【正文】 沒(méi)有靜差或靜差已小到允許范圍內(nèi)，并且響應(yīng)曲線以屬滿意，那么只需用比例調(diào)理器即可，比例系數(shù)可由此確定。2. 如果在比例調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上系統(tǒng)的靜差不能滿足設(shè)計(jì)要求，則需加入積分環(huán)節(jié)。整定時(shí)首先置積分環(huán)節(jié)系數(shù) 為一較小值，并經(jīng)第一步整定得到的比例系數(shù)略為縮小（一般為iK原來(lái)的 倍） ，然后減小積分時(shí)間，使在保持系統(tǒng)良好動(dòng)態(tài)性能的情況下，靜差得到消除。在此過(guò)程中，可根據(jù)響應(yīng)曲線的好壞反復(fù)改變比例系數(shù)與積分時(shí)間，以期得到滿意的控制過(guò)程與整定參數(shù)。一般應(yīng)調(diào)整 ，使響應(yīng)曲線的衰減比為 4:1。iK3. 若使用比例積分調(diào)節(jié)器消除了靜差，但動(dòng)態(tài)過(guò)程反復(fù)調(diào)整仍不能滿意，則可加入微分環(huán)節(jié)。調(diào)整時(shí)可先置微分系數(shù) 為零，在第二步整定的基礎(chǔ)上，增大 ，同時(shí)響應(yīng)的改d dK變比例系數(shù)和積分時(shí)間，逐步湊試，以獲得滿意的調(diào)節(jié)效果和控制參數(shù)。 在整定中觀察到曲線振蕩很頻繁，需把比例系數(shù)減小以減小振蕩；曲線最大偏差大且趨于非周期，需把比例系數(shù)增大。當(dāng)曲線波動(dòng)較大時(shí)，應(yīng)增大積分時(shí)間即減小積分系數(shù)；曲線偏離給定值后，長(zhǎng)時(shí)間回不來(lái)，則需減小積分時(shí)間即增大積分系數(shù)。如果曲線振蕩得厲害，則需把微分作用減到最小，或者暫時(shí)不加微分作用，以免更加加劇振蕩；曲線最大偏差大而衰減慢，需把微分時(shí)間加長(zhǎng)，一直調(diào)到過(guò)度過(guò)程兩個(gè)周期基本達(dá)到穩(wěn)定，品質(zhì)指標(biāo)達(dá)到工藝要求為止。 3 PID 爐溫控制器的設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的總體描述電阻爐溫度控制系統(tǒng)包括單回路溫度控制系統(tǒng)和雙回路溫度控制系統(tǒng)。本章就單回路溫度控制系統(tǒng)作介紹。單回路電阻爐溫度控制系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)、采集板卡、控制箱和加熱爐體組成。由計(jì)算機(jī)和采集板卡實(shí)現(xiàn)溫度采集、控制算法計(jì)算、輸出控制、監(jiān)控畫(huà)面等主要功能?？刂葡溲b有溫度顯示與變送儀表、控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制量顯示、手控電路等。加熱爐體有民用烤箱改裝，較為美觀，適合實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用。單回路電阻爐溫度控制系統(tǒng)主要性能指標(biāo)如下：1. 計(jì)算機(jī)采集控制板卡 PCI1711： A/D 12 位 輸入電壓 0～5V D/A 12 位 輸出電壓 0～5V2. 控制及加熱箱： 控制電壓 0～220V 控制溫度 20～250℃ 測(cè)溫元件 PT100 熱電阻（輸出：直流 0～5V ，或 4～20mA） 執(zhí)行元件 固態(tài)繼電器（輸入：直流 0～5V ，輸出：交流 0～220V ） 單回路溫度控制系統(tǒng)是一個(gè)典型的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，其硬件結(jié)構(gòu)圖如圖 所示外部設(shè)備 計(jì)算機(jī) PCI總線接口A/D 轉(zhuǎn)換器電阻爐D/A 轉(zhuǎn)換器測(cè)量變送執(zhí)行機(jī)構(gòu)模擬量輸出通道模擬量輸入通道輸入輸出通道PCI—1711 數(shù)據(jù)采集板固態(tài)繼電器PT100 熱電阻過(guò)程裝置計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖 電阻爐溫度控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)包括傳感器、執(zhí)行器、A/D 和 D/A 的設(shè)計(jì)，而 PCI 總線接口屬于計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)總線，下面分別加以介紹。1. 傳感器設(shè)計(jì)溫度傳感器有熱電阻和熱電偶，熱電阻的最大特點(diǎn)是工作在中低溫區(qū)，性能穩(wěn)定，測(cè)量精度高。系統(tǒng)中電爐的溫度被控制在 0～250℃，為了留有余地，我們要將溫度的范圍選在 0～400℃，它為中低溫區(qū)，所以本系統(tǒng)選用的是熱電阻 PT100 作為溫度檢測(cè)元件，實(shí)物如圖 所示。熱電阻集成了溫度變送器，將熱電阻信號(hào)轉(zhuǎn)化為 0～5V 的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)或 4～20mA的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)輸出，供計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。熱電阻傳感器是利用電阻隨溫度變化的特性制成的溫度傳感器。熱電阻傳感器按其制造材料來(lái)分，可分為金屬熱電阻和半導(dǎo)體熱電阻兩大類(lèi)；按其結(jié)構(gòu)來(lái)分，有普通型熱電阻、鎧裝熱電阻和薄膜熱電阻；按其用途來(lái)分，有工業(yè)用熱電阻、精密的和標(biāo)準(zhǔn)的熱電阻。熱電阻傳感器主要用于對(duì)溫度和溫度有關(guān)的參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。下面分析一下熱電阻的測(cè)溫原理。金屬體熱電阻傳感器通常使用電橋測(cè)量電路，如圖 所示。 R2 R1R4 R3RCEUo圖 PT100 熱電阻 圖 電橋測(cè)量原理圖 測(cè)量電路原理分析如下：對(duì)于鉑電阻，在 0～850℃范圍內(nèi)有非線性關(guān)系 ，試中 為??201tRAtB??0R0℃時(shí)鉑電阻值， 為 t℃鉑電阻值，純度 時(shí)， ，R10/.??。寫(xiě)成增量形式為：??? （）??20ttRRAtB????或者 （）204/tAt??圖中 所在的橋臂為工作橋臂，其中 為 PT100，R 和 C 為低通濾波器。電橋輸出的電tRt壓為 （）3024ttUE?????????由于 ，代入式（）則可以得到0324,RR? （）???00ttR???或者 （） ??20tURE????對(duì)熱電阻信號(hào)進(jìn)行變送處理，變成適應(yīng)于計(jì)算機(jī)采樣的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào) 0～5V 或4～20mA。一種典型的采集變送電路如圖 所示。圖中 為美國(guó)模擬電子公司（AD）4U生產(chǎn)的集成儀用放大器 AD620，其原理和引腳圖如圖 所示。其增益 和外接電阻ADK的關(guān)系如下：GR （） 149./ADGKkR???失調(diào)電壓為 125 ，頻帶寬度為 120kHZ。V?設(shè)高精度儀用放大器構(gòu)成的放大電路放大倍數(shù)為 ，則放大器的輸出為1K （） 210UK?AD 轉(zhuǎn)換輸出量為 （）20REFNV 32647851U4R2R3R4 RtPT100VCC5VCCRgR5C3AINO圖 熱電阻采集變送原理圖 12348765AD620RgIN+INVsRg+VsOUTPUTREFAD620AREFERENCERgTOP VIEW圖 AD620 原理圖和引腳圖AD620 具有體積小、功耗低、精度高、噪聲低和輸入偏置電流低的特點(diǎn)。最大輸入偏置電流為 20mA，這一參數(shù)反映了它的高輸入阻抗。AD620 在外接電阻 時(shí)可實(shí)現(xiàn)GR1～1000 范圍內(nèi)的任意增益，其工作電源范圍為 ～ ，最大電源電流為 ，?18V最大輸入對(duì)于 12 位的 AD 采集器，有 為參考電壓。將式（）和式（）帶入式0496,REFNV?（）和式（） ，可以得到 （）??2022tK??? （）12ANtCB???????式中:， ， 02REFNKU???0124RA??1220KER??對(duì)于特定的鉑熱電阻，其純度為 時(shí)可準(zhǔn)確測(cè)量，對(duì)應(yīng)的 A、B 系數(shù)可10/.39以查有關(guān)的手冊(cè)獲得； 為 AD 轉(zhuǎn)換系數(shù)，與 和 有關(guān)，可以準(zhǔn)確標(biāo)定；R 為電橋2 0NEFV電阻可以選用精密電阻，保證其精度。E 為電橋供電電源， 為電壓放大器的倍數(shù)，這1K些參數(shù)是已知的。只要測(cè)量 N 的值就可以精確計(jì)算被測(cè)溫度值。2. 執(zhí)行器設(shè)計(jì)執(zhí)行器選用交流固態(tài)繼電器，它是一種無(wú)觸點(diǎn)通斷電子開(kāi)關(guān)，為四端有源器件。其中兩個(gè)端子為輸入控制端，另外兩個(gè)端子為輸出控制端，中間采用光電隔離，作為輸入輸出之間電氣隔離（浮空） 。在輸入端加上直流或脈沖信號(hào)，輸出端就能從關(guān)斷狀態(tài)轉(zhuǎn)變成導(dǎo)通狀態(tài)（無(wú)信號(hào)時(shí)呈阻斷狀態(tài)） ，從而控制較大負(fù)載。整個(gè)器件無(wú)可動(dòng)部件及觸電，可實(shí)現(xiàn)相當(dāng)常用的機(jī)械式電磁繼電器一樣的功能。固態(tài)繼電器實(shí)物如圖 所示 圖 固態(tài)繼電器固態(tài)繼電器（solid state relays） ，簡(jiǎn)寫(xiě)成“SSR”是一種全部由固態(tài)電子元件組成的新型無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)器件，它利用電子元件（如開(kāi)關(guān)三極管、雙向可控硅等半導(dǎo)體器件）的開(kāi)關(guān)特性，可達(dá)到無(wú)觸點(diǎn)無(wú)火花地接通和斷開(kāi)電路的目的，因此又被稱(chēng)為“無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)” ，它問(wèn)世于 20 世紀(jì) 70 年代，由于它的無(wú)觸點(diǎn)工作特性，使其在許多工作領(lǐng)域的電控及計(jì)算機(jī)控制方面得到日益廣泛的應(yīng)用。SSR 按其使用場(chǎng)合可以分為交流型和直流型兩大類(lèi)，它們分別在交流或直流電源上做負(fù)載的開(kāi)關(guān)。3. A/D、D/A 模塊設(shè)計(jì)A/D 和 D/A 選用 PCI1711 數(shù)據(jù)采集集成板卡，該板卡是一款功能強(qiáng)大的低成本多功能 PCI 總線數(shù)據(jù)采集卡，具有 16 路單端模擬量輸入；12 位 A/D 轉(zhuǎn)換器，采樣速率可達(dá)100kHZ；每個(gè)輸入通道的增益可編程；自動(dòng)通道/ 增益掃描；卡上 1KB 采樣 FIFO 緩沖器；2 路 12 位模擬量輸出；16 路數(shù)字量輸入及 16 路數(shù)字量輸出；可編程觸發(fā)器/定時(shí)器。4. PCI 系統(tǒng)總線PCI（peripheral ponent interconnect）總線是一種高性能局部總線，是為了滿足外部設(shè)備間及外部設(shè)備與主機(jī)間高速數(shù)據(jù)傳輸而提出來(lái)的。在數(shù)字圖形、圖像和語(yǔ)音處理，以及高速實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與處理等對(duì)數(shù)據(jù)傳速率要求較高的應(yīng)用中，采用 PCI 總線來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，可以解決原有的標(biāo)準(zhǔn)總線數(shù)據(jù)傳輸率低帶來(lái)的瓶頸問(wèn)題。從 1992 年創(chuàng)立規(guī)范到如今，PCI 總線已成為了計(jì)算機(jī)的一種標(biāo)準(zhǔn)總線?？偩€構(gòu)成的PCI—PCIBridgeCPUVGANBSBSuper IOSCSIBIOSLANUSBIDNDIMM.PCI Bus 32bit/33MHzAGPISA Bus到 CPU 的高寬帶數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)高寬帶的 DMA 通路圖 典型 PCI 總線構(gòu)成標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 所示，其特點(diǎn)如下。（1） 數(shù)據(jù)總線 32 位，可擴(kuò)充到 64 位。（2） 可進(jìn)行突發(fā)（burst）式傳輸。（3） 總線操作與處理器存儲(chǔ)器子系統(tǒng)操作并行。（4） 總線時(shí)鐘頻率 33MHz 或 66MHz，最高傳輸速率可達(dá) 528Mbit/s。（5） 中央集中式總線仲裁。（6） 全自動(dòng)配置資源分配：PCI 卡內(nèi)有設(shè)備信息寄存器組為系統(tǒng)提供卡的信息，可實(shí)現(xiàn)即插即用（PNP） 。（7） PCI 總線規(guī)范獨(dú)立于微處理器，通用性好。（8） PCI 設(shè)備可以完全作為主控設(shè)備控制總線。（9） PCI 總線引線：高密度接插件，分基本插座（32 位）及擴(kuò)充插座（64 位） 。 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)如前所述，單回路溫度控制系統(tǒng)是一個(gè)典型的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以化為圖 所示。??(??)??(??) ???0(??)??Rz??(??) ??(??)T——??Ys??(??)圖 電阻爐溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 中 為電阻爐傳遞函數(shù)模型， 為零階保持器， 為數(shù)字控制器傳??(??) ???0(??) ??(??)遞函數(shù)模型。電阻爐一個(gè)典型的純滯后一階慣性環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)模型為 （）??1sKWseT????模型參數(shù)為放大系數(shù) ，滯后時(shí)間 ，時(shí)間常數(shù) （變送器、固態(tài)繼電器及電阻爐?1T的比例系數(shù)乘積） 。這三個(gè)模型參數(shù)可以通過(guò)參數(shù)估計(jì)的方法得到。利用階躍響應(yīng)曲線辨識(shí)純滯后一階慣性環(huán)節(jié)參數(shù)的方法如下:將被控對(duì)象電阻爐進(jìn)行開(kāi)環(huán)控制，開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖 所示，在電阻爐對(duì)象輸入階躍信號(hào) ，得到??0rt對(duì)象的階躍響應(yīng)曲線如圖 所示，由階躍響應(yīng)曲線求解出 、 、和 三個(gè)參數(shù)的值，K?1T進(jìn)而得到被控對(duì)象電阻爐的傳遞函數(shù)模型 。??Ws電阻爐 熱電阻 變送器 A/D 板 計(jì)算機(jī)圖 開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)AC??(0)??(∞)?? T1B ??2P0??(∞)??(∞)??(∞)t t??10圖 對(duì)象開(kāi)環(huán)階躍響應(yīng)曲線（a） （b）參數(shù)求解方法如下：（1）過(guò)程的靜態(tài)放大系數(shù) （）??0yKr???式中 為穩(wěn)態(tài)誤差， 為初始溫度， 為給定階躍信號(hào)。??y?0（2）過(guò)程時(shí)間常數(shù) 和滯后時(shí)間 的求法1T?過(guò)圖 （a ）響應(yīng)曲線的拐點(diǎn) P 作切線，交與時(shí)間軸與 B 點(diǎn)，交其穩(wěn)態(tài)值的漸近線于 A 點(diǎn)，A 點(diǎn)在時(shí)間軸上的投影為 C 點(diǎn)，怎 0B 為過(guò)程容量滯后時(shí)間 ，BC 為過(guò)程??y ?的時(shí)間常數(shù) 。1T圖 （b）是當(dāng)階躍響應(yīng)曲線上的拐點(diǎn)不易確定時(shí)，直接取階躍響應(yīng)曲線穩(wěn)態(tài)值的 28%和 63%所對(duì)應(yīng)的時(shí)間 和 ，再按下式計(jì)算滯后時(shí)間 和時(shí)間常數(shù) ：??y?1t2 ?1T （）/3tT??? （）21tT???求解這兩個(gè)方程，可得到 和 的值。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可得一組數(shù)據(jù) ， ， ， ，40??136402T??0185r??180y????42y從而得到 ??