【正文】 ；u(t)是控制器的輸出；e(t)是控制器的輸入，是偏差值，即給定值r(t)與被控參數(shù)實際輸出y(t)的差值：e(t)=r(t)y(t)。由于計算機控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時刻的偏差值計算控制量，因此對式（42）進行離散處理，用數(shù)學(xué)形式的差分方程代替連續(xù)系統(tǒng)的微分方程，此時積分項和微分項可用求和及增量式表示： （43） （44）將式（43）和式（44）帶入式（42），則可得到離散的PID表達(dá)式： （45）式中：=T ——周期，必須使T足夠小，才能保證系統(tǒng)有一定的精度； E（k）——第k次采樣時的偏差值； E（k1）——第k1次采樣時的偏差值； k——采樣序號，k=0，1，2，……。 p（k）——第k次采樣時調(diào)節(jié)器的輸出。 根據(jù)遞推原理，可寫出（k1）次的PID輸出表達(dá)式： （46）用式（45）減去（46），可得： （47）式中：KI=——積分系數(shù)； KD=——微分系數(shù)；式（47）表示第k次輸出的增量P（k），等于第k次與第k1次調(diào)節(jié)器的輸出的差值，即在第k1次的基礎(chǔ)上增加（或減少）的量，所以式（47）叫做增量PID控制算式。由于加入積分調(diào)節(jié)作用后會使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動態(tài)響應(yīng)變慢，所以在實際應(yīng)用中往往采用積分分離以提高響應(yīng)速度。 （48）在式（47）的積分項中引進KL，得到式（48），當(dāng)PID運算偏差E（k）大于積分分離值時，KL=0，PID不進行積分項運算，防止發(fā)生積分飽和現(xiàn)象，此時PID運算變?yōu)镻D運算。當(dāng)PID運算偏差E（k）小于積分分離值時，KL=1，引進積分作用，以消除系統(tǒng)靜差。 軟件設(shè)計本設(shè)計的軟件設(shè)計主要包括溫度信號采集，PID運算及溫度顯示三部分。 ，程序框圖如附錄B所示。 虛擬儀器前面板設(shè)計（一）溫度信號采集部分設(shè)計溫度信號的采集分以下幾個步驟：（1）控制系統(tǒng)VI通知數(shù)據(jù)采集卡相關(guān)的采樣參數(shù)：包括采樣通道（多路開關(guān)對哪個通道進行掃描）、采樣頻率（多路開關(guān)進行一次掃描的頻率）和采樣點數(shù)（多路開關(guān)掃描的次數(shù)）。，此程序框圖即完成上述各參數(shù)的設(shè)定。其中數(shù)據(jù)采集一參數(shù)設(shè)定用于傳感器檢測溫度信號的通道選擇，最大值，最小值，采樣率，采樣數(shù)，采樣模式等參數(shù)的設(shè)定。數(shù)據(jù)采集二參數(shù)設(shè)定用于過零檢測電路信號的通道選擇，最大值，最小值，采樣率，采樣數(shù)，采樣模式等參數(shù)的設(shè)定。輸出物理通道選擇用于選擇虛擬儀器產(chǎn)生的控制信號輸出到外部電路的通道。 數(shù)據(jù)采集程序框圖（2）采集卡通過多路開關(guān)、A/D轉(zhuǎn)換芯片和數(shù)據(jù)緩存將某一通道的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并存儲在其緩存中，直到采集完所需的采樣點數(shù)，再將全部數(shù)據(jù)按順序存儲到內(nèi)存緩存中，并在虛擬儀器中顯示出數(shù)據(jù)信號及變化情況；（3）計算機通過LabVIEW對數(shù)據(jù)采集卡幾個部件進行控制，在數(shù)據(jù)采集卡和計算機總線間實現(xiàn)通信，交換數(shù)據(jù)和控制信息，來完成對熱電阻溫度信號進行采集的過程。（二）PID運算部分的設(shè)計，由于LabVIEW支持公式節(jié)點，利用公式節(jié)點可以直接輸入復(fù)雜的公式或多個公式，而不必創(chuàng)建多段代碼，而且公式節(jié)點中可以使用C語言的語法，故本設(shè)計選擇用公式節(jié)點編寫PID運算部分，且選擇式（48）引進積分分離的增量型PID控制算式。 PID運算程序框圖PID運算的主要功能是要獲得響應(yīng)時間快、超調(diào)量減少和沒有穩(wěn)態(tài)誤差的系統(tǒng)。本系統(tǒng)通過虛擬控制平臺，利用PID對采集的溫度信號進行控制輸出，完成閉環(huán)負(fù)反饋，改變當(dāng)前溫度值去逐步逼近設(shè)定值，從而達(dá)到最終控制溫度的目的。（三）溫度顯示部分的設(shè)計，當(dāng)前值，還有控制量的顯示。 軟件調(diào)試PID控制系統(tǒng)運行前，應(yīng)先整定PID參數(shù)使之大小適度。因為實際各種對象對PID調(diào)節(jié)特性要求不同，如整定不好，即使很先進的算法，控制效果也不佳，故整定PID參數(shù)是關(guān)鍵問題。PID控制器參數(shù)整定的方法有兩大類：（1）理論計算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理論計算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過工程實際進行調(diào)整和修改。 （2）工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗，直接在控制系統(tǒng)的試驗中進行，且方法簡單、易于掌握，在工程實際中被廣泛采用。例如，PID控制器參數(shù)的工程整定方法主要有臨界比例度法、響應(yīng)曲線法和試湊法。各種方法各有其特點，其共同點都是通過試驗，然后按照工程經(jīng)驗公式對控制器參數(shù)進行整定，但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需要在實際運行中進行最后調(diào)整與完善。本設(shè)計PID控制參數(shù)直接在控制面板進行整定，積分時間Ti，微分時間Td等參數(shù)的整定。整定好PID三個參數(shù)后傳給PID控制系統(tǒng)，便能控制采集的當(dāng)前溫度信號去逼近設(shè)定溫度值，達(dá)到控制溫度的目的。本文采用的是現(xiàn)場“試湊”法。根據(jù)PID控制器的P、I、D參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響為理論依據(jù)，按照先比例（P）、再積分（I）、最后微分（D）的順序?qū)⒖刂破鲄?shù)逐個進行反復(fù)的“試湊”，直到獲得滿意的控制效果。具體步驟如下：（1）先設(shè)控制器積分時間Ti=∞，微分時間Td=0。將系統(tǒng)投入運行，整定比例度δp。如果曲線振蕩頻繁，則加大比例度δp；如果曲線超調(diào)大，且趨于非周期過程，則減小比例度δp。（2）引入積分作用（）。將Ti由大到小進行整定。如果曲線波動較大，則應(yīng)該增大積分時間Ti；如果曲線偏離設(shè)定值后長時間回不來，則需要減小Ti。以求得較好的過渡過程曲線。（3）引入微分作用，將Td=(1/4～1/3)Ti設(shè)置，并且由小到大進行調(diào)整。如果曲線超調(diào)大而衰減慢，則增大Td；如果曲線振蕩厲害，則需要減小Td。觀察曲線，再適當(dāng)調(diào)節(jié)δp和Ti，反復(fù)調(diào)試直到求得滿意的實際控制曲線為止。第五章 實驗與調(diào)試由于實驗條件有限，在考慮滿足硬件需求的情況下，筆者在設(shè)計后期編寫了一個電熱水器溫度雙位控制系統(tǒng)作為后期實驗。 電熱水器雙位控制系統(tǒng)前面板本系統(tǒng)工作原理為：，在實際運行中，當(dāng)溫度小于設(shè)定的溫度下限時，加熱棒開始工作，直到溫度大于設(shè)定的溫度上限時，加熱棒停止工作，當(dāng)溫度降到溫度下限的時候，加熱棒再次開始工作。如此往復(fù)，把實際溫度控制在所設(shè)定的溫度上限和溫度下限之間。 電熱水器雙位控制系統(tǒng)控制流程圖本系統(tǒng)傳感器選擇鉑電阻Pt100；調(diào)理模塊選擇SCCRTD01，雙通道的SCCRTD01模塊接受3和4線鉑RTD，并且具有1mA激勵源以驅(qū)動RTD。這兩個通道都具有25倍的增益，并包含一個30 Hz的低通濾波器來濾除噪聲。本系統(tǒng)的工作過程是：傳感器Pt100檢測到的溫度信號由調(diào)理模塊SCCRTD01調(diào)理成能被板卡PCI6221接收的010V的電壓信號，然后由板卡把此信號傳入計算機，在計算機上運行的LabVIEW程序?qū)斎氲臄?shù)據(jù)進行分析處理，（JGX10F）去控制通電電路的通斷，以達(dá)到控制溫度的目的。 SSR（JGX10F）臥式小型交、直流固體繼電器SSR（JGX10F），它是一種臥式小型交、直流固體繼電器。在本設(shè)計中，，負(fù)極接數(shù)據(jù)采集卡PCI6221的DGND端；輸出端被串聯(lián)在220V的交流電路中。，—5V的電壓信號，可以驅(qū)動SSR（JGX10F）輸出端導(dǎo)通，接通220V的交流電源，使加熱棒開始工作，反之，則加熱棒停止工作。 系統(tǒng)連線圖。 電熱水器溫度雙位控制系統(tǒng)程序框圖，但實際測量中，由于溫度有滯后，溫度被控制在70至80攝氏度之間，雖然有誤差，但能夠滿足實際需要。 電熱水器溫度雙位控制理論溫度曲線圖 實際溫度曲線圖第六章 設(shè)計總結(jié)經(jīng)過將近四個月的努力，我順利完成了畢業(yè)設(shè)計：基于虛擬儀器的電熱水器溫度控制系統(tǒng)。通過這一階段的學(xué)習(xí)和實踐，我得到了很多收獲，學(xué)到了很多新知識。首先，通過本次設(shè)計，我對虛擬儀器及LabVIEW編程有了一定的了解?，F(xiàn)在市場上已經(jīng)有許多的智能儀表，而隨著技術(shù)的日益成熟，虛擬儀器以它的優(yōu)勢必將在以后的工業(yè)生產(chǎn)中占據(jù)重要的地位，本次設(shè)計將對我今后的學(xué)習(xí)與工作打下一定的基礎(chǔ)。其次，通過本次設(shè)計，我對大學(xué)四年所學(xué)的課程和理論知識進行了鞏固和總結(jié)，學(xué)會了Visio、Protel等軟件的使用，并進行了一些實踐，不但培養(yǎng)了自己獨立設(shè)計和動手的能力，同時也是走向工作崗位前的一次熱身。再次，在與指導(dǎo)老師的接觸與交流和做畢業(yè)設(shè)計的過程中，我掌握了一定的學(xué)習(xí)方法，提高了自學(xué)能力和獨立思考問題解決問題的能力。在這次畢業(yè)設(shè)計中，我深深地體會到了課堂中所學(xué)知識的局限性，而外面的世界是多么的廣闊。雖然我們即將大學(xué)畢業(yè)，但以后的求學(xué)路還很長，以后在工作中更應(yīng)該努力學(xué)習(xí)，使自己成為一個對社會有貢獻(xiàn)的人。 參考文獻(xiàn)1．雷建龍．AT89C2051單片機控制的電熱水器水溫自動調(diào)節(jié)器[J]，中國儀器儀表，2003．8 2．伍治海，吉順祥．基于虛擬儀器的測試儀器應(yīng)用研究[J]，儀表技術(shù)，2007．103．甄冒發(fā)．[J]，自動化與儀器儀表，2007．44．廖開俊，劉志飛．虛擬儀器技術(shù)綜述[J]，國外電子測量技術(shù)，2006．25．施壽生．虛擬儀器技術(shù)與科技創(chuàng)新[J]，品勝科技，2007．6 6．周鮮成．單片機在電熱水器中的應(yīng)用[J]，常德師范學(xué)院學(xué)報，2000．47．蔣新文，楊三序．基于虛擬儀器技術(shù)的測控系統(tǒng)[J]，微計算機信息，2007．128．張林，李秀娟．基于虛擬儀器技術(shù)的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計[J]，工業(yè)控制計算機，2007．39．張爽，岳曉峰．基于虛擬儀器技術(shù)的信號處理[J]，機械工程與自動化，2006．210．邢麗娟，楊世忠．虛擬儀器的原理及發(fā)展[J]，山西電子技術(shù)，2006．1 11．岳靜．虛擬儀器及其發(fā)展前景[J]，西安航空高等專科學(xué)校學(xué)報，2007．312．蒯銳．虛擬儀器技術(shù)[J]，計算機應(yīng)用與軟件，2007．413．宋北光．虛擬儀器技術(shù)的分析與研究[J]，中原工學(xué)院學(xué)報，2006．214．陳思，黃亞宇．虛擬儀器技術(shù)概述[J]，機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2007．315．荊學(xué)東，王成濤．虛擬儀器技術(shù)及其應(yīng)用[J]，陜西科技大學(xué)學(xué)報．2007．216．余成波, 馮麗輝, 潘盛．虛擬儀器技術(shù)與設(shè)計[M]，重慶：重慶大學(xué)出版社．2006．317．周求湛．虛擬儀器與LabVIEW 7[M]，北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004．5附錄A系統(tǒng)硬件電路圖 附錄B 基于虛擬儀器的電熱水器溫度控制系統(tǒng)程序框圖附錄C 電熱水器溫度雙位控制系統(tǒng)程序框圖致謝經(jīng)過一個學(xué)期的學(xué)習(xí)和工作，本次設(shè)計已經(jīng)接近尾聲，在設(shè)計中我得到很多人的支持和幫助，在此表示真誠的感謝。首先感謝學(xué)校、學(xué)院給我這樣一次寶貴的機會，使我能在大學(xué)四年級下半學(xué)期，做這個有意義的畢業(yè)設(shè)計。其次要感謝我的指導(dǎo)老師李文濤老師。在我做畢業(yè)設(shè)計的每個階段，從查閱資料，設(shè)計方案的確定和修改，中期報告，后期詳細(xì)設(shè)計，實驗調(diào)試等整個過程中都給予我悉心的指導(dǎo)，當(dāng)我在設(shè)計中遇到問題的時候，李老師總是從百忙中抽出寶貴的時間幫助我解決，并嚴(yán)格要求我，為我這次畢業(yè)設(shè)計的順利完成奠定了堅實的基礎(chǔ)。更重要的是，在這個過程中，我從李老師身上學(xué)到了嚴(yán)謹(jǐn)，負(fù)責(zé)任等等很多做人的道理，這些都讓我受益終身。在此，我對李老師衷心的說一聲謝謝。在本次設(shè)計中，其他老師和同學(xué)也給我提出了寶貴的意見并給予我很大的幫助，在此對他們說聲非常感謝！