虛擬儀器課程設(shè)計實驗報告

1、微機化儀器綜合設(shè)計與實踐實驗指導(dǎo)書李揚 周琦廣東工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院2015 6月印刷目錄實驗六 基于PID算法的可控硅水溫自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計一、實驗?zāi)康暮鸵?.掌握虛擬儀器高級語言Lab VIEW 或Lab Windows/CVI 的流程圖和軟儀器面板的編程設(shè)計方法，熟悉數(shù)據(jù)處理模塊、信號分析模塊、儀器控制模塊等各種軟件模塊的應(yīng)用。2掌握數(shù)據(jù)采集硬件的低層驅(qū)動程序（C 語言/匯編語言）設(shè)計、調(diào)試及嵌入Lab VIEW 的技術(shù)。3.學(xué)習(xí)基于PID的比例積分微分程序編寫方法。4.了解可控硅的的溫度控制特點和原理。5.熟悉CB-68LP接線端子板各接口，利用CB-68LP端子板和PCI-6023E

2、數(shù)據(jù)采集卡進行模擬量和數(shù)字量的轉(zhuǎn)換及相關(guān)數(shù)據(jù)采集。二、實驗主要儀器設(shè)備和材料（1）裝有l(wèi)ab windows/CVI 軟件PC 一臺（2）PC-DAQ/PCI 卡（3）CB-68LP端子板（4）變送器（型號 SBWZ-2460）（5）可控硅（6）熱電偶三、實驗內(nèi)容和要求1、實驗內(nèi)容1）、對水溫進行數(shù)據(jù)采樣：先把水溫加熱至某個溫度值（100左右，利用萬能表測試相應(yīng)引腳的輸出電壓，溫度每下降1 攝氏度，就馬上記錄輸出電壓值。2）、對采樣數(shù)據(jù)進行處理：通過觀察可知，電壓與溫度不成線性關(guān)系，是一條曲線，因此，本設(shè)計采用分段直線擬合。得出電壓與溫度的對應(yīng)關(guān)系。3）、用戶界面設(shè)計：用Lab windows

3、/CVI 軟件進行用戶界面開發(fā)，并進行編程。具體程序見后面。4）、進行調(diào)試：把PC 和其他設(shè)備連接好，測試程序，設(shè)置PID 參數(shù)，觀察控制效果，確立PID 參數(shù)。5）、重新對數(shù)據(jù)采樣：開始采樣時，因為溫度和電壓值都不斷發(fā)生變化，而溫度計顯示變化相對于電壓變化有一定的滯后，造成微機上溫度顯示數(shù)值比溫度計發(fā)生一定量的偏移，造成較大誤差。因此，此次采樣利用剛開發(fā)的程序控制爐溫恒定，觀察電壓變化范圍，記錄多個電壓值，求其平均值。但只需要對部分溫度采樣就可以了，因為這里采用線段擬合成曲線，只需要線段的端點數(shù)據(jù)就可。6）、重新調(diào)試程序，并完善用戶界面。2、程序如下：#include <ansi_c.

4、h>#include <easyio.h>#include <analysis.h>#include <cvirte.h>#include <userint.h>#include "PID.h"Static int panelHandle;Static double Wave 1024;Static double Temp 1024;Static double A;Static double F;Static double Ph, VOL, GG;Static double AM;Static double PGAIN;

5、Static double IGAIN;Static double DGAIN;Static double LASTERR;Static double TEMP;Static double integral, TEMPUP, PIDPWM;Static double TE=0;Static unsigned long AOtaskID;Static double ERR, FERROR, PT;PID_PWM() / PID 算法定義Double ERR;Double PT, DT, RESULT, FERROR;ERR=TEMP-AM;If (abs (ERR)>0.01)FERROR

6、=ERR;PT=PGAIN * FERROR;If (PT>100|PT<-100)Integral=0.0;ElseIntegral+=IGAIN*FERROR;If (integral>100.00)Integral=100.0;Else if (integral<0.0)Integral=0.0 ;DT= (ERR-LASTERR)*DGAIN;RESULT=PT+integral+DT;Else RESULT=integral=PGAIN+IGAIN;LASTERR=ERR;Return (RESULT);int main (int argc, char *ar

7、gv) if (InitCVIRTE (0, argv, 0) = 0)return -1; /* out of memory */if (panelHandle = LoadPanel (0, "PID.uir", PANEL) < 0)return -1;DisplayPanel (panelHandle);GetCtrlVal(panelHandle,PANEL_HORIZONTAL,&F); /獲得頻率/RunUserInterface ();DiscardPanel (panelHandle);return 0;int CVICALLBACK Set

8、Horizontal (int panel, int control, int event,void *callbackData, int eventData1, int eventData2)/頻率響應(yīng)后在PC 機上輸出方波圖形 switch (event)case EVENT_COMMIT:DeleteGraphPlot (panelHandle, PANEL_GRAPH, -1,VAL_IMMEDIATE_DRAW);GetCtrlVal(panelHandle,PANEL_HORIZONTAL,&F);break;return 0;int CVICALLBACK ShutDow

9、n (int panel, int control, int event,void *callbackData, int eventData1, int eventData2) /退出程序/switch (event)case EVENT_COMMIT:QuitUserInterface (0);break;return 0;int CVICALLBACK UpDataCallback (int panel, int control, int event,void *callbackData, int eventData1, int eventData2) switch (event)case

10、 EVENT_TIMER_TICK:GetCtrlVal(panelHandle,PANEL_AIM,&AM)； /設(shè)定目標溫度GetCtrlVal(panelHandle,PANEL_KP,&PGAIN); /設(shè)定比例系數(shù)GetCtrlVal(panelHandle,PANEL_KI,&IGAIN); /設(shè)定積分系數(shù)GetCtrlVal(panelHandle,PANEL_KD,&DGAIN); /設(shè)定微分系數(shù)AISampleChannel (1, "1", 0.0, 0.0, &VOL); /采集數(shù)據(jù)SetCtrlVal (pan

11、elHandle, PANEL_VOT, VOL); /在PC 機上輸出電壓/以下是電壓溫度轉(zhuǎn)換if(VOL<-1.12)TEMP=-40.91*VOL+28.18 ;else if(VOL<-0.84)TEMP=-25.00*VOL+46.00 ;else if(VOL<0.05 )TEMP=-12.36*VOL+56.62 ;else if(VOL<0.73)TEMP=-7.35*VOL+56.37;else if (VOL<1.91)TEMP=-5.08*VOL+54.71 ;else if( VOL<2.72)TEMP=-3.7*VOL+52.07

12、;else if (VOL<4.25 )TEMP=-3.27*VOL+50.89 ;else if (VOL<6.96 )TEMP=-2.95*VOL+49.55;else if (VOL<7.04)TEMP=-37.50*VOL+290;else if (VOL<7.10)TEMP=-100.00*VOL+730.00SetCtrlVal (panelHandle, PANEL_CURTEMP, TEMP); /溫度輸出TEMPUP=PID_PWM(); /PID 函數(shù)調(diào)用SetCtrlVal (panelHandle,PANEL_WEIZHI,TEMPUP);/PI

13、D 返回數(shù)值輸出，對用戶隱藏SquareWave (1024, 5, F/1024, &Ph, 100+TEMPUP/*PID 算法控制PWM 參數(shù)*/, Wave); /產(chǎn)生方波DeleteGraphPlot (panelHandle, PANEL_GRAPH, -1,VAL_IMMEDIATE_DRAW);PlotY (panelHandle, PANEL_GRAPH, Wave, 1024, VAL_DOUBLE,VAL_THIN_LINE, VAL_EMPTY_SQUARE, VAL_SOLID, 1, VAL_RED);AOGenerateWaveforms (1, &quo

14、t;1", 1000.0, 1, 0, Wave, &AOtaskID);/方波進行輸出，控制爐溫實驗箱加熱與否break;return 0;1、 開發(fā)出來的用戶界面如下，這里PID參數(shù)如下：四實驗器材介紹及線路接口1.CB-68PL端子板 實物圖 接線圖接線說明：上圖是CB-68LP端子板引腳圖，下面是對其接線作簡要說明。 AI為模擬信號輸入端口，當選擇單端測量方式時，接線方式就是把信號源的正端接入AI n（n=0，1，15）、信號源的負端接入AI GND； 當選擇差分測量方式時，接線方式是把信號源的正端接入AI n(n=0，1，7)、信號源的負端接入AI n+8。 例如，

15、單端時，通道0的正負接入端就分別是AI 0和AI GND;通道1的正負接入端就分別是AI1和AI GND; 差分時，通道0的正負接入端就分別是AI 0和AI 8;通道1的正負接入端就分別是AI 1和AI 9。 PI0.0P0.7為8個數(shù)字信號輸入通道，可以通過軟件設(shè)置每個數(shù)字通道為輸入或者輸出，對應(yīng)開關(guān)量和輸入輸出。 PCI-6023E有2個計數(shù)器：CTR0和CTR1,如果計數(shù)器信號只有1個，希望實現(xiàn)簡單的計數(shù)功能，那么只需要把計數(shù)器信號接到CTR 0 SRC或者CTR 1 SRC即可。 （本實驗只用到4個接口，分別是：模擬接地67，模擬輸入33，數(shù)字接地，數(shù)字輸出）2.變送器（SBWZ-24

16、60）變送器（transmitter）是把傳感器的輸出信號轉(zhuǎn)變?yōu)榭杀豢刂破髯R別的信號（或?qū)鞲衅鬏斎氲姆请娏哭D(zhuǎn)換成電信號同時放大以便供遠方測量和控制的信號源）的轉(zhuǎn)換器。傳感器和變送器一同構(gòu)成自動控制的監(jiān)測信號源。不同的物理量需要不同的傳感器和相應(yīng)的變送器。變送器的種類很多，用在工控儀表上面的變送器主要有溫度變送器、壓力變送器、流量變送器、電流變送器、電壓變送器等等。下圖為我們此次課設(shè)所用的變送器規(guī)格及功能特點： 輸出：420mA （可以做0-5V 0-10V ）精度 ：0.5%電源：24VDC 溫度范圍：0500100 0150 0200 0300 0400適用范圍：可以接收熱電阻或各類熱電偶

17、輸入，可直接安裝于溫度傳感器接線盒內(nèi)，并標出標準電壓電流信號功能特點：變送器信號電源同為兩根普通導(dǎo)線，節(jié)省了熱電偶專用補償導(dǎo)線，降低了線路干擾帶來的誤差。體積小巧、安裝方便、精度好，抗干擾，穩(wěn)定性好；免維護外部可直接調(diào)整零點和滿度。電流信號輸出，傳輸距、遠，縮短了儀表與傳感器的距離，降低線路干擾帶來的誤差。主要技術(shù)指標：極限28 mA輸入范圍：熱電阻：Pt100 0-150度熔斷檢測：上限（標準）溫度漂移：±0.2%/冷端補償：050±1調(diào)整方式：電位器負載能力：0500輸出：420mA   （可以做0-5V  0-10V  價格另議

18、）精度 ：0.5%電源：24VDC 溫度范圍：0500100 0150  0200 0300 04003可控硅 可控硅，是可控硅整流元件的簡稱，是一種具有三個PN結(jié)的四層結(jié)構(gòu)的大功率半導(dǎo)體器件，亦稱為晶閘管。具有體積小、結(jié)構(gòu)相對簡單、功能強等特點，是比較常用的半導(dǎo)體器件之一。該器件被廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備和電子產(chǎn)品中，多用來作可控整流、逆變、變頻、調(diào)壓、無觸點開關(guān)等。家用電器中的調(diào)光燈、調(diào)速風扇、空調(diào)機、電視機、電冰箱、洗衣機、照相機、組合音響、聲光電路、定時控制器、玩具裝置、無線電遙控、攝像機及工業(yè)控制等都大量使用了可控硅器件。本次實驗所用到的可控硅規(guī)

19、格型號如下： 輸入電壓：交流220V電壓調(diào)節(jié)：交流50V220V最大功率：2000W最大電流：25A（說明：我們在使用該可控硅時，并沒有采用調(diào)壓旋鈕，而是把旋鈕卸下?lián)Q上接線柱并接入我們設(shè)計好的電路中，利用PWN的高低電平觸發(fā)使電路在某個設(shè)置的溫度進行通斷電，從而實現(xiàn)水溫控制。）適用于：使用新型雙向大功率可控硅，因為電流可達25A，很好的解決了電爐絲在冷卻的情況下電阻太小從而引起的過流問題；能很方便的調(diào)整市電的輸出電壓，在50-220伏之間任意調(diào)整，供用電器使用。如:電爐，熱水器的調(diào)熱、燈具的調(diào)光、小電機調(diào)速、電烙鐵調(diào)溫等。從而達到調(diào)光，調(diào)溫，調(diào)壓的效果?？晒┯秒姽β市∮?000瓦的大型電器使用

20、由于功率已經(jīng)很大，所以一般的家庭電器或是小型工廠足夠用。（適用于：使用新型雙向大功率可控硅，因為電流可達25A，很好的解決了電爐絲在冷卻的情況下電阻太小從而引起的過流問題；能很方便的調(diào)整市電的輸出電壓，在50-220伏之間任意調(diào)整，供用電器使用。如:電爐，熱水器的調(diào)熱、燈具的調(diào)光、小電機調(diào)速、電烙鐵調(diào)溫等。從而達到調(diào)光，調(diào)溫，調(diào)壓的效果?？晒┯秒姽β市∮?000瓦的大型電器使用由于功率已經(jīng)很大，所以一般的家庭電器或是小型工廠足夠用。五、實驗方法、步驟及結(jié)果測試1、溫度控制基本理論溫度控制不像開關(guān)變量，要么全開，要么全關(guān)，是一個連續(xù)變化量。當被控溫度低于目標值很大時，就需要全速加熱，當溫度接近目

21、標值時，就必須減慢加熱速度，否則就很容易造成溫度嚴重超調(diào)，達不到溫度控制效果。爐溫實驗箱一般只有輸入控制是低電平時才會有進行加熱，其余則是停止加熱。因此，我們可以通過控制高電平和低電平的比例來控制加熱速度（只要電壓頻率足夠快，宏觀上就是速度控制了），也就是所謂的PWM控制?？刂扑惴ㄓ泻芏?，而PID算法目前為止比較純熟的一種，這里采用就采用PID算法，其運算結(jié)果轉(zhuǎn)換成PWM輸出，以達到控制效果。2、PID控制的原理和特點在工程實際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。P當被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時，控制理論的其它技

22、術(shù)難以采用時，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。即當我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時，最適合用PID控制技術(shù)。PID控制，實際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制的。（1）比例（P）控制比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系。當僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（Steady-stateerror）。（2）積分（I）控制在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關(guān)系。對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進入穩(wěn)態(tài)后存在

23、穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)（SystemwithSteady-stateError）。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項”。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。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小，直到等于零。因此，比例+積分（PI）控制器，可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。（3）微分（D）控制在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。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)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后（delay）組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說，在控制器中僅引入“比