【正文】 ................................................38 用 MATLAB Script 節(jié)點實現(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 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（論文） 第 1 頁 1 緒論 研究目的和研究意義 在現(xiàn)代化的生產(chǎn)過程中， 溫度是工業(yè)生產(chǎn)和科學研究實驗中的一個非常重要的參數(shù)，物體的許多物理現(xiàn)象和化學性質(zhì)都與溫度有關(guān)，許多生產(chǎn)過程都是在一定的溫度范圍內(nèi)進行的，需要 測量溫度和控制溫度的場合極其廣泛。 20 世紀 90 年代初在我國興起對虛擬儀器的開發(fā)和應用，現(xiàn)在已進入航空、航天、通信、醫(yī)療、電力、石油勘探、鐵路等行業(yè)，并得到了廣泛的應用，未來市場潛力巨大。我們學校就 在大三的第二學期開設了關(guān)于虛擬儀器的基本課程，并且本課程是以全英語版教學。但是，采用 GPIB 總線的儀器或插件，仍然大量存在，一直在應用，因此 GPIB 總線仍然是組建中等水平自動測試系統(tǒng)所采用的總線。本文主要進行了以下幾方面的工作： (1)論述了溫度測控系統(tǒng)的課題目的及意義，溫度測控系統(tǒng)的國內(nèi)外發(fā)展概況及本論文的主要內(nèi)容。 (5)詳細介紹了數(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。虛擬儀器并不完全等同于計算機輔助測試，它是一種基于信號采集與分析理論、具有 標準 化軟硬件及其接口和良好集成性與柔性的儀器系統(tǒng)，是一種新的測試儀器 標準 和技術(shù)規(guī)范 。 LABVIEW 是一種虛擬儀器開發(fā)平臺軟件，能夠以其直觀簡便的編程方式、眾多的源代碼級的設備驅(qū)動程序、多種多樣 的分析和表達功能支持，為用戶快捷地構(gòu)筑自己在實際工程中所需要的儀器系統(tǒng)創(chuàng)造了基礎條件。像 C 和 C++等其它計算機高級語言一樣，LABVIEW 也是一種通用編程語言，具有各種各樣、功能強大的函數(shù)庫，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，甚至還有網(wǎng)絡功能。一個 VI 由交互式用戶接口、數(shù)據(jù)流框圖和圖標連接端口組成。進 一步而言，許多低級子 VI 可以完成一些常用功能，因此，用戶可以開發(fā)特定的子 VI 庫，以適用一般的應用程序。數(shù)據(jù)流程序設計規(guī)定，一個函數(shù)只有當它的所有輸入有效時才能執(zhí)行；而目標的輸出，只有當它的功能完成時才是有效的。 LABVIEW 的核心是 VI。當把一個輸入控件或顯示放置到前面板上時， LABVIEW 在程序圖中相應地放置了一個端 EI(Terminals)，這個從屬于輸入控件或顯示控件的端口不能隨意刪除，只有刪除它對應的輸入控件或顯示控件時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的應用現(xiàn)狀 LABVIEW 廣泛應用于包括自動化、通信、半導體、電路設計、航空和生產(chǎn)、過程控制及生物醫(yī)學在內(nèi)的各種工業(yè)領域中，用來提高應用系統(tǒng)的開發(fā)效率。 LABVIEW 結(jié)合 NI Test Stand 測試執(zhí)行環(huán)境和該領域中最大的儀器驅(qū)動程序庫，為整個系統(tǒng)建立穩(wěn)固完整的檢測管理平臺。對于大型復雜的工業(yè)自動化和控制系統(tǒng)，有專門的 LABVIEW數(shù)據(jù)記錄和監(jiān)控模塊， 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（論文） 第 6 頁 用于監(jiān)控多通道 I／ O、 與工業(yè)控制器和網(wǎng)絡進行通信，以及提供基于 PC 機的控制。 本章小結(jié) 本章主要介紹了虛擬儀器與 LABVIEW 的相關(guān)知識。首先介紹了測控系統(tǒng)的設計原則；然后具體介紹了系統(tǒng)的總體設計方案，最后討論了系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺的選擇 系統(tǒng)實現(xiàn)的功能 本論文針對傳統(tǒng)測控儀表功能由儀器廠商定義，與其它儀器設備的連接十 分有限，圖形界面小，人工讀取數(shù)據(jù)信息量小，數(shù)據(jù)無法編輯、存儲、打印，系統(tǒng)封閉、功能固定、可擴展性差，技術(shù)更新慢，開發(fā)和維護費用較高的特點，設計了一個基于 LABVIEW 的溫度測控系統(tǒng)。 (4)加熱器溫度實時控制曲線，而且具有數(shù)字顯示和波形圖顯示。 系統(tǒng)設計的原則 本論文研究開發(fā)的是基于 LABVIEW 的溫度測控系統(tǒng)，要開發(fā)出好的測控系 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（論文） 第 8 頁 統(tǒng)，首先要對整個系統(tǒng)進行總體設計。 (2)可擴展性原則。 (3)經(jīng)濟性原則。本論文所開發(fā)的基于LABVIEW 的智能溫度測控系統(tǒng)，采用 PC 機與自己搭建 的溫度測控儀表板構(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)設計的總體方案 本論文設計開發(fā)的基于 LABVIEW 的溫度測控系統(tǒng)，根據(jù)從總體到局部的設計原則，通過對系統(tǒng)功能的分析，將整個系統(tǒng)分解為實現(xiàn)不同功能的幾個部分，然后分別對每個部分設計。系統(tǒng)總體設計框圖如圖 所示。其實驗硬件的組成框圖如圖 3 .2: 小型加熱器手 動 控 制P N 結(jié) 檢 測元 件固 態(tài) 繼 電 器信 號 調(diào) 理電 路報 警 電 路溫度測控板單片機小系統(tǒng)LabVIEW計算機 圖 3. 2 用實驗板組成的系統(tǒng)硬件組成框圖 系統(tǒng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)框圖如下： 圖 3. 3 系統(tǒng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)圖 系統(tǒng)實物圖形如下： 加熱對象 RS.232串口線 操作員站 工程師站 單片機 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（論文） 第 11 頁 圖 系統(tǒng)實物圖 溫度測控板是有老師的指導下由同學自己完成搭建的，完全可以實現(xiàn)實驗溫度測控系統(tǒng)的功能。 從整個檢測與控制過程考慮我們很容易發(fā)現(xiàn)利用方案一是簡單的，現(xiàn)在的學生自己都有一塊由 AT89S52 單片機組成的最小系統(tǒng)的開發(fā)板，開發(fā)板自帶 A\D、D\A 轉(zhuǎn)換器、 DS18b20 等常用的芯片，為簡單的實驗提供了很多的幫助，同時開發(fā)板還自帶了很多有 C 語言編程的庫文件以供實驗者使用。實驗的原理大致是：溫度測控板實 驗板得到的溫度信息通過 A\D 轉(zhuǎn)換和交換機傳到計算機中。它可以通過軟件實現(xiàn)許多由傳統(tǒng)儀器硬件所實現(xiàn)的功能，這是虛擬儀器“軟件就是儀器”最根本的體現(xiàn)。要設計出可靠并且效率高的程序就需 要對軟件開發(fā)平臺進行選擇。 PID 控制器是系統(tǒng)的一個重要組成部分，實現(xiàn)對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控系統(tǒng)的總體設計方案。同時選擇 LABVIEW 作為溫度測控系統(tǒng)的軟件開發(fā)平臺。 本論文的被控對象小型加熱器模型是一種能自衡的對象，將小型加熱器模型箱內(nèi)的溫度作為唯一變量。 式（ ）就是被控制對象的數(shù)學模型，設 )(sG （ )(sG 稱被控對象的傳遞函數(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) 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（論文） 第 17 頁 )(sD 表示控制器的傳遞函數(shù)， )(sD 即為控制器的數(shù)學模型，也可稱之控制算法，它是控制系統(tǒng)的核心。 階躍響應曲線的獲取 用實驗方法測定對象的 階躍響應曲線應在較狹的動態(tài)范圍內(nèi)進行，這樣既可以保持對象輸入輸出特性的近似線性，又不至于影響生產(chǎn)的正常運行。 ⑵ 實驗時要進行到被控量接近穩(wěn)態(tài)值，或者至少要達到被控量變化速度變化已達到最大值之 后，防止因只看到局部信息忽略了整體信息而造成辨識失真較大。 ⑸ 要特別注意記錄下響應曲線的起始部分，如果這部分沒有測出或者欠準，就難以獲得準確度的對象動態(tài)特性參數(shù)。 T 是對象時間常數(shù)； ? 是對象純滯后。 通過以上分析，我們利用上面的方法對本實驗數(shù)據(jù)處理，等到曲線圖 : 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（論文） 第 21 頁 圖 4. 6 實驗數(shù)據(jù)的處理計算 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)學模型為 sessW 140 1159 )( ??? （ ） 方法二：理論公式求解法 上述動態(tài)特性參數(shù)也可以用計算求的。 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 )( ??? () 在上面兩種計算對象模型的時候，前人一般是選用第一種方法，其主要 是因為當我們通過實驗做出數(shù)據(jù)曲線圖時，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)時間 T 和延遲時間常數(shù) ? ；對象的增益 K 由實驗當中的變送器的放大倍數(shù)決定的，也易得到，因此這種方法適應與那些能夠自身消除 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（論文） 第 23 頁 干擾的閉環(huán)系統(tǒng)同時要求控制準確度不高的系統(tǒng)。 對兩種方案計算出的數(shù)學模型進行 MATLAB 仿真，仿真圖如下 圖 MATLAB 仿真結(jié)果 上圖為方案一時域辨別對象法，下圖為方案二時域公式計算法。所以改進傳統(tǒng) PID 控制器也就成了人們研究的熱點。當僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差。積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。 自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程 中可能會出現(xiàn)振蕩。 數(shù)字 PID 控制技術(shù) 由于計算機控制是一種采樣控制，通過傳感器測量得到的連續(xù)信號，必須經(jīng)過采樣和量化后，變成數(shù)字量，方能進入計算機的存貯器和寄存器，因而在計算機控 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。為書寫方便，將 )(sG 簡化為 )(Ke ， )(KTu 簡化成 )(Ku ，即省略 T 。而且，因為計算機輸出的 ()uk 對應的是執(zhí)行機構(gòu)的實際位置，如計算機出現(xiàn)故障， ()uk 的大幅度變化會引起執(zhí)行機構(gòu)位置的大幅度變化，這種情況往往是生產(chǎn)實踐中不允許的，在某些場合，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。只要使用前三次測量的偏差，即可由式 ()求出控制增量。此時，當計算機發(fā)生故障時，由于輸出通道或執(zhí)行裝置具有信號的鎖存作用，故能仍然保持原值 。下面從系統(tǒng)穩(wěn)定性、響應速度、超調(diào)量和控制精度等各方 面特性來分析 PID三參數(shù)對 PID 控制品質(zhì)的影響。 大林算法的基本形式 假設帶有純延遲對象的 PID 控制系統(tǒng)圖如