pid的温度检测教学平台设计(附件)【字数：11450】
本课题采用PID控制算法，基于Labview设计了一套实验室小型加热炉温度控制系统。采用K型热电偶进行温度的监测，并通过热电偶模拟量输入模块DAM-3039对温度数据进行采集传入上位机，利用Labview进行PID计算，通过八路温控采集模块DAM0816继电器控制卡控制电阻丝的加热状态，实现多路温控同时显示、控制并输出等功能。实验证明，本文设计的温度控制系统可以达到较好的控制效果。
目录
一、温度控制综述 1
二、温度控制理论 3
（一）PID控制基本原理 3
（二）PID控制器各参数对控制性能的影响 4
（三）数字PID控制算法 4
1、位置型PID算法 5
2、增量型PID控制算法 5
（四）位置式PID和增量式PID算法比较 5
三、系统总体方案设计 7
（一）系统框图 7
1、硬件电路设计方案 7
2、软件设计方案 7
三、硬件电路设计 8
（一）热电偶介绍 8
1、热电偶工作原理 8
2、热电偶的分类 8
3、热电偶的温度补偿 9
（二）阿尔泰DAM温度采集模块 9
1、DAM3039介绍 10
2、DAM3210介绍 11
3、DAM3210与DAM3039的连接 11
（三）聚英DAM0816数采控制器 12
1、DAM0816介绍 12
2、Modbus协议 15
四、系统软件 17
（一）软件开发平台 17
（二）软件流程 17
（三）labview程序设计 18
1、操作界面设计 18
2、动态链接库的调用 18
3、数据采集 19
4、PID控制计算 21
5、输出控制 22
五、实验数据 25
（一）PID控制参数整定 25
（二）实验室小型加热炉温度控制系统实验结果 26
结论 27
致谢 28
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
参考文献 29
附录1 30
附录2 31
一、温度控制综述
温度是人们生产生活和科学研究中最常见的工艺参数之一，尤其在是医药、化工、食品等生产环节中，都需要对温度进行精确地监控，以确保产品的质量。
随着我国科技的进步，工业制造工艺的发展，对温度控制的要求也不断提高。除了要求温控系统具备较高的控制精度外，还期望控制步骤的过度时长尽可能短，最大差值和超调量要小，振荡的次数要尽量小，恒温曲线要求尽量平直，静差要小。如何快速、精确地进行温度控制成为工业生产中的重要课题之一。
常用的温度控制方法有常规PID、模糊、神经网络等。常规PID即比例、积分、微分控制，因为其结构简单而被广泛地用于工业生产领域。常规PID控制对于线性控制对象，能够建立精确的数学模型，所以有较好地控制效果。而对于非线性、时变不确定性的控制对象，由于常规PID只在初始阶段设定，而不能进行在线调整，控制效果不理想。一般我们所说的用于热处理的加热炉，都是纯滞后的一阶大惯性环节，具有非线性、时滞以及不确定性等特点，常规PID难以奏效，需要采用更复杂的自适应、自整定PID控制，从而大大地增加了温控器的设计难度。故本文讨论的实验室加热炉属于小型闭环温控系统。
我院电信系传感器实验室温度控制实验台由智能调节仪、温度传感器和加热源三部分组成。该系统利用热电偶传感器检测到的加热源的温度信号后，经放大后作为温度的反馈信号，该反馈信号与智能调节仪的温度设定值相比较后进行数字PID运算，改变加热电阻丝的供电电源，使加热源内的温度逐渐趋近设定温度。PID运算程序固化在智能调节仪内部，在实验过程中，学生只能按照固定的实验流程搭接电路，仅通过观察智能调节仪上的电压表读数变化感受PID三个参数对转速的影响，实验结果非常抽象，学生无法根据温度变化判断PID参数的调节方向，导致实验效果并不理想。
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图1.1 实验室温度控制实验台构成
本课题采用常规PID控制算法，利用Labview软件设计一套实验室小型多路温度控制系统。采用K型热电偶来进行温度检测，并通过热电偶模拟量输入模块对温度数据进行采集传入上位机，利用Labview自带的PID控制工具包方便地搭建PID控制器实现PID运算，最后通过继电器控制卡模块控制电阻丝的加热状态，实现多路温控同时显示、控制并输出等功能。在前面板处，设计了5组通道同时采集炉温。将采集到的温度实时显示的波形图表上，能够设定温度的目标值以及PID参数，并标示出反馈的温度值及输出的PID值，还能通过波形图表直观地观察给定温度量和测量到的温度值之间的差异。 二、温度控制理论
（一）PID控制基本原理
温度控制系统最简单的一类设计就是开关式温控系统。在“开关式”的温度控制系统中，如果温度高于目标值，就将断开加热器电源；如果温度低于目标值，就接通加热器。因为温度有滞后性，所以在大多数场合中，用“开关量”来控制一个物理量是无法保持稳定的。当温度高于设定值时关掉加热器时，由于热惯性，水温会继续升高；当温度低于设定值打开加热器，由于滞后性，水温不会马上上升。所以此时需要一种聪明的“算法”：它能够使温控系统快速到达目标附近，使系统消除因为散热、阻力等因素造成的静态误差，能预见系统偏差变化的趋势，产生超前的控制作用，使系统趋于稳定状态，这就是PID算法。
PID是英语单词proportional（比例）、integral（积分）、derivative（微分）的英文首字母缩写，PID控制含有比例、微分和积分三个参数。PID调节是控制性能最强的最古老的基本调节方式。它也是迄今为止使用最广泛的控制算法，并且它在不断变化和完善。近年来，经常出现非线性PID控制，自适应PID控制算法和智能PID控制器。本文中，我们讨论的是最为基础的PID控制，也称为常规PID。
常规PID控制中，首先求出设定值与实际输出值两者之间的控制偏差值，然后将控制偏差值按比例、积分和微分作用通过线性组合求出控制量，从而实现对被控对象的控制。这是一种线性控制器，它只在控制一开始预设目标和PID三个参数，一旦设定好之后，不能做在线调整。常规的PID控制系统框图如图2.1所示：
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目录
一、温度控制综述 1
二、温度控制理论 3
（一）PID控制基本原理 3
（二）PID控制器各参数对控制性能的影响 4
（三）数字PID控制算法 4
1、位置型PID算法 5
2、增量型PID控制算法 5
（四）位置式PID和增量式PID算法比较 5
三、系统总体方案设计 7
（一）系统框图 7
1、硬件电路设计方案 7
2、软件设计方案 7
三、硬件电路设计 8
（一）热电偶介绍 8
1、热电偶工作原理 8
2、热电偶的分类 8
3、热电偶的温度补偿 9
（二）阿尔泰DAM温度采集模块 9
1、DAM3039介绍 10
2、DAM3210介绍 11
3、DAM3210与DAM3039的连接 11
（三）聚英DAM0816数采控制器 12
1、DAM0816介绍 12
2、Modbus协议 15
四、系统软件 17
（一）软件开发平台 17
（二）软件流程 17
（三）labview程序设计 18
1、操作界面设计 18
2、动态链接库的调用 18
3、数据采集 19
4、PID控制计算 21
5、输出控制 22
五、实验数据 25
（一）PID控制参数整定 25
（二）实验室小型加热炉温度控制系统实验结果 26
结论 27
致谢 28
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
参考文献 29
附录1 30
附录2 31
一、温度控制综述
温度是人们生产生活和科学研究中最常见的工艺参数之一，尤其在是医药、化工、食品等生产环节中，都需要对温度进行精确地监控，以确保产品的质量。
随着我国科技的进步，工业制造工艺的发展，对温度控制的要求也不断提高。除了要求温控系统具备较高的控制精度外，还期望控制步骤的过度时长尽可能短，最大差值和超调量要小，振荡的次数要尽量小，恒温曲线要求尽量平直，静差要小。如何快速、精确地进行温度控制成为工业生产中的重要课题之一。
常用的温度控制方法有常规PID、模糊、神经网络等。常规PID即比例、积分、微分控制，因为其结构简单而被广泛地用于工业生产领域。常规PID控制对于线性控制对象，能够建立精确的数学模型，所以有较好地控制效果。而对于非线性、时变不确定性的控制对象，由于常规PID只在初始阶段设定，而不能进行在线调整，控制效果不理想。一般我们所说的用于热处理的加热炉，都是纯滞后的一阶大惯性环节，具有非线性、时滞以及不确定性等特点，常规PID难以奏效，需要采用更复杂的自适应、自整定PID控制，从而大大地增加了温控器的设计难度。故本文讨论的实验室加热炉属于小型闭环温控系统。
我院电信系传感器实验室温度控制实验台由智能调节仪、温度传感器和加热源三部分组成。该系统利用热电偶传感器检测到的加热源的温度信号后，经放大后作为温度的反馈信号，该反馈信号与智能调节仪的温度设定值相比较后进行数字PID运算，改变加热电阻丝的供电电源，使加热源内的温度逐渐趋近设定温度。PID运算程序固化在智能调节仪内部，在实验过程中，学生只能按照固定的实验流程搭接电路，仅通过观察智能调节仪上的电压表读数变化感受PID三个参数对转速的影响，实验结果非常抽象，学生无法根据温度变化判断PID参数的调节方向，导致实验效果并不理想。
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图1.1 实验室温度控制实验台构成
本课题采用常规PID控制算法，利用Labview软件设计一套实验室小型多路温度控制系统。采用K型热电偶来进行温度检测，并通过热电偶模拟量输入模块对温度数据进行采集传入上位机，利用Labview自带的PID控制工具包方便地搭建PID控制器实现PID运算，最后通过继电器控制卡模块控制电阻丝的加热状态，实现多路温控同时显示、控制并输出等功能。在前面板处，设计了5组通道同时采集炉温。将采集到的温度实时显示的波形图表上，能够设定温度的目标值以及PID参数，并标示出反馈的温度值及输出的PID值，还能通过波形图表直观地观察给定温度量和测量到的温度值之间的差异。 二、温度控制理论
（一）PID控制基本原理
温度控制系统最简单的一类设计就是开关式温控系统。在“开关式”的温度控制系统中，如果温度高于目标值，就将断开加热器电源；如果温度低于目标值，就接通加热器。因为温度有滞后性，所以在大多数场合中，用“开关量”来控制一个物理量是无法保持稳定的。当温度高于设定值时关掉加热器时，由于热惯性，水温会继续升高；当温度低于设定值打开加热器，由于滞后性，水温不会马上上升。所以此时需要一种聪明的“算法”：它能够使温控系统快速到达目标附近，使系统消除因为散热、阻力等因素造成的静态误差，能预见系统偏差变化的趋势，产生超前的控制作用，使系统趋于稳定状态，这就是PID算法。
PID是英语单词proportional（比例）、integral（积分）、derivative（微分）的英文首字母缩写，PID控制含有比例、微分和积分三个参数。PID调节是控制性能最强的最古老的基本调节方式。它也是迄今为止使用最广泛的控制算法，并且它在不断变化和完善。近年来，经常出现非线性PID控制，自适应PID控制算法和智能PID控制器。本文中，我们讨论的是最为基础的PID控制，也称为常规PID。
常规PID控制中，首先求出设定值与实际输出值两者之间的控制偏差值，然后将控制偏差值按比例、积分和微分作用通过线性组合求出控制量，从而实现对被控对象的控制。这是一种线性控制器，它只在控制一开始预设目标和PID三个参数，一旦设定好之后，不能做在线调整。常规的PID控制系统框图如图2.1所示：
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