1、水箱温度测控系统的设计与实现南 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P
2、ID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
3、Design and ImplementationMeasurement and Control Technology and Instrument liugongchang水箱温度测控系统的设计与实现Abstract : 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 platf
4、orm. This paper discuss the problem, temperature control system background, 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 conventi
5、onal PID control system. In this system, the thesis is design of conventional 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
6、. And then puts forward the overall structure of the system, the control principle 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 meth
7、ods applied to the water temperature control, and its implementation are analyzed, 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.水箱温度测控系统的设计与实现目 录1.1 课题背景 .51.2 水箱
8、温度控制研究的现状 .61.3 本设计的技术要求 .61.4 课题的意义及本论文的主要内容 .71.4.1 课题的意义 .7142 本论文的主要内容 .71.5 课题的总体方案 .82 水箱温度控制系统硬件设计 .82 系统硬件设计 .82.1 温度检测电路 .92.2 传感器的选择类型 .102.1.2 加热器的选择 .123 水箱温度软件系统设计 .133.1 虚拟仪器的概念 .133.2 LABVIEW 的操作模板 .163.2.1 工具模板(TooIs PaIette) .163.2.2 控制模板（Controls Palette） .173.2.3 功能模板（Functions Pa
9、lette） .173.3 水箱对象模拟 .183.4 水箱的对象装置 .183.5 水箱对象的数据采集 .194.1 控制系统的工作原理 .204.2 PID 控制器的设计 .214.2.1 数字 PID 算法 .214.2.2 增量式 PID 控制算式 .224.3 水箱温度的 PID 控制系统的 LV 实现 .234.4 水箱温度控制系统的参数设定及结果分析 .245.结束语 .26参考文献 .28致谢 .29结束语 .25参考文献 .26致谢.27第一章 绪 论水箱温度测控系统的设计与实现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
10、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
11、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，
12、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，易于实现，便于系统硬件水箱温度测控系统的设计与实现维护、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
13、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
14、，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
15、该法进行控制的优势。水箱温度测控系统的设计与实现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 PI
16、D 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：进行结果分析水箱温度测控系统的设计与实现第二章 水箱温度控制系统硬件设计 2.1 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
17、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，执行装置根据信号发生动作以实现温度控制，这样便形成了闭环控制系统。该系统集计算机、 强大的图形化编程软件和模块化的硬件于一体， 能够很方便的建立灵活且以计算机为基础的测量及控制方案，构建出满足需要的系统 ，具有很好的实用性和可操作性，有很好的应用前景。图
18、2-1 系统原理框图2.2 温度采集系统传感器选择温度检测系统包括温度传感器、电压放大电路和温度外补偿电路，电路如图 2-2 所示，温度传感器采用热电偶，它将温度信号转换成电势（mV）信号，配以测量信号的仪表或变换器，便可以实现温度的测量和温度信号转换。热电偶温度计由于测温范围宽，它在工程实际中的应用非常广泛。热电偶温度计能用来测量点的温度和壁面温度，也能用来进行动态温度测量。从 1K 到 3000K 的温区，都可选择不同型号的热电偶温度计实现温度测量。电压放大电路：采用水箱温度测控系统的设计与实现的 K 型热电偶，其输出的热电势非常小，每 1C 约为 0.04mV，因此，为了将其转换为 A/
19、D 的输入信号，必须进行放大，采用高灵敏度、高增益、低漂移的集成运算放大器 AD707。电路中，R1、R2、RP3 决定电路，放大增益的大小用RP3 可使增益在 111 与 131 之间可调。图 2-2 温度检测电路2.2.1 温度传感器与温度采集本系统的温度采集系统，首先需要将检测的温度信号处理成相应的电信号。所以需要把温度转换为电信号的转换器。热电式传感器是一种将温度变化转换成电量变化的装置。其中将温度转换成电势的热电式传感器叫热电偶，将温度转换成电阻值的热电式传感器叫热电阻。作为工业测温中最广泛使用的温度传感器之一，热电偶与铂热电阻一起，约占整个温度传感器总量的60%。这两种传感器在目前
20、的工业生产中得到最为广泛的应用。热电偶作为一种主要的测温元件，具有制造容易、使用方便、测温范围宽、测温精度高，性能稳定结构简单，且动态相应好，输出直接为电压信号，可以传送便于集中检测和控制等特点。热电偶通常和显示仪表等配套使用，可直接用于测量各种生产过程中-401800C度范围的液体、蒸汽介质以及固体的表面温度。2.2.2 热电偶的温度测量原理热电偶是目前温度测量中应用极为广泛的一种温度测量系统。其工作原理是基于物体的热电效应。如图（2-3）所示：水箱温度测控系统的设计与实现图 2-3 热电偶的组成把两种不同的导体或半导体材料AB连接好形成闭合回路，将他们的两个极端分别置于温度为 和 ( )的
21、热源中，则回路中就产生热电动势(简称热T00电势)，可用 ( , )表示，这种现象称为热电效应.我们把这两种不同材ABE料的导体或半导体的组合称为热电偶。A和B称为热电极，温度高的极点称为热端(或工作端)，温度低的极点称为冷端或自由端。如图2-3所示的热电偶产生的热电势由两种导体的接触电动势和单一导体的温差电动势构成。(一) 接触电动势：所有金属内部有大量的自由电子，而不同的金属材料其内部自由电子密度不同，当两种不同的金属导体接触时，在接触面上因自由电子密度不同而发生电子扩散，电子扩散的速率与导体的电子密度有关，并且和接触点的温度成正比。设导体A和B的自由电子密度分别为 和 ，且有 ANBA，则在接触面上由A扩散到B的自由电子将必然比由B扩散到A的电子数多。因N此，导体A失电子而带正电荷，导体B因得到电子而带负电荷，在A和B的接触面上便形成了一个A到B的静电场。如下图2-4所示：+A +- B-图 2-4 接触电动势ABET这个电场组，阻碍了电子的继续扩展，当达到平衡时，在接触区形成一个稳定的电位差，即接触电动势其大小可表达为：（3-1）lnAABBNKe式中：K波耳兹曼常数，K = 1.38 X ；160T接触点的热力学温度；、 导体A、B中的自由电子密度；ANe电子电荷量。
