種利用計算機實現(xiàn)工業(yè)生活和生產(chǎn)自動控制的新型裝置。它具有效率高、成本低、可控性強、易于編程等特點。在PLC的基礎上，使用PID算法對溫度進行控制。1.2溫度測量模塊原理1.1.1常用測溫原理介紹對溫度進行測量是溫度控制管理系統(tǒng)的重要組成一個部分，為了能夠?qū)崿F(xiàn)溫度的精準控制，則需要通過精準的溫度測量。因此，溫度測量是溫度控制系統(tǒng)的基本組成部分。測溫方法有很多，如圖2-1所示，基本上可以分為接觸式測溫方法和非接觸式測溫方法:圖2-1溫度測量方法分類接觸式測溫方法原理及特點接觸式測溫技術(shù)主流的一般囊括膨脹式測溫、電量式測溫、接觸式光電信息以及熱色測溫等等。接觸式溫度測量一般測量被測物體和傳感器之間的平衡溫度，這要求與被測物體或介質(zhì)完全接觸。膨脹式測溫方法膨脹式測溫較為傳統(tǒng)，如我們所熟知的水銀溫度計（如圖2-2）。它主要采用物質(zhì)的熱膨脹和冷卻原理來測量溫度，通過根據(jù)溫度的體積或幾何變形將其與溫度聯(lián)系起來確定溫度與變形的關(guān)系。膨脹式測溫技術(shù)方法主要內(nèi)容包括玻璃液體溫度計、雙金屬膨脹式溫度計和壓力式溫度計。圖2-2水銀溫度計電量式測溫方法電測溫法主要利用材料的電勢、電阻等電性能與溫度的關(guān)系來測量溫度。包括熱電偶溫度測量、熱敏電阻溫度測量、集成芯片溫度測量等。其是根據(jù)材料的電阻和溫度的關(guān)系來進行測量，輸出信號大，準確度也比較高，穩(wěn)定性好。接觸式光電接觸式光電測溫技術(shù)方法主要是指通過接觸被測對象，從而將溫度不斷變化所引起的熱輻射或其他光電信號可以引出，通過研究光電信號轉(zhuǎn)換器進行檢測其信號，從而能夠獲得測溫結(jié)果的方法。其可以有效避免非接觸式溫度計那樣容易發(fā)展受到被測對象表發(fā)射率和中間工作介質(zhì)的影響。熱色測溫方法熱色測溫方法主要通過溫敏材料在不同溫度下的顏色變化來指示溫度變化，包括指示溫度的涂料和指示溫度的液晶，這種方法實際上使用簡單，但主要依靠人工才能進行。（2）非接觸式測溫方法原理及特點非接觸式測溫技術(shù)方法則不需要與被測對象進行接觸，因此我們并不會干擾溫度場，其動態(tài)發(fā)展特性分析一般也非常好，但是會受到測量工作介質(zhì)物性參數(shù)或測量數(shù)據(jù)對象表面狀態(tài)的影響。非接觸測溫方法主要有輻射測溫、光譜測溫、激光干涉測溫、聲測溫等方法。輻射式測溫方法輻射測溫主要以熱輻射定律為基礎，但由于實際物體一般不是黑體，因此引入了輻射溫度、亮度溫度和色溫的概念，基于上述三種方法的高溫計分別稱為全輻射高溫計、亮度高溫計和比色高溫計。光譜法測溫方法光譜法測溫系統(tǒng)主要工作原理為當單色光線照射透明的物體時，會發(fā)生光的散射實驗現(xiàn)象，其中散射光又包括彈性散射和非彈性散射，光譜法測溫技術(shù)主要研究用于通過高溫火焰和氣流環(huán)境溫度的測量。激光干涉測溫方法激光干涉測溫的主要原理是基于干涉原理，所以用光學方法測量介質(zhì)的溫度場，將流場各處折射率的變化，即被測介質(zhì)密度的變化轉(zhuǎn)化為各種光學參數(shù)的變化，從而得到溫度和分布。聲波、微波測溫方法聲波測溫的主要原理是基于聲波在介質(zhì)中的傳播速度與介質(zhì)溫度有關(guān)的事實。因此我們只要測得聲速，便可以推算出溫度；微波衰減法通過進行測量入射微波的衰減程度分析可以確定氣體環(huán)境溫度。1.1.2溫度傳感器補償方式原理在實際溫度測量中，溫度測量電路存在各種誤差，往往需要通過測量補償消除測量，常見的補償方法是：二線制接法、三線連接法和四線連接法REF_Ref23234\r\h[22]。其中，雙線制接線方法只適用于測溫距離較近且測溫精度不高的場合，四線制可以完全消除引線電阻的影響，但成本相對較高，主要用于高精度的溫度測量。二線制接法二線制測量系統(tǒng)電路的接線設計方式進行如圖2-4所示，此接線工作方式主要是將一個接觸電阻RL1與引線電阻RL2分別接在熱電阻兩端，通過將引線電阻r算入熱電阻阻值中，而r的大小由引線材料和長度所決定，從而使得研究結(jié)果產(chǎn)生了一定偏差，從而產(chǎn)生影響測量數(shù)據(jù)精度。圖2-4二線制接線方式圖三線制接法三線制接法在工業(yè)以及生活中溫度測量使用非常廣泛，等效為3個相等的導線電阻RL1、RL2、RL3和所測電阻的串并聯(lián)模型，如下圖2-5所示。本文采用了三線連接的方法。三線連接法可以消除二線連接中由于接觸電阻和引線電阻引起的偏差。圖2-5三線制接線方式圖四線制接法四線連接法稱為四線連接法，因為兩根導線分別從熱敏電阻的兩個端口引出，共有四根導線。RL1、RL2、RL3、RL4為四根引出線的導線電阻，通過U1和U4給熱電阻兩端施加相同的激勵電流I，為熱電阻提供恒定的電流，當熱電阻溫度變化時電阻阻值發(fā)生變化的同時，此時U2和U3之間的電壓之差即為鉑電阻兩端的電壓變化。此方法可以幫助我們直接完全消除多余引線電阻產(chǎn)生的影響。圖2-6四線制接線方式圖1.3溫度控制模塊原理1.3.1常用溫度控制介紹溫度控制模塊是溫控系統(tǒng)的重中之重。溫度控制一般分為制冷和加熱兩種形式，以及應用最廣泛的一般電熱，可分為電阻加熱、電子束加熱、紅外加熱等。制冷在實際應用中最常見的方式有熱電制冷、蒸發(fā)制冷等。1.3.2基于PID的溫度控制算法對溫度進行控制，算法是整個管理系統(tǒng)的核心組成部分，控制算法的優(yōu)劣程度決定了溫控性能的優(yōu)劣程度。PID是比例（proportion）、積分（integration）、微分（differentiation）的簡稱，自誕生至今已經(jīng)有百年的歷史，許多自動控制的算法都是由其演變而來，在工業(yè)控制領域中PID的使用極為常見。圖2-7所示為PID控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，接收系統(tǒng)輸入信號后對比形成的偏差信號e(t)經(jīng)過PID控制器的比例積分以及微分運算后變成相應的控制信號u(t)，然后再將這個控制信號u(t)輸出給被控對象，被控對象實際的輸出量c(t)與實際輸入量u(t)的誤差為e(t)，控制目標則是使實際輸出量c(t)與實際輸入量u(t)誤差最小，以此循環(huán)就形成了一個完整的單閉環(huán)控制器REF_Ref31907\r\h[23]。PID控制是一種線性控制方法，它根據(jù)給定值r(t)和實際輸出值y(t)之間所存在的控制變差e(t)=r(t)-y(t),對其進行比例、積分和微分三種不同的運算，在將這三種運算的結(jié)果進行相加，然后就得出PID控制器所需要輸出的控制輸出u(t)REF_Ref6911\r\h[24]。圖2-7PID控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖其中偏差值e(t)的表達式為：在得到偏差值e(t)后，將偏差值e(t)通過PID控制器進行各種組合運算，然后輸出量u(t)，輸出量u(t)的表達式為：其中，Kp為比例系數(shù)，Ti是積分時間常數(shù)，Td是微分時間常數(shù)，將上式進行拉格朗日變換后寫成傳遞函數(shù)的形式為：由此可以發(fā)現(xiàn)，其中的比例系數(shù)（Kp），積分時間常數(shù)（Ti），微分時間常數(shù)（Td）直接影響PID控制器的性能。比例系數(shù)（Kp）：其作用是按一定比例擴大輸入值與反饋值的偏差，從而提高控制系統(tǒng)的響應速度。當輸入值與反饋值有偏差時，比例環(huán)節(jié)會立即調(diào)整，但相應的比例系數(shù)會直接影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)性能。所以適當?shù)脑黾颖壤禂?shù)可以通過提高內(nèi)部控制管理系統(tǒng)的響應速度，相應的系統(tǒng)的超調(diào)量也會增大，從而導致產(chǎn)生振蕩。同時，比例系數(shù)只能減小系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，但不能完全消除。積分時間常數(shù)（Ti）：積分環(huán)節(jié)的功能是減少或完全消除系統(tǒng)產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)誤差。每當系統(tǒng)可以產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)誤差時，積分環(huán)節(jié)就會開始發(fā)展作用，從而能夠使其消除。積分時間常數(shù)越小，積分作用越強。但是，當積分時間常數(shù)太小時，系統(tǒng)將無法消除產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)誤差，這會增加系統(tǒng)的超調(diào)量，導致系統(tǒng)精度下降，甚至出現(xiàn)發(fā)散振蕩。所以合適的積分時間非常重要。微分時間常數(shù)（Td）：微分環(huán)節(jié)則主要對系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)定性方面進行及時調(diào)整，通過算法預測系統(tǒng)內(nèi)部控制存在偏差的變化發(fā)展趨勢，然后在系統(tǒng)還未產(chǎn)生偏差量的時候，使用微分調(diào)節(jié)提前介入來消除系統(tǒng)偏差，所以微分環(huán)節(jié)我們可以極大地提升系統(tǒng)動態(tài)性能。但同樣的一點是，只有合適的參數(shù)才能發(fā)揮更大的作用。當微分時間常數(shù)太小時，微分調(diào)節(jié)幾乎不起作用，系統(tǒng)誤差沒有得到很好地消除；而當微分時間常數(shù)太大時，會導致系統(tǒng)超前抑制過強，影響系統(tǒng)的控制能力，增加控制時間。由此可見，微分環(huán)節(jié)具有局限性，所以一般不單獨地使用，而是與比例或積分同時使用，如PD或PID控制。由此可見，控制系統(tǒng)想要達到控制目標并且兼具準確性、穩(wěn)定性與快速性，對于比例系數(shù)（Kp），積分時間常數(shù)（Ti），微分時間常數(shù)（Td）選取至關(guān)重要。1.4可編程邏輯控制器（PLC）它們是基于計算機的、固態(tài)的、單處理器設備，模仿電梯圖的行為，能夠控制多種類型的工業(yè)設備和整個自動化系統(tǒng)。PLC通常是工業(yè)自動化控制系統(tǒng)的主要內(nèi)容組成一個部分。在制造業(yè)、化工業(yè)和過程工業(yè)中，除了使用plc的技術(shù)優(yōu)勢外，它還降低了先進水平和復雜控制系統(tǒng)的價格。目前，用于執(zhí)行系統(tǒng)邏輯的控制元件大多被PLC取代。使用邏輯這個專業(yè)術(shù)語是因為編程是主要的涉及實現(xiàn)邏輯和切換操作。輸入設備(如開關(guān))和輸出設備(如受控電機)連接到PLC，然后控制器根據(jù)機器或工藝監(jiān)控輸入和輸出。最初，PLC被設計用來取代硬接線繼電器和定時邏輯控制系統(tǒng)。微處理器技術(shù)和軟件編程技術(shù)的創(chuàng)新和改進，為PL