【正文】 個(gè)負(fù)的平均誤差比例值，平均的系統(tǒng)誤差值就會(huì)總是減少。 ⑶ 導(dǎo)數(shù) 來控制將來，計(jì)算誤差的一階導(dǎo)，并和一個(gè)負(fù)常數(shù) D 相乘，最后和預(yù)定值相加。導(dǎo)數(shù)的結(jié)果越大，那么控制系統(tǒng)就對輸出結(jié)果作出更快速的反應(yīng)。 D 參數(shù)對減少控制器短期的改變很有幫助。 用更專業(yè)的話來講，一個(gè) PID 控制器可以被稱作一個(gè)在 頻域 系統(tǒng)的 濾波器 。如果數(shù)值挑選不當(dāng)，控制系統(tǒng)的輸入值會(huì)反復(fù)振蕩，這導(dǎo)致系統(tǒng)可能永遠(yuǎn)無法達(dá)到預(yù)設(shè)值。這幾種控制規(guī)律可以單獨(dú)使用，但是更多場合是組合使用。 ① 比例（ P）控制 貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 15 頁 單獨(dú)的比例控制也稱 “ 有差控制 ” ，輸出的變化與輸入控制器的偏差成比例關(guān)系，偏差越大輸 出越大。 對于反應(yīng)靈敏、放大能力強(qiáng)的被控對象，為提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，應(yīng)當(dāng)使比例度稍大些；而對于反應(yīng)遲鈍，放大能力又較弱的被控對象，比例度可選小一些，以提高整個(gè)系統(tǒng)的靈敏度，也可以相應(yīng)減小余差。工業(yè)生產(chǎn)中比例控制規(guī)律使用較為普遍。只要有偏差產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用。克服余差的辦法是在比例控制的基礎(chǔ)上加上積分控制作用。這里的 “ 積分 ” 指的是“ 積累 ” 的意思。只要偏差存在，輸出就會(huì)不斷累積（輸出值越來越大或越來越小），一直到偏差為零，累積才會(huì)停止。積分控制規(guī)律又稱無差控制規(guī)律。積分時(shí)間越小，控制作用越強(qiáng)；反之，控制作用越弱。因?yàn)榉e分輸出的累積是漸進(jìn)的，其產(chǎn)生的控制作用總是落后于偏差的變化，不能及時(shí)有效地克服干擾 貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 16 頁 的影響，難以使控制系統(tǒng)穩(wěn)定下來。這樣取二者之長，互相彌補(bǔ)，既有比例控制作用的迅速及時(shí)，又有積分控制作用消除余差的能力。比例積分控制器是目前應(yīng)用最為廣泛的一種控制器，多用于工業(yè)生產(chǎn)中液位、壓力、流量等控制系統(tǒng)。但是積分作用的引入，會(huì)使系統(tǒng)穩(wěn)定性變差。 ③ 比例微分（ PD）控制 比例積分控制對于時(shí)間滯后的被控對象使用不夠理想。為此，人們設(shè)想：能否根 據(jù)偏差的變化趨勢來做出相應(yīng)的控制動(dòng)作呢？猶如有經(jīng)驗(yàn)的操作人員，即可根據(jù)偏差的大小來改變閥門的開度（比例作用），又可根據(jù)偏差變化的速度大小來預(yù)計(jì)將要出現(xiàn)的情況，提前進(jìn)行過量控制， “ 防患于未然 ” 。微分控制器輸出的大小取決于輸入偏差變化的速度。如果偏差為一固定值，不管多大，只要不變化，則輸出的變化一定為零，控制器沒有任何控制作用。當(dāng)微分時(shí)間為 0 時(shí)，就沒有微分控制作用了。 微分控制作用的特點(diǎn)是：動(dòng)作迅速，具有超前調(diào)節(jié)功能，可有效改善被控對象有較大時(shí)間滯后的控制品質(zhì)；但是它不能消除余差，尤其是對于恒定偏差輸入時(shí)，根本就沒有控制作用。 貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 17 頁 比例和微分作用結(jié)合，比單純的比例作用更快。 ④ 比例積分微分（ PID）控制 最為理想的控制當(dāng)屬比例 積分 微分控制規(guī)律。 當(dāng)偏差階躍出現(xiàn)時(shí)，微分立即大幅度動(dòng)作，抑制偏差的這種躍變；比例也同時(shí)起消除偏差的作用，使偏差幅度減小，由于比例作用是持久和起主要作用的控制規(guī)律，因此可使系統(tǒng)比較穩(wěn)定；而積分作用慢慢把余差克服掉。 數(shù)據(jù)采集卡的選擇 數(shù)據(jù)采集板卡的性能與眾多因素相關(guān)，要根據(jù)具體情況來具體分析。 數(shù)據(jù)采集卡的主要性能指標(biāo) 1）采樣頻率 采樣頻率的高低，決定了在一定時(shí)間內(nèi)獲取原始信號(hào)信息的多少，為了能夠較好的再現(xiàn)原始信號(hào)，不產(chǎn)生波形失真，采樣率必須要足夠高才行。 2）采樣方法 采集卡通常都有好幾個(gè)數(shù)據(jù)通道，如果所有的數(shù)據(jù)通道都輪流使用同一個(gè)放大器和A/D轉(zhuǎn)換器，要比每個(gè)通道單獨(dú)使用各自的經(jīng)濟(jì)的多，但這僅適用于對時(shí)間不是很重要的場合。但是處 于成本的考慮，現(xiàn)在普遍流行的是各個(gè)數(shù)據(jù)通道公用一套 貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 18 頁 放大器和 A/D轉(zhuǎn)換器。例如，三位的 A/D 轉(zhuǎn)換把模擬電壓范圍分成 23=8 段，每段用二進(jìn)制代碼在 000到 111之間表示。如果增加到十二位，代碼數(shù)從 8增加到 212=4096，這樣就可以獲得就能獲得十分精確的模擬信號(hào)數(shù)字化表示。一般最好能夠使進(jìn)入采集卡的電壓范圍剛好與其符合，以便 利用其可靠的分辨率范圍。 數(shù)據(jù)采集卡 (DAQ 卡 )的組成 1）多路開關(guān)。 2）放大器。通常中的放大器都是增益可調(diào)的，使用者可根據(jù)需要來選擇不同的增益倍數(shù)。把采集到的信號(hào)瞬間值，保持在 A/D 轉(zhuǎn)換的過程中不變化。將模擬的輸入信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字量輸出，完成信號(hào)幅值的量化。以上四個(gè)部分是數(shù)據(jù)采集卡的重要組成部分，與其他的電路如定時(shí) /計(jì)數(shù)器、總線接口等電路儀器組成 DAQ。其先進(jìn)的電路設(shè)計(jì)使得它具有更高的質(zhì)量和更多的功能。 PCI1710HG 是研華公司的M系列多功能采集卡。 PC 機(jī) 虛擬儀器就是用通用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力代替以往需要硬件電 路才能完成的功能，所以液位控制系統(tǒng)軟件運(yùn)行的計(jì)算機(jī)平臺(tái)的選擇至關(guān)重要。因此可以選用實(shí)驗(yàn)室通常用的計(jì)算機(jī)。本實(shí)驗(yàn)要求根據(jù)圖 ,正確開關(guān)手動(dòng)截止閥將 1~2中任意一組水 箱的其中一個(gè)液位作為被控參數(shù)。 圖 2. 8水箱液位實(shí)驗(yàn)對象 系統(tǒng)總體接線圖如圖 ： C：控制器（調(diào)節(jié)器）。其中 :1， 2 孔為測量值輸入， 11， 12 外部供壓信號(hào)， 27， 28 孔為調(diào)節(jié)器輸出。 R：伺服放大器，輸入信號(hào) 4~20mA，每個(gè)通道有兩個(gè)插座孔，其中 1孔（＋）接調(diào)節(jié)器來的信號(hào)， 2孔（－）電動(dòng)操作端子的信號(hào)，注意不能接錯(cuò)。液位變送器為 LSRY 或 LSRT，水箱量程為 0~380mmH2O，變送輸出 貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 21 頁 為 4~20mA，通過接入 R=250 歐的電阻，使其輸入到數(shù)據(jù)采集卡的信號(hào)為 1V— 5V。 圖 2. 9系統(tǒng)總體接線圖 該裝置中的被控變量為 1水箱的液位，并將其調(diào)節(jié)閥的開度作為操作變量。被調(diào)參數(shù)是 1水箱的液位 H，調(diào)節(jié)參數(shù)是流入4水箱的水流量 Q，水箱液位由液位變送器檢測得到液位反饋信號(hào) Hf(1V5V 電信號(hào) )，將其通過數(shù)據(jù)采集卡輸入 PC 機(jī)，它和液位設(shè)定信號(hào)的轉(zhuǎn)換電壓值 Hs進(jìn)行比較，得到偏差信號(hào) Hi，調(diào)節(jié)器對輸入偏差 Hi 進(jìn)行 PID 運(yùn)算，輸出變化量 u控制信號(hào)，控制電子調(diào)節(jié)閥門 的閥位，改變調(diào)節(jié)參數(shù) Q，使被調(diào)參數(shù) H 保持在設(shè)定值。（本設(shè)計(jì)中 PID控制環(huán)節(jié)，由 Labview 提供的 PID 控制模塊直接控制） 貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 22 頁 圖 2. 10液位控制系統(tǒng)原理方框圖 本設(shè)計(jì) 的 信號(hào)流圖 整個(gè)系統(tǒng)從被測對象開始，通過傳感器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)調(diào)理模塊進(jìn)行簡單的信號(hào)出來，將信號(hào)送 PCLD1710 接線板，然后通過 PCI 總線送入 PCI1710 多功能數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，然后用軟件進(jìn)行處理。具體框圖見圖 基于虛擬儀器的液位控制系統(tǒng) 信號(hào)流圖 。設(shè)計(jì)一個(gè)虛擬儀器系統(tǒng)，在硬件平臺(tái)確定之后，就可以通過設(shè)計(jì)不同的軟件，實(shí)現(xiàn)不同的儀器功能。由于選用 專用的開發(fā)軟件，必須具有一定的儀器以及數(shù)據(jù)采集設(shè)備配合使用。 軟件系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)原則 為使研制出的軟件具有良好的可靠性、易維護(hù)性、易擴(kuò)充性及易裝卸性，軟件設(shè)計(jì)應(yīng)遵循規(guī)范化的模塊化設(shè)計(jì)原則 [13]。對抽象算法做進(jìn)一步求精，進(jìn)入下一層抽象。 2）根據(jù)邏輯功能劃分物理模塊 ① 模塊的分解：消除重復(fù)的功能部分，使得模塊的塊內(nèi)聯(lián)系較高，塊間聯(lián)系較低。 3）模塊的作用范圍應(yīng)處在模塊的控制范圍之內(nèi) 模塊的作用范圍是指模塊內(nèi)判定影響的范圍。 4）依據(jù)邏輯功能確定模塊之間的調(diào)用關(guān)系 模塊之間的調(diào)用與被調(diào)用，決定于模塊各自的邏輯功 能，因而對模塊的扇入扇出并無加以限制的必要。 5）模塊接口應(yīng)保持簡明 降低模塊接口的復(fù)雜性，是模塊設(shè)計(jì)中必須考慮的問題。 6）模塊應(yīng)保持單入口性質(zhì) 單入口模塊，易于理解。模塊的出口可以有多個(gè)，但均應(yīng)具有明確的邏輯含義。這樣在擴(kuò)展時(shí)，除增加 C 外，尚須修改 A，這種修改可能是困難的。 ABAB CAF l a g = ?BAF l a g = ?B C( a ) ( b ) ( c ) ( d ) 圖 3. 1模塊結(jié)構(gòu)增加判斷層次 貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 26 頁 本設(shè)計(jì)的軟件系統(tǒng)模塊劃分 系統(tǒng)程序的主要功能為模塊劃分的標(biāo)準(zhǔn)，其 中 包括數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示，數(shù)據(jù)保存，歷史數(shù)據(jù)的讀取等功能。 圖 3. 2基于虛擬儀器的液位控制系統(tǒng)功能模塊圖 貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 27 頁 系統(tǒng)總體程序流程圖 圖 3. 3 系統(tǒng)總體程序流程圖 貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 28 頁 設(shè)計(jì)過程中的量程變換 ⑴從差壓變送器傳送到數(shù)據(jù)采集卡中的是 1V5V 的電信號(hào)，其對應(yīng)水箱液位值為0mm380mm，要將采集來的信號(hào) Hf 轉(zhuǎn)化為也為的實(shí)際值 H，其轉(zhuǎn)換公式： H=（ Hf1）（ 380247。（ 380247。 95） ⑶偏差信號(hào)經(jīng) PID運(yùn)算控制后的輸出信號(hào) U范圍為 1V5V,由于執(zhí)行器閥門開度 Y%范圍為 0%100%，其對應(yīng)的輸入信號(hào)為 4mA20mA，而數(shù)據(jù)采集卡的輸出為 1V5V, 1V5V與 4mA20mA之間的變換可以用設(shè)備上的調(diào)節(jié)器來進(jìn)行轉(zhuǎn)化，這里當(dāng)電壓為 1V時(shí)對應(yīng)的電流為 4mA,其間為線性變換。具體程序見圖 。圖 PID 算法的程序。 本設(shè)計(jì)添加了控制過程的手動(dòng) /自動(dòng)切換功能 ，通過調(diào)節(jié)前面板的 手動(dòng) /自動(dòng) 按鈕就可進(jìn)行手動(dòng)與自動(dòng)之間的切換，是控制過程更加方便，使界面更友好。具體程序見圖 。具體程序見圖 。圖 4. 1系統(tǒng)監(jiān)控界面 實(shí)驗(yàn) 步驟 及其 調(diào)試 結(jié)果 根據(jù) 本設(shè)計(jì)要求 ，在實(shí)驗(yàn)設(shè)備上連線，按要 求組成單回路水箱液位控制系統(tǒng)。 貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 32 頁 合上兩個(gè)空氣開關(guān)，為設(shè)備通電，按下啟動(dòng)按鈕，水箱開始注水，設(shè)定水箱水位的滿值 為 380mm 和零值 為 0mm，根據(jù)此值對差動(dòng)變壓器進(jìn)行零點(diǎn)調(diào)整和滿刻度調(diào)整，為以后差動(dòng)變壓器的使用做準(zhǔn)備。 最后將滿足要求的曲線保存。 Labview 提供了非常豐富的圖形界面來進(jìn)行前面板的設(shè)計(jì)，波形圖表能非常清晰的實(shí)時(shí)顯示采集的液位波形。非常清楚的表達(dá)了采集波形的動(dòng)態(tài)曲線。 圖 4. 3帶死區(qū) PID運(yùn)行曲線 貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 33 頁 歷史數(shù)據(jù)讀取 對采集數(shù)據(jù)的保存是本設(shè)計(jì)的一個(gè)突出特點(diǎn)，數(shù)據(jù)保存有著實(shí)際的意義，這樣便于以后訪問歷史數(shù)據(jù)，還可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程訪問。 圖 4. 4歷史數(shù)據(jù)表格顯示界面 圖 4. 5 歷史數(shù)據(jù)表格顯示界面 貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 34 頁 第五章 總 結(jié) 在這兩個(gè)多月的畢業(yè)設(shè)計(jì)中，我用在課堂上所學(xué)到的知識(shí)親自去設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試一個(gè)完整的自動(dòng)控制系統(tǒng)，雖然只是部分地實(shí)現(xiàn)了所給定的功能要求，但我覺得收獲還是很多的，可以從以下幾個(gè)方面來說： 1. 在整個(gè)設(shè)計(jì)中我學(xué)會(huì)了在復(fù)雜的問題面前怎樣去分析，找到問題的關(guān)鍵所在，而且認(rèn)識(shí)到這種能力的重要性。 ，所涉及的硬件部分都有現(xiàn)成的。在程序編寫的過程中，遇到了很多問題，特別是在開始階段，由于不熟悉 Labview 軟件和編程原則，我犯了很多錯(cuò)誤，在單通道的輸入輸出程序編寫中 ，由于對基本的條件結(jié)構(gòu)不熟悉，調(diào)試了很多遍，最后在同學(xué)的幫助下才順利完成了數(shù)據(jù)采集與輸出任務(wù)。 3．這次畢業(yè)設(shè)計(jì)也讓我體會(huì)到了現(xiàn)場環(huán)境特殊性。比如說，由于 實(shí)驗(yàn)條件的限制， 在控制過程中由于電壓源的擾動(dòng)特別大，輸出的數(shù)據(jù)波動(dòng)特別大，經(jīng)過分析我在電阻兩端并聯(lián)了一個(gè)電容，使外部擾動(dòng)大大減小，很好的完成了實(shí)驗(yàn)，實(shí) 現(xiàn)了設(shè)計(jì)要求 。這都說明了在實(shí)際現(xiàn)場條件所遇到的問題是多種多樣的，不同的環(huán)境有不同的特殊性，要具體問題具體分析。我學(xué)過《測控系統(tǒng)原理與設(shè)計(jì)》和《控制儀表與計(jì)算機(jī)控制裝置》，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原理都可以在所學(xué)的課程中找到，但實(shí)際操作中還有點(diǎn)模糊。還有就是對控制器的采樣周期與控制周期在算法中是怎樣 起作用的，我一直不是很了解。 總之，從選題到系統(tǒng)分析，到算法編程，到軟件組態(tài)，到運(yùn)行調(diào)試，每一個(gè)環(huán)節(jié)都有不同的問題，需要應(yīng)用不同的方法去解決，有的需要獨(dú)立思考，有的需要和同學(xué)討論，或請教老師。 通過本設(shè)計(jì)，深刻的認(rèn)識(shí)到了虛擬儀器技術(shù)是儀器發(fā)展的重要發(fā)展方向。伴隨計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展虛擬儀器必將拓展到各個(gè)領(lǐng) 域，引起測控儀器的深層次變