水箱溫度測控系統的設計與實現學院（系）：機電工程系專業：測控技術與儀器學生姓名：劉工廠學號：29106029指導教師（職稱）：趙華（副教授）起止日期：2009年2月16日—2009年6月5日南陽理工學院NanyangInstituteofTechnology水箱溫度測控系統的設計與實現測控技術與儀器專業劉工廠[摘要]論文采用對被控對象單容水箱建立了仿真模型，用對labview的擬控制系統其設計了水箱對象模型及常規PID控制系統。在該系統設計中，論文就常規PID控制器的設計作了詳細敘述，并對其進行參數整定得到了最佳PID參數，在100時仿真實驗獲得階躍響應曲線。然后對單容溫度對象設計了PID控制系統。然后提出了系統的整體結構，對系統控制原理進行了分析，詳細敘述了如何設計對水箱溫度的控制。本文探討對水箱溫度控制系統的PID控制在虛擬儀器開發軟件LabVIEW中的實現方法，并將其應用于水箱溫度的控制，并對其實現性做了分析，仿真結果表明控制系統具有良好的動、靜態控制效果，系統是可以實現的。關鍵詞:LabVIEW水箱對象模型PID溫度控制系統TankTemperatureControlSystemDesignandImplementationMeasurementandControlTechnologyandInstrumentliugongchangAbstract:Alongwiththescienceandtechnologyandthedevelopmentofcomputertechnologyandvirtualinstrumentisdeveloped,basedonthecontrolsystemoflabviewcontrolsystemprovidesaplatform.Thispaperdiscusstheproblem,temperaturecontrolsystembackground,researchstatusandthesubjectofthecontentandmeaning.Papersofthecontrolledobjectsingleletwatertankwithestablishedsimulationmodel,thecontrolsystemoflabviewitsdesignthetankobjectmodelandconventionalPIDcontrolsystem.Inthissystem,thethesisisdesignofconventionalPIDcontrollerdesignforadetaileddescriptionandtogettheoptimumparametersin100PIDparametersobtainedsimulationexperimentstepresponsecurve.ThenletthetemperatureoftheobjectsPIDcontrolsystemdesign.Andthenputsforwardtheoverallstructureofthesystem,thecontrolprincipleofsystemareanalyzedindetail,andhowtodesignthecontrolofwatertemperature.BasedonthetemperaturecontrolsystemofPIDcontrolinLabVIEWvirtualinstrumentsoftwaredevelopment,andtherealizationmethodsappliedtothewatertemperaturecontrol,anditsimplementationareanalyzed,thesimulationresultsshowthatthecontrolsystemhasgooddynamicandstaticcontroleffect,thesystemcanberealized.Keywords:LabVIEW,Tankobjectmodel，PID,controlsystem.目錄1.1課題背景5水箱溫度控制研究的現狀61.3本設計的技術要求6課題的意義及本論文的主要內容7課題的意義71．4．2本論文的主要內容7課題的總體方案82水箱溫度控制系統硬件設計82系統硬件設計8溫度檢測電路92.2傳感器的選擇類型10加熱器的選擇123水箱溫度軟件系統設計133.1虛擬儀器的概念133.2LABVIEW的操作模板163.2.1工具模板(TooIsPaIette)163.2.2控制模板（ControlsPalette）173.2.3功能模板（FunctionsPalette）173.3水箱對象模擬18水箱的對象裝置18水箱對象的數據采集19控制系統的工作原理204.2PID控制器的設計21數字PID算法21增量式PID控制算式22水箱溫度的PID控制系統的LV實現234.4水箱溫度控制系統的參數設定及結果分析245.結束語26參考文獻28致謝29結束語25參考文獻26致謝27第一章緒論1.1課題背景溫度是工業生產中常見的工藝參數之一，任何物理變化和化學反應過程都與溫度密切相關，因此溫度控制是生產自動化的重要任務。對于不同生產情況和工藝要求下的溫度控制，所采用的升溫加熱方式，控制方案也有所不同。像電力、化工、石油、冶金、航空航天、機械制造、糧食儲存、酒類生產等領域內，溫度常常是表征對象和過程狀態的最重要的參數之一。可以說幾乎所有的工業生產部門都不得不考慮著溫度這個因素。國外溫度控制系統及儀表正朝著高精度智能化、小型化等方面快速發展。溫度控制系統在國內各行各業的應用雖然已經十分廣泛，但從國內生產的溫度控制器來講，總體發展水平仍然不高，同國外的日本、美國、德國等先進國家相比，仍然有著較大的差距。目前，我國在這方面的總體技術水平處于20世紀80年代中后期水平。1．2水箱溫度控制研究的現狀隨著單片機技術的飛速發展，基于單片機的溫度測控系統在檢測和控制系統中的應用也越來越廣泛。本文設計了一種基于PID算法的溫度測控系統，并在水箱上加以應用，從而實現對水箱的溫度進行實時精確測量、自動檢測和控制，有效的提高了控制系統的實時性和控制精度，大大改善了水箱溫度控制的自動化程度，具有較高的實用價值。目前的測溫控制系統大都使用傳統溫度測量儀器，其功能大多都是由硬件或固化的軟件來實現，而且只能通過廠家定義、設置，其功能和規格一般都是固定的，用戶無法隨意改變其結構和功能，因此已不能適應現代化監測系統的要求。隨著計算機技術的飛速發展，美國國家儀器公司率先提出了虛擬儀器的概念，徹底打破了傳統儀器由廠家定義、用戶無法改變的模式，使測控儀器發生了巨大變革。虛擬儀器技術充分利用計算機的強大運算處理功能，突破傳統儀器在數據處理、顯示、傳輸、存儲等方面的限制．通過交互式圖形界面實現系統控制和顯示測量數據，并使用框圖模塊指定各種功能。采用集成電路溫度傳感器和虛擬儀器方便地構建一個測溫系統，且外圍電路簡單，易于實現，便于系統硬件維護、功能擴展和軟件升級口。1.3本設計的技術要求（1）測控系統應能對水箱溫度進行采集、計算、控制、存儲、顯示檢測和打印輸出。（2）可對溫度測試值進行實時顯示監測，使用者可清晰知道所有瞬時參數及累計參數，應可隨時進行查詢和報表打印。（3）當受到干擾時能進行PID調節。（4）人機交互界面友好、快捷，具有報警功能。（5）在硬件和軟件上具有一定的抗干擾措施。1.4課題的意義及本論文的主要內容1.4.在鋼鐵、機械、石油化工、電力、工業爐窯等工業生產中，溫度是極為普遍又極為重要的熱工參數之一。隨著自動化水平的不斷提高和對產品質量要求的不斷提高，對溫度的測控精度、響應速度、系統穩定性以及適應能力等方面要求越來越高，測溫范圍越來越廣，因此，溫度測控技術的研究是一個重要的研究課題，研究高性能的溫度控制儀表具有重要意義。溫度控制的關鍵在于測溫和控溫兩方面。在溫度測量方面，熱電阻和熱電偶以其精度高、穩定性好、價格低等特點，在工業領域得到了廣泛應用雖然熱電阻和熱電偶測量中，傳感器的非線性校正已經有多種方法，但有些方法存在著變換電路復雜、軟硬件開銷大、穩定性差等問題。因此，尋求一種簡單、穩定的檢測電路和非線性校準電路，對于工業生產和科學研究非常重要。在溫度控制方面，由于控制對象越來越復雜，還存在著許多問題，人們還在尋找著更好的控制方法以提高控制性能，滿足不同的控制要求。隨著科學技術的發展PID控制技術在虛擬儀器中的應用更能解決這些問題。1．4．2本論文的主要內容本文在充分研究溫度控制的特點與控制方法的基礎上，設計了基于LabVIEW的PID控制器，用于單容水箱溫度對象的控制，采用仿真法顯示試驗結果，采用比較法證實應用該法進行控制的優勢。本課題設計的水箱流量的系統主要有單容水箱，NI-6009數據采集卡，流量計，液體流動閥門以及采用LABVIEW編寫的PID控制軟件組成。該課題是基于8.5版本的labview環境下實現pid控制的設計的。如下是對本課題的設計總體步驟：第一步：對水箱流量的控制系統的總體規劃和選擇合適的傳感器以及其詳細的參數和采集卡的選擇和水箱的形狀的確立以及水箱材料和閥門的選定。第二步：設計單容水箱并傳感器和閥門組裝在一起。第三步：進行Pid的控制算法的確立和選擇簡便的算法并在labview中編程第四步：把PID控制和水箱的流量的模型連接在一起并整理labview前面板的整理和最后的程序調試第五步：進行結果分析第二章水箱溫度控制系統硬件設計本系統由水箱裝置（仿真模型）、溫度傳感器（K型熱電偶）、數據采集卡、信號的處理部分、信號的采集、溫度的監控組成，由溫度傳感器實現溫度的測量，將測得的溫度信號送給數據采集卡對溫度進行采集，以便實現溫度的監測和控制，提高了系統的安全性、方便性。系統原理框圖如圖2-1所示。系統工作時，溫度傳感器將水箱的溫度變化轉換成電流變化，然后通過信號處理電路將電流信號轉變為采集卡處理的電壓信號。然后將數據送給計算機，并通過計算機運行的LabVIEW的程序來分析處理輸入數據，同時，根據采樣輸入信號，利用LabVIEW中的PID控制算法，求出系統輸出信號的大小，再將輸出信號傳輸至外部，此時輸出的是數字信號，還需要對數字信號進行一次轉換，轉換成模擬信號，本系統通過D/A轉換電路實現模/數轉換。經過模/數轉換后的信號送給后續統執行裝置，執行裝置根據信號發生動作以實現溫度控制，這樣便形成了閉環控制系統。該系統集計算機、強大的圖形化編程軟件和模塊化的硬件于一體，能夠很方便的建立靈活且以計算機為基礎的測量及控制方案，構建出滿足需要的系統，具有很好的實用性和可操作性，有很好的應用前景。圖2-1系統原理框圖2.2溫度采集系統傳感器選擇溫度檢測系統包括溫度傳感器、電壓放大電路和溫度外補償電路，電路如圖2-2所示，溫度傳感器采用熱電偶，它將溫度信號轉換成電勢（mV）信號，配以測量信號的儀表或變換器，便可以實現溫度的測量和溫度信號轉換。熱電偶溫度計由于測溫范圍寬，它在工程實際中的應用非常廣泛。熱電偶溫度計能用來測量點的溫度和壁面溫度，也能用來進行動態溫度測量。從1K到3000K的溫區，都可選擇不同型號的熱電偶溫度計實現溫度測量。電壓放大電路：采用的K型熱電偶，其輸出的熱電勢非常小，每1°CmV，因此，為了將其轉換為A/D的輸入信號，必須進行放大，采用高靈敏度、高增益、低漂移的集成運算放大器AD707。電路中，R1、R2、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。圖2-2溫度檢測電路溫度傳感器與溫度采集本系統的溫度采集系統，首先需要將檢測的溫度信號處理成相應的電信號。所以需要把溫度轉換為電信號的轉換器。熱電式傳感器是一種將溫度變化轉換成電量變化的裝置。其中將溫度轉換成電勢的熱電式傳感器叫熱電偶，將溫度轉換成電阻值的熱電式傳感器叫熱電阻。作為工業測溫中最廣泛使用的溫度傳感器之一，熱電偶與鉑熱電阻一起，約占整個溫度傳感器總量的60%。這兩種傳感器在目前的工業生產中得到最為廣泛的應用。熱電偶作為一種主要的測溫元件，具有制造容易、使用方便、測溫范圍寬、測溫精度高，性能穩定結構簡單，且動態相應好，輸出直接為電壓信號，可以傳送便于集中檢測和控制等特點。熱電偶通常和顯示儀表等配套使用，可直接用于測量各種生產過程中-40~1800.2熱電偶的溫度測量原理熱電偶是目前溫度測量中應用極為廣泛的一種溫度測量系統。其工作原理是基于物體的熱電效應。如圖（2-3）所示：圖2-3熱電偶的組成把兩種不同的導體或半導體材料AB連接好形成閉合回路，將他們的兩個極端分別置于溫度為和(>)的熱源中，則回路中就產生熱電動勢(簡稱熱電勢)，可用(,)表示，這種現象稱為熱電效應.我們把這兩種不同材料的導體或半導體的組合稱為熱電偶。A和B稱為熱電極，溫度高的極點稱為熱端(或工作端)，溫度低的極點稱為冷端或自由端。如圖2-3所示的熱電偶產生的熱電勢由兩種導體的接觸電動勢和單一導體的溫差電動勢構成。(一)接觸電動勢：所有金屬內部有大量的自由電子，而不同的金屬材料其內部自由電子密度不同，當兩種不同的金屬導體接觸時，在接觸面上因自由電子密度不同而發生電子擴散，電子擴散的速率與導體的電子密度有關，并且和接觸點的溫度成正比。設導體A和B的自由電子密度分別為和，且有>，則在接觸面上由A擴散到B的自由電子將必然比由B擴散到A的電子數多。因此，導體A失電子而帶正電荷，導體B因得到電子而帶負電荷，在A和B的接觸面上便形成了一個A到B的靜電場。如下圖2-4所示：+A++--B-圖2-4接觸電動勢這個電場組，阻礙了電子的繼續擴展，當達到平衡時，在接觸區形成一個穩定的電位差，即接觸電動勢其大小可表達為：（3-1）式中：K—波耳茲曼常數，K=1.38X；T—接觸點的熱力學溫度；、—導體A、B中的自由電子密度；e—電子電荷量。(二)溫差電動勢：在單一導體中，如果兩端溫度不同，兩端間會產生電勢，即單一導體的溫差電勢。這時高溫端帶正電荷，低溫端因為得電子而帶負電荷，從而形成一個靜電場，如圖（2-5）所示:++--++--++QA--++--++--圖2-5溫差電動勢該電場阻礙電子的繼續擴散，當達到動態平衡時，導體的兩端便產生一個相應的電位差該電位差稱為溫差電勢。溫差電勢的大小可表示為:（3-2）式中：—湯姆遜系數，其含義的單一導體兩端溫度差為1°(三)熱電偶回路電動勢：對于由A、B組成的熱電偶閉合回路，當>且>閉合回路的熱電動勢為：(3-3)其中：為熱端電動勢，為冷端電動勢。由此可知：只有當熱電偶的兩個電極材料不同，且兩接點的溫度也不同時，才會產生電動勢。當熱電偶的兩個不同的電極材料確定后，熱電動勢變與兩個接點溫度和有關。既回路的熱電動勢是兩個接點的溫度函數之差：當自由端固定不變時，為常數。由此可見，熱電動勢和工作端溫度是單值函數關系。由此制訂出標準熱電偶分度表，該表是將自由端溫度保持為0°C2.3熱電偶的選擇常用標準化熱電偶的特點如下：1鉑銠—鉑熱電偶，性能穩定，準確度高，可用做基準和標準熱電偶。熱電動勢比較低，價格昂貴，不能用于金屬蒸汽和還原性氣體環境中。2鉑銠—鉑銠熱電偶，較鉑銠—鉑熱電偶具有更高的穩定性和機械強度，最高測溫可達1800°3鎳鉻—鎳硅或鎳鉻—鎳鉛熱電偶，熱電動勢較高，熱電特性具有較好線性，良好的化學穩定性，具有較強的抗氧化性和抗腐蝕性。穩定性較差，測量精度不高。4鎳鉻—考銅熱電偶，熱電動勢較高，電阻率小，適合于還原性和中性環境下測量，價格便宜，測量上限溫度不高。5鎳鉻—康銅熱電偶，熱電動勢較低，價格便宜。高溫下易氧化，適合于低溫和超低溫測量。其中鎳鉻—鎳硅分度號為K的熱電偶，穩定性較高，可在氧化性和中性介質中長期測900°C以下溫度，短期可測量1200°C。其回復性較好，產生熱電勢較大，線性好，價格便宜。但他在還原性介質中易被腐蝕，能測500°K型熱電偶通常和顯示儀表，記錄儀表和電子調節器配套使用。K型熱電偶可以直接測量各種生產中從0℃到1300℃范圍的液體蒸汽和氣體介質以及固體的表面溫度。K型熱電偶通常由感溫元件、安裝固定裝置和接線盒等主要部件組成。鎳鉻-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型熱電偶絲直徑一般為１.2～4.0ｍｍ。正極（KP）的名義化學成分為：Ni：Cr=92：12，負極（KN）的名義化學成分為：Ni：Si=99：3，其使用溫度為-200~1300℃。K型熱電偶具有線性度好，熱電動勢較大，靈敏度高，穩定性和均勻性較好，抗氧化性能強，價格便宜等優點，能用于氧化性惰性氣氛中。廣泛為用戶所采用。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。2.4加熱器的選擇為了更好的實現對水箱溫度的控制我們需要選擇一個加熱器我們選用鉑熱電阻進行加熱。我們通過PID控制通過WZP系列薄膜鉑熱電阻來對水箱進行加熱。下面是熱電阻的技術指標：熱電阻感溫元件在0’C時的電阻值(Ro)

分度號Ptl00

B級R0：100±0．12Q

鉑熱電阻的電阻與溫度關系一般可用以下關系表示：

在-79‘C范圍內

Rt=ROrl+At+Bt2+C(t-100*C)t3]

在O～600’C范圍內：Rt=R0(1+At+Bt2)

Rt為rC時熱電阻的電阻值(Ω)

式中的R0為0*C時熱電阻的電阻值(Ω)

t為被測介質溫度（C)

A、R、C等均為有關的分度常數。

自然影響

通過熱電阻中的測量電流為2mA,測得的電阻增量換算成溫度值應不大于0．3’C。

熱響應時間

當被測介質(一定溫度和規定流速的水)溫度出現階躍變化時，熱電阻的電阻值變化至相當于該階躍變化的50％所需的時間，用l。s表示。

具體數值參見型號規格表。

公稱壓力

系指在室溫下保護管所承受的靜態外壓而不破損，測溫性能不受其影響。

絕緣電阻

當周圍空氣溫度15～35‘C和相對溫度不大于80％時，熱電阻感溫元件和保護管之間以及雙支感溫元件之間的絕緣電阻，應不小于100M》(電壓10—100V)。

最小可置入深度一般應不小于其保護管外徑的15倍，再加上感溫元件的長度。第三章水箱溫度控制系統仿真3.1虛擬儀器的概念虛擬儀器(VirtualInstruments，簡稱VI)是一類用于數據采集、分析、顯示和儀器控制的開發軟件。除常用的LabVIEW外，還有LabScene、HPVEE、Prograph、vipers等。LabVIEW是美國國家儀器(NationalInstruments，簡稱NI)公司開發的一種圖形化的編程環境，該公司還同時推出了另一種功能和應用環境不同的虛擬軟件LabWindowsll6-zq。使用LabVIEW開發平臺編制的程序稱為虛擬儀器程序，簡稱為vI程序或vI。vI程序包括三個部分：程序前面板、框圖程序和圖標／連接器。程序前面板用于設置輸入數值和觀察輸出量，用于模擬真實儀表的前面板。在程序前面板上，輸入量被稱為控制件(Controls)，輸出量被稱為顯示件(Indicators)。控制件和顯示件是以各種圖標形式出現在前面板上，如旋鈕、丌關、按鈕、圖表、圖形等，這使得前面板直觀易懂。下圖3．1是一個能同時顯示兩參數的vI前面板程序。圖3-1兩參數同時顯示VI前面板程序每一個程序前面板都對應著一段框圖程序。框圖程序用LabVIEW圖形編程語言編寫，可以把它理解成傳統程序的源代碼。框圖程序由端口、節點、圖框和連線構成。其中端口被用來同程序前面板的控制和顯示傳遞數據，節點被用柬實現函數和功能調用，圖框被用來實現結構化程序控制命令，而連線代表程序執行過程中的數據流，定義了框圖內的數據流動方向。上述兩參數顯示程序的框圖程序如下圖3．2所示。圖3-2兩參數同時顯示VI框圖程序圖標／連接器是子vI被其它vI調用的接口。圈標是子vI在其他程序框圖中被調用的節點表現形式；而連接器則表示節點數據的輸入／輸出口，就象函數的參數。用戶必須指定連接器端口與前面板的控制件和顯示件一一對應。3.2LABVIEW的操作模板LabVIEW具有多個圖形化的操作模扳，用于創建和運行程序。這些操作模板可以隨意在屏幕上移動．并可以放置在屏幕的任意位置。操縱模板共有三類，為工具(Tools)模板、控制(Controls)模板和功能(Functions)模板。3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種用于創建、修改和調試vI程序的工具。工具圖標有如下幾種：圖3-3工具模板與上述工具模板不同，控制和功能模板只顯示頂層子模板的圖標。在這些頂層子模板中包含許多不同的控制或功能子模板。通過這些控制或功能子模板可以找到創建程序所需的面板對象和框圖對象。3控制模板（ControlsPalette）用控制模板可以給前面板添加輸入控制和輸出顯示。每個圖標代表一個子模板。控制模板如圖3-4所示，它包括下面幾個子模板。圖3-4控制模板3功能模板（FunctionsPalette）功能模板是創建框圖程序的工具。該模板上的每一個頂層圖標都表示一個子模板。功能模板如下圖3-5所示。圖3-5功能模板水箱對象模擬水箱溫度系統是基于水箱的溫度的控制，通過傳感器的采集到水箱的溫度的數據，通過采集卡，采集到這些數據與設定值比較，送到控制裝置，通過執行器（水箱閥門）來調節水箱的溫度，從而使最終的結果接近設定值從而達到控制。虛擬儀器的硬件可以完成信號的采集，信號的放大、濾波、A/D轉換等，所以硬件設計是整個水箱溫度控制系統得以順利運行的保障，只有保證所采集溫度信號的正確，才能確保對后來數據做出正確的分析，得出正確的結論，供相關技術人員參考，從而使整個水箱溫度控制系統的設計具有實際的應用價值。3.4水箱的對象裝置本課題研究的是基于單容水箱的溫度的PID控制，其示意圖如圖所示。水箱對象裝置內流動的液體(純凈水)存儲在水箱中，水箱內的水由泵抽出經自動閥門2注入水柱，再經出水閥門1流回水箱形成循環。通過電動閥門2(控制閥門)可以調節進水量g。，通過閥門1可以手動調節出水量q。從而可以在水箱底面積一定的情況下來控制水箱的液位下降速度來控制水箱的流量。因此，這是一個典型的有自平衡能力的流量對象。3.6圖單容水箱下圖是水箱的溫度控制的硬件圖形，如圖所示：圖3.7水箱硬件裝3.5水箱對象的數據采集得到系統的輸入輸出數據，是建立溫度系統模型的前提［7～8］。我們可以通過編程操作數據采集卡，實現數據采集。本文中采用VC++6．0來完成編碼［9～14］。l、VC++6．0操作數據采集卡本系統采用的是阿爾泰公司生產的PCI2006型號的數據采集卡，其自帶有訪問操作數據采集卡的底層驅動，因此在正式編程之前，首先需要把PCI2006．LIB、PCI2006．h添加到項目中。采用面向對象化編程，為數據采集卡建立一個IOPort類，將數據采集功能全部封裝在類中。2、精確地定時器實現VC++6．0中提供了以下幾種可供選擇的定時方式：(1)WMTIMER消息映射能進行簡單的時間控制。這種定時方法非常簡單，可以實現一定的定時功能，但精度非常低。(2)利用GetTickCount（）函數實現定時。精度比WMTIMER消息映射高，CPU占用率非常高，只能用于要求不高的延時程序中。(3)多媒體定時器函數DWORDtimeGetTime(void)，該函數定時精度為ms級，返回從Windows啟動開始經過的毫秒數。但是很占用系統資源。(4)利用QueryPerformanceFrequency()和QueryPerformanceCounter()函數實現定時。其定時誤差不超過1微秒，精度與CPU等機器配置有關，在精度要求非常高的情況下使用。水箱溫度PID控制系統的工作原理PID控制器是種線性控制器，它將設定值r(t)與實際輸出值y(t)進行比較，形成偏差：e(t)=r(t)-y(t),再對偏差e(t)進行比例（P）、積分（I）、微分(D)運算，然后通過線性組合形成控制量u(t)，一般模型的PID的控制框圖如圖所示。圖水箱溫度的PID控制系統結構方塊圖.1PID控制器的設計常規PID控制器是由比例、積分、微分三種數學運算組合而成的運算器，它們稱為控制器的控制規律。PID控制器的輸入輸出信號關系式為（1）對應的傳遞函數為：（2）式中的kp是比例系數；Ti是積分時間常數；Td是微分時間常數；u(t)是為控制輸出。數字PID算法基于虛擬儀器的PID控制是一種采樣控制，只能根據采樣時刻的偏差值計算控制量，因此式(1)中的積分和微分項不能準確計算，只能用數值計算的方法逼近，稱為數字PID控制算式．數字PID控制算式通常又分為位置式PID控制算式和增量式PID控制算式。.1位置式PID控制算式在采樣時刻t—kT(T為采樣周期)，為了便于計算機實現PID控制，把微分方程式(1)改寫成差分方程，即（3）（4）式中，T為控制周期；為控制周期序號；e(n一1)，e()分別為第(一1)，()個控制周期所得的偏差．將公式(3)和(4)代人公式(1)可得位置PID表達式：（5）如果采樣周期T取的足夠小，這種逼近相當準確，缺點是由于全量輸出，所以每次輸出均與過去的狀態有關，計算時要對e(足)進行累加，計算機運算工作量大．.3增量式PID控制算式增量式PID控制算式是指數字控制器的輸出只是控制器的增量Au(k)．根據遞推原理可得：（6）用式（5）減去式（6）可得:（7）可以看出，由于一般計算機控制系統采用恒定的采樣周期T，一旦確定了K、Ti、T，只要使用前后3次測量值的偏差，即可由式(7)求出控制增量．位置式與增量式控制算法并無本質區別，增量式控制雖然只是算法上作了一點改進，卻有許多優點：誤動作時影響小；手動／自動切換時沖擊小，便于無擾動切換；算式中不需要累加．但是增量式控制也有不足之處，積分截斷效應大，有靜態誤差，溢出的影響。因此在這次課題中我們采用增量式PID算法來實現對水箱流量系統的控制。如圖就是在LABVIEW中實現的PID控制程序：圖水箱溫度PID控制程序框圖水箱溫度的PID控制系統的LV實現水箱溫度PID控制系統的LV總體框圖如下圖4-3所示。該圖共由四部分組成，功能如下：（1）為個參數、權賦初始值。（2）PID控制器。（3）水箱模型。（4）系統偏差顯示、記錄及程序運行控制等部分。水箱溫度PID控制系統LV程序圖所示圖水箱溫度PID控制的全程序圖水箱溫度的PID控制系統LV前面板如下圖3.11所示：圖水箱溫度的PID控制系統LV前面板水箱溫度控制系統的參數設定及結果分析在PID控制系統中，由于PID控制參數直接影響到整個系統的控制性能，因此，確定一組較準確的參數值是一項至關重要的工作。參數整定通常有兩種方法，即理論設計法和試驗確定法。前者需要被控對象的精確模型，然后采用最優化的方法確定PID的各參數。被控對象的模型可以通過物理建模或系統辨識等方法得到，但這樣通常只能得到近似的模型。通過試驗確定法(試湊法)來選擇PID參數通常是行之有效的方法。試湊法是通過模擬或閉環運行系統來觀察系統的響應曲線，然后根據各控制參數對系統響應的大致影響來改變參數，反復試湊，直至逼近最優值。在考慮了以上參數對控制過程的影響后，試湊時，可按先比例一后積分一再微分的順序反復調試參數。具體步驟如下：(1)首先只調整比例部分，將比例系數由小變大，并觀察系統所對應的響應，直到得到響應快、超調量小的響應曲線為止。如果這時系統的靜態誤差己在允許范圍內，并且達到4：l哀減比(定值系統的最佳經驗值)的響應曲線，那么只需要調整比例環節即可，由此可以確定出比例系數。(2)如果在比例調節的基礎上，系統的靜態誤差還達不到設計要求，則必須調整積分環節。積分常數在試湊時，先給一個較大值，并將上一步調整時獲得的比例系數略微減小，然后逐漸減小積分常數進行試湊，并根據所獲得的響應曲線進一步調試比例系數和積分常數值，直到消除靜態誤差，并且保持良好的動態性能為止。(3)如果使用比例積分環節雖然消除了靜態誤差，但系統的動態性能仍不能令人滿意，這時可調節微分環節。在試湊時，可先給一個很小的微分常數，以后逐漸增大，同時相應地改變比例系數和積分常數，直到獲得滿意的效果為止。按照上述方法對系統進行參數整定，得到本系統的最佳參數值為：K我們把采樣周期設定為T=1s.，在系統工作點分別處于50攝氏度、100攝氏度，控制器參數為K。=4．1，Z=攝氏度mm。啟動系統，待系統狀態平穩后再加入階躍干擾信號，干擾信號取控制電壓Au=0．5v。系統的控制結果為如下圖所示圖在r=50時PID時常規PID控制系統控制結果圖在r=100時常規PID控制系統控制結果5