【正文】 ................................................38 用 MATLAB Script 節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn) PID 控制算法 ............................................39 本章小結(jié) ..................................................................................................42 結(jié) 論 .................................................................................................................43 致 謝 .................................................................................................................44 參考資料 .................................................................................................................45 附 錄 .................................................................................................................46 附錄 A（英文） ...............................................................................................46 附錄 B（中文） ...............................................................................................50 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 1 頁(yè) 1 緒論 研究目的和研究意義 在現(xiàn)代化的生產(chǎn)過(guò)程中， 溫度是工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究實(shí)驗(yàn)中的一個(gè)非常重要的參數(shù)，物體的許多物理現(xiàn)象和化學(xué)性質(zhì)都與溫度有關(guān)，許多生產(chǎn)過(guò)程都是在一定的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行的，需要 測(cè)量溫度和控制溫度的場(chǎng)合極其廣泛。 20 世紀(jì) 90 年代初在我國(guó)興起對(duì)虛擬儀器的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，現(xiàn)在已進(jìn)入航空、航天、通信、醫(yī)療、電力、石油勘探、鐵路等行業(yè)，并得到了廣泛的應(yīng)用，未來(lái)市場(chǎng)潛力巨大。我們學(xué)校就 在大三的第二學(xué)期開(kāi)設(shè)了關(guān)于虛擬儀器的基本課程，并且本課程是以全英語(yǔ)版教學(xué)。但是，采用 GPIB 總線的儀器或插件，仍然大量存在，一直在應(yīng)用，因此 GPIB 總線仍然是組建中等水平自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)所采用的總線。本文主要進(jìn)行了以下幾方面的工作： (1)論述了溫度測(cè)控系統(tǒng)的課題目的及意義，溫度測(cè)控系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況及本論文的主要內(nèi)容。 (5)詳細(xì)介紹了數(shù)字 PID 控制、大林算法 PID 控制的原理及算法，并分析了各種 PID 控制的優(yōu)缺點(diǎn)。虛擬儀器并不完全等同于計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試，它是一種基于信號(hào)采集與分析理論、具有 標(biāo)準(zhǔn) 化軟硬件及其接口和良好集成性與柔性的儀器系統(tǒng)，是一種新的測(cè)試儀器 標(biāo)準(zhǔn) 和技術(shù)規(guī)范 。 LABVIEW 是一種虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)軟件，能夠以其直觀簡(jiǎn)便的編程方式、眾多的源代碼級(jí)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、多種多樣 的分析和表達(dá)功能支持，為用戶快捷地構(gòu)筑自己在實(shí)際工程中所需要的儀器系統(tǒng)創(chuàng)造了基礎(chǔ)條件。像 C 和 C++等其它計(jì)算機(jī)高級(jí)語(yǔ)言一樣，LABVIEW 也是一種通用編程語(yǔ)言，具有各種各樣、功能強(qiáng)大的函數(shù)庫(kù)，包括數(shù)據(jù)采集、 GPIB、串行儀器控制、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，甚至還有網(wǎng)絡(luò)功能。一個(gè) VI 由交互式用戶接口、數(shù)據(jù)流框圖和圖標(biāo)連接端口組成。進(jìn) 一步而言，許多低級(jí)子 VI 可以完成一些常用功能，因此，用戶可以開(kāi)發(fā)特定的子 VI 庫(kù)，以適用一般的應(yīng)用程序。數(shù)據(jù)流程序設(shè)計(jì)規(guī)定，一個(gè)函數(shù)只有當(dāng)它的所有輸入有效時(shí)才能執(zhí)行；而目標(biāo)的輸出，只有當(dāng)它的功能完成時(shí)才是有效的。 LABVIEW 的核心是 VI。當(dāng)把一個(gè)輸入控件或顯示放置到前面板上時(shí)， LABVIEW 在程序圖中相應(yīng)地放置了一個(gè)端 EI(Terminals)，這個(gè)從屬于輸入控件或顯示控件的端口不能隨意刪除，只有刪除它對(duì)應(yīng)的輸入控件或顯示控件時(shí)它才隨之一起被刪除。用 LABVIEW 編制出的圖形化 VI 是分層次和模塊化的。 LABVIEW的應(yīng)用現(xiàn)狀 LABVIEW 廣泛應(yīng)用于包括自動(dòng)化、通信、半導(dǎo)體、電路設(shè)計(jì)、航空和生產(chǎn)、過(guò)程控制及生物醫(yī)學(xué)在內(nèi)的各種工業(yè)領(lǐng)域中，用來(lái)提高應(yīng)用系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)效率。 LABVIEW 結(jié)合 NI Test Stand 測(cè)試執(zhí)行環(huán)境和該領(lǐng)域中最大的儀器驅(qū)動(dòng)程序庫(kù)，為整個(gè)系統(tǒng)建立穩(wěn)固完整的檢測(cè)管理平臺(tái)。對(duì)于大型復(fù)雜的工業(yè)自動(dòng)化和控制系統(tǒng)，有專門(mén)的 LABVIEW數(shù)據(jù)記錄和監(jiān)控模塊， 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 6 頁(yè) 用于監(jiān)控多通道 I／ O、 與工業(yè)控制器和網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，以及提供基于 PC 機(jī)的控制。 本章小結(jié) 本章主要介紹了虛擬儀器與 LABVIEW 的相關(guān)知識(shí)。首先介紹了測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則；然后具體介紹了系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，最后討論了系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)的選擇 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能 本論文針對(duì)傳統(tǒng)測(cè)控儀表功能由儀器廠商定義，與其它儀器設(shè)備的連接十 分有限，圖形界面小，人工讀取數(shù)據(jù)信息量小，數(shù)據(jù)無(wú)法編輯、存儲(chǔ)、打印，系統(tǒng)封閉、功能固定、可擴(kuò)展性差，技術(shù)更新慢，開(kāi)發(fā)和維護(hù)費(fèi)用較高的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于 LABVIEW 的溫度測(cè)控系統(tǒng)。 (4)加熱器溫度實(shí)時(shí)控制曲線，而且具有數(shù)字顯示和波形圖顯示。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原則 本論文研究開(kāi)發(fā)的是基于 LABVIEW 的溫度測(cè)控系統(tǒng)，要開(kāi)發(fā)出好的測(cè)控系 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 8 頁(yè) 統(tǒng)，首先要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)。 (2)可擴(kuò)展性原則。 (3)經(jīng)濟(jì)性原則。本論文所開(kāi)發(fā)的基于LABVIEW 的智能溫度測(cè)控系統(tǒng)，采用 PC 機(jī)與自己搭建 的溫度測(cè)控儀表板構(gòu)成的虛擬儀器系統(tǒng)，正是由于此系統(tǒng)成本低。 (5)易操作性原則。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體方案 本論文設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的基于 LABVIEW 的溫度測(cè)控系統(tǒng)，根據(jù)從總體到局部的設(shè)計(jì)原則，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)功能的分析，將整個(gè)系統(tǒng)分解為實(shí)現(xiàn)不同功能的幾個(gè)部分，然后分別對(duì)每個(gè)部分設(shè)計(jì)。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖 所示。其實(shí)驗(yàn)硬件的組成框圖如圖 3 .2: 小型加熱器手 動(dòng) 控 制P N 結(jié) 檢 測(cè)元 件固 態(tài) 繼 電 器信 號(hào) 調(diào) 理電 路報(bào) 警 電 路溫度測(cè)控板單片機(jī)小系統(tǒng)LabVIEW計(jì)算機(jī) 圖 3. 2 用實(shí)驗(yàn)板組成的系統(tǒng)硬件組成框圖 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)框圖如下： 圖 3. 3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖 系統(tǒng)實(shí)物圖形如下： 加熱對(duì)象 RS.232串口線 操作員站 工程師站 單片機(jī) 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 11 頁(yè) 圖 系統(tǒng)實(shí)物圖 溫度測(cè)控板是有老師的指導(dǎo)下由同學(xué)自己完成搭建的，完全可以實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)溫度測(cè)控系統(tǒng)的功能。 從整個(gè)檢測(cè)與控制過(guò)程考慮我們很容易發(fā)現(xiàn)利用方案一是簡(jiǎn)單的，現(xiàn)在的學(xué)生自己都有一塊由 AT89S52 單片機(jī)組成的最小系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)板，開(kāi)發(fā)板自帶 A\D、D\A 轉(zhuǎn)換器、 DS18b20 等常用的芯片，為簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)提供了很多的幫助，同時(shí)開(kāi)發(fā)板還自帶了很多有 C 語(yǔ)言編程的庫(kù)文件以供實(shí)驗(yàn)者使用。實(shí)驗(yàn)的原理大致是：溫度測(cè)控板實(shí) 驗(yàn)板得到的溫度信息通過(guò) A\D 轉(zhuǎn)換和交換機(jī)傳到計(jì)算機(jī)中。它可以通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)許多由傳統(tǒng)儀器硬件所實(shí)現(xiàn)的功能，這是虛擬儀器“軟件就是儀器”最根本的體現(xiàn)。要設(shè)計(jì)出可靠并且效率高的程序就需 要對(duì)軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)進(jìn)行選擇。 PID 控制器是系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，實(shí)現(xiàn)對(duì)小型加熱器模型溫度的控制。 本章小結(jié) 本章主要討論了溫度測(cè)控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案。同時(shí)選擇 LABVIEW 作為溫度測(cè)控系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)。 本論文的被控對(duì)象小型加熱器模型是一種能自衡的對(duì)象，將小型加熱器模型箱內(nèi)的溫度作為唯一變量。 式（ ）就是被控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，設(shè) )(sG （ )(sG 稱被控對(duì)象的傳遞函數(shù)）則系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖 ： 圖 4. 1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 D(s) G(s) R(s) Y(s) 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 17 頁(yè) )(sD 表示控制器的傳遞函數(shù)， )(sD 即為控制器的數(shù)學(xué)模型，也可稱之控制算法，它是控制系統(tǒng)的核心。 階躍響應(yīng)曲線的獲取 用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定對(duì)象的 階躍響應(yīng)曲線應(yīng)在較狹的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)進(jìn)行，這樣既可以保持對(duì)象輸入輸出特性的近似線性，又不至于影響生產(chǎn)的正常運(yùn)行。 ⑵ 實(shí)驗(yàn)時(shí)要進(jìn)行到被控量接近穩(wěn)態(tài)值，或者至少要達(dá)到被控量變化速度變化已達(dá)到最大值之 后，防止因只看到局部信息忽略了整體信息而造成辨識(shí)失真較大。 ⑸ 要特別注意記錄下響應(yīng)曲線的起始部分，如果這部分沒(méi)有測(cè)出或者欠準(zhǔn)，就難以獲得準(zhǔn)確度的對(duì)象動(dòng)態(tài)特性參數(shù)。 T 是對(duì)象時(shí)間常數(shù)； ? 是對(duì)象純滯后。 通過(guò)以上分析，我們利用上面的方法對(duì)本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理，等到曲線圖 : 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 21 頁(yè) 圖 4. 6 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理計(jì)算 從上圖 中， 我們可得： sTs 159,14 0 ??? （ ） )0()( 000 ??????? iVVx yyK （ ） 所以該系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型為 sessW 140 1159 )( ??? （ ） 方法二：理論公式求解法 上述動(dòng)態(tài)特性參數(shù)也可以用計(jì)算求的。 2112 2),(2 ttttT ???? ? () 根據(jù)圖 和前面介紹的各參數(shù)求解方法，求得 ： stst 145,80 21 ?? 1 3 0)801 4 5(2 ???T 152 21 ??? tt? () 由于 K 值是由變送器的放大倍數(shù)所決定的，兩種方法計(jì)算的結(jié)果是一樣的故： ?k () 因此我們可以得到小型加熱器模型的傳遞函數(shù)： SeSSG 151130 )( ??? () 在上面兩種計(jì)算對(duì)象模型的時(shí)候，前人一般是選用第一種方法，其主要 是因?yàn)楫?dāng)我們通過(guò)實(shí)驗(yàn)做出數(shù)據(jù)曲線圖時(shí)，我們只要用作圖的方法在數(shù)據(jù)曲線上做切線就可以很方便的得到調(diào)節(jié)時(shí)間 T 和延遲時(shí)間常數(shù) ? ；對(duì)象的增益 K 由實(shí)驗(yàn)當(dāng)中的變送器的放大倍數(shù)決定的，也易得到，因此這種方法適應(yīng)與那些能夠自身消除 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 23 頁(yè) 干擾的閉環(huán)系統(tǒng)同時(shí)要求控制準(zhǔn)確度不高的系統(tǒng)。 對(duì)兩種方案計(jì)算出的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行 MATLAB 仿真，仿真圖如下 圖 MATLAB 仿真結(jié)果 上圖為方案一時(shí)域辨別對(duì)象法，下圖為方案二時(shí)域公式計(jì)算法。所以改進(jìn)傳統(tǒng) PID 控制器也就成了人們研究的熱點(diǎn)。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差。積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。 自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過(guò)程 中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩。 數(shù)字 PID 控制技術(shù) 由于計(jì)算機(jī)控制是一種采樣控制，通過(guò)傳感器測(cè)量得到的連續(xù)信號(hào)，必須經(jīng)過(guò)采樣和量化后，變成數(shù)字量，方能進(jìn)入計(jì)算機(jī)的存貯器和寄存器，因而在計(jì)算機(jī)控 制系統(tǒng)中，使用的是數(shù)字 PID 控制器，數(shù)字 PID 控制算法通常又分為位置式PID 控制算法和增量式 PID 控制算法。其中經(jīng)常采用的有位置式和增量式 PID 控制算法。為書(shū)寫(xiě)方便，將 )(sG 簡(jiǎn)化為 )(Ke ， )(KTu 簡(jiǎn)化成 )(Ku ，即省略 T 。而且，因?yàn)橛?jì)算機(jī)輸出的 ()uk 對(duì)應(yīng)的是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置，如計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障， ()uk 的大幅度變化會(huì)引起執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置的大幅度變化，這種情況往往是生產(chǎn)實(shí)踐中不允許的，在某些場(chǎng)合，還可能造成重大的生產(chǎn)事故，因而產(chǎn)生了增量式 PID 控制算法。只要使用前三次測(cè)量的偏差，即可由式 ()求出控制增量。此時(shí)，當(dāng)計(jì)算機(jī)發(fā)生故障時(shí)，由于輸出通道或執(zhí)行裝置具有信號(hào)的鎖存作用，故能仍然保持原值 。下面從系統(tǒng)穩(wěn)定性、響應(yīng)速度、超調(diào)量和控制精度等各方 面特性來(lái)分析 PID三參數(shù)對(duì) PID 控制品質(zhì)的影響。 大林算法的基本形式 假設(shè)帶有純延遲對(duì)象的 PID 控制系統(tǒng)圖如