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1、南阳理工学院 本科毕业设 计（论文）水箱温度测控系统的设计与实现学院（系）：机电工程系专业：测控技术与仪器学生姓名：刘工厂学号： 29106029指导教师（职称）： 赵华（副教授）起止 日期： 2009年2月16日一2009年6月5日南阳理工学院Nanyang Institute of Technology水箱温度测控系统的设计与实现测控技术与仪器专业 刘工厂摘要论文采用对被控对象单容水箱建立了仿真模型，用对labview的拟控 制系统其设计了水箱对象模型及常规PID控制系统。在该系统设计中，论文就常 规PID控制器的设计作了详细叙述，并对其进行参数整定得到了最佳PID参数，在 100时仿真实
2、验获得阶跃响应曲线。然后对单容温度对象设计了PID控制系统。然 后提出了系统的整体结构，对系统控制原理进行了分析，详细叙述了如何设计对 水箱温度的控制。本文探讨对水箱温度控制系统的PID控制在虚拟仪器开发软件 LabVIEW中的实现方法，并将其应用于水箱温度的控制，并对其实现性做了分析, 仿真结果表明控制系统具有良好的动、静态控制效果，系统是可以实现的。关键词: LabVIEW 水箱对象模型 PID 温度控制系统Tank Temperature Control System Design and ImplementationMeasurement and Control Technology
3、and Instrument liugongchangAbstract : Along with the science and technology and the development of computer technology and virtual instrument is developed, based on the control system of labview control system provides a platform. This paper discuss the problem, temperature control system background
4、, research status and the subject of the content and meaning. Papers of the controlled object single let water tank with established simulation model, the control system of labview its design the tank object model and conventional PID control system. In this system, the thesis is design of conventio
5、nal PID controller design for a detailed description and to get the optimum parameters in 100 PID parameters obtained simulation experiment step response curve. Then let the temperature of the objects PID control system design. And then puts forward the overall structure of the system, the control p
6、rinciple of system are analyzed in detail, and how to design the control of water temperature. Based on the temperature control system of PID control in LabVIEW virtual instrument software development, and the realization methods applied to the water temperature control, and its implementation are a
7、nalyzed, the simulation results show that the control system has good dynamic and static control effect, the system can be realized.Keywords : LabVIEW ,Tank object model，PID ,cont rol system.目 录1.1 课题背景51.2水箱温度控制研究的现状51.3 本设计的技术要求61.4课题的意义及本论文的主要内容61.4.1课题的意义6142本论文的主要内容61.5课题的总体方案62 水箱温度控制系统硬件设计82系
8、统硬件设计错误!未定义书签。2.1温度检测电路错误!未定义书签。2.2传感器的选择类型92.1.2加热器的选择133 水箱温度软件系统设计143.1 虚拟仪器的概念143.2 LABVIEW的操作模板153.2.1 工具模板(Tools Palette)153.2.2 控制模板(Controls Palette) 163.2.3 功能模板(FunctionsPalette) 163.3水箱对象模拟173.4水箱的对象装置173.5水箱对象的数据采集184.1控制系统的工作原理194.2 PID控制器的设计194.2.1数字PID算法204.2.2增量式PID控制算式214.3水箱温度的PID控
9、制系统的LV实现224.4水箱温度控制系统的参数设定及结果分析235.结束语26参考文献27致谢28结束语25参考文献26致谢27第一章绪论1.1 课题背景温度是工业生产中常见的工艺参数之一，任何物理变化和化学反应过程都与 温度密切相关，因此温度控制是生产自动化的重要任务。对于不同生产情况和工 艺要求下的温度控制，所采用的升温加热方式，控制方案也有所不同。像电力、 化工、石油、冶金、航空航天、机械制造、粮食储存、酒类生产等领域内，温度 常常是表征对象和过程状态的最重要的参数之一。可以说几乎所有的工业生产部 门都不得不考虑着温度这个因素。国外温度控制系统及仪表正朝着高精度智能化、小型化等方面快速
10、发展。温 度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛，但从国内生产的温度控制 器来讲，总体发展水平仍然不高，同国外的日本、美国、德国等先进国家相比， 仍然有着较大的差距。目前，我国在这方面的总体技术水平处于 20世纪 80 年代 中后期水平。12 水箱温度控制研究的现状随着单片机技术的飞速发展，基于单片机的温度测控系统在检测和控制系统 中的应用也越来越广泛。本文设计了一种基于 PID 算法的温度测控系统，并在水 箱上加以应用，从而实现对水箱的温度进行实时精确测量、自动检测和控制，有 效的提高了控制系统的实时性和控制精度，大大改善了水箱温度控制的自动化程 度，具有较高的实用价值。目前的测温控
11、制系统大都使用传统温度测量仪器，其功能大多都是由硬件或 固化的软件来实现，而且只能通过厂家定义、设置，其功能和规格一般都是固定 的，用户无法随意改变其结构和功能， 因此已不能适应现代化监测系统的要求。 随着计算机技术的飞速发展，美国国家仪器公司率先提出了虚拟仪器的概念，彻 底打破了传统仪器由厂家定义、用户无法改变的模式，使测控仪器发生了巨大变 革。虚拟仪器技术充分利用计算机的强大运算处理功能，突破传统仪器在数据 处理、显示、传输、存储等方面的限制通过交互式图形界面实现系统控制和显 示测量数据，并使用框图模块指定各种功能。采用集成电路温度传感器和虚拟仪 器方便地构建一个测温系统，且外围电路简单，
12、易于实现，便于系统硬件维护、 功能扩展和软件升级口。1.3 本设计的技术要求（1）测控系统应能对水箱温度进行采集、计算、控制、存储、显示检测和打 印输出。（2）可对温度测试值进行实时显示监测，使用者可清晰知道所有瞬时参数及 累计参数，应可随时进行查询和报表打印。（3）当受到干扰时能进行PID调节。（4）人机交互界面友好、快捷，具有报警功能。（5）在硬件和软件上具有一定的抗干扰措施。1.4 课题的意义及本论文的主要内容1.4.1 课题的意义在钢铁、机械、石油化工、电力、工业炉窑等工业生产中，温度是极为普遍又 极为重要的热工参数之一。随着自动化水平的不断提高和对产品质量要求的不断 提高，对温度的测
13、控精度、响应速度、系统稳定性以及适应能力等方面要求越来 越高，测温范围越来越广，因此，温度测控技术的研究是一个重要的研究课题， 研究高性能的温度控制仪表具有重要意义。温度控制的关键在于测温和控温两方 面。在温度测量方面，热电阻和热电偶以其精度高、稳定性好、价格低等特点， 在工业领域得到了广泛应用虽然热电阻和热电偶测量中，传感器的非线性校正已 经有多种方法，但有些方法存在着变换电路复杂、软硬件开销大、稳定性差等问 题。因此，寻求一种简单、稳定的检测电路和非线性校准电路，对于工业生产和 科学研究非常重要。在温度控制方面，由于控制对象越来越复杂，还存在着许多问题，人们还在寻 找着更好的控制方法以提高
14、控制性能，满足不同的控制要求。随着科学技术的发 展PID控制技术在虚拟仪器中的应用更能解决这些问题。142本论文的主要内容本文在充分研究温度控制的特点与控制方法的基础上，设计了基于LabVIEW的PID 控制器，用于单容水箱温度对象的控制，采用仿真法显示试验结果，采用比较法 证实应用该法进行控制的优势。1.5 课题的总体方案本课题设计的水箱流量的系统主要有单容水箱，NI-6009数据采集卡，流量 计，液体流动阀门以及采用 LABVIEW 编写的 PID 控制软件组成。该课题是基于 8.5 版本的 labview 环境下实现 pid 控制的设计的。如下是对 本课题的设计总体步骤：第一步：对水箱流
15、量的控制系统的总体规划和选择合适的传感器以及其详细 的参数和采集卡的选择和水箱的形状的确立以及水箱材料和阀门的选定。第二步：设计单容水箱并传感器和阀门组装在一起。第三步：进行 Pid 的控制算法的确立和选择简便的算法并在 labview 中编程 第四步：把PID控制和水箱的流量的模型连接在一起并整理labview前面板 的整理和最后的程序调试第五步：进行结果分析第二章水箱温度控制系统硬件设计21总体方案设计本系统由水箱装置（仿真模型）、温度传感器（K型热电偶）、数据采集卡、 信号的处理部分、信号的采集、温度的监控组成，由温度传感器实现温度的测量, 将测得的温度信号送给数据采集卡对温度进行采集，以便实现温度的监测和控 制，提高了系统的安全性、方便性。系统原理框图如图2-1所示。系统工作时, 温度传感器将水箱的温度变化转换成电流变化，然后通过信号处理电路将电流信 号转变为采集卡处理的电压信号。然后将数据送给计算机，并通过计算机运行 的LabVIEW的程序来分析处理输入数据，同时，根据采样输入信号，利用 LabVIEW中的PID控制算法，求出系统输出信号的大小，再将输出信号传输 至外部，此时输出的是数字信号，还需要对数字信号进行一次转换，转换成模拟 信号，本系统通过D/A转换电路实现模/数转换。经过模/数转换后的信号送给后 续统执行装置，执行装置根据信号
