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PID 计算机温度控制实验 实验名称 计算机控制系统基本结构 PID控制简介PID控制 PID调节器 按偏差的比例 P Proportional 积分 I Integral 和微分 D Derivative 线性组合进行控制的方式 PID控制器是连续控制系统中技术成熟 应用最为广泛的控制器 在模拟控制系统中 最常用的控制规律是PID控制 当我们不完全了解一个系统和被控对象 或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时 最适合用PID控制技术 1 实验原理 PID是一种线性控制器 它根据给定值r t 与实际输出y t 构成控制偏差 e t r t 一y t 将偏差比例 P 积分 I 和微分 D 通过一定的线性组合构成控制量U t 对被控对象进行控制 它的控制规律为 1 实验原理 式中 KP为比例系数 TI为积分时间常数 TD为微分时间常数 将上式进行离散化处理 可得PID离散表达式 1 实验原理 1 实验原理 式中 KP为比例系数 KI为积分系数 KD为微分系数 T为采样周期 k为采样序号 代表的是第k次采样 u k 为第k次采样时刻的计算机输出值 e k 为第k次采样时刻的输入的偏差值 e k 1 为第k 1次采样时刻的输入的偏差值 1 实验原理 上式控制算法的输出直接对应于执行结构的位置 如阀门的开度等 所以称之为数字PID位置型控制算法 在其它佷多情况下 如用步进电机作为执行机构的场合 要求控制器输出控制增量 为此对位置式算法进行改进 得到增量式 两个相邻时刻输出的绝对值之差 算法 同理可得u k 1 的表达式 用u k 减去u k 1 可得 u的值 u KP e k e k 1 KIe k KD e k 2e k 1 e k 2 KP e k e k 1 是比例的贡献 KIe k 是积分的贡献KD e k 2e k 1 e k 2 是微分的贡献 1 实验原理 由此得出 如果确定了比例系数KP 积分系数KI 微分系数KD 使用前后3次测量值的偏差即可求出控制增量 比例 P 积分 I 微分 D 控制算法各有作用 比例控制 误差一旦产生 控制器立即就有控制作用 使被控制量朝着减小误差方向变化 控制作用的强弱取决于比例系数KP 比例控制的缺点是对于具有自平衡性 即系统阶跃响应终值为一有限值 的被控对象存在静差 加大KP可减小静差 但KP过大时 会导致动态性能变坏 甚至会使闭环系统不稳定 积分控制 它能对误差进行记忆并积分 有利于消除静差 但它的不足之处在于积分作用具有滞后特性 积分控制作用太强会使控制的动态性能变差 以至于使系统不稳定 微分控制 它能对误差进行微分 误差的变化趋势 增大微分控制作用可加快系统响应 使超调量减少 增加系统稳定性 它的缺点是对干扰同样敏感 使系统抑制干扰能力降低 1 实验原理 1 实验原理 温度源 K型热电偶 计算机控制方法 PID控制 继电器输出 采集模块 1 1实验原理框图 图1 PID控制系统的原理框图 1 实验原理 温度源把温度信号转成电信号 采集模块将采集到的模拟量放大并转化成数字量与上位机 计算机 通过485接口通讯 上位机发出相应的指令控制反馈模块对输入量进行实时控制 这样就构成了一个计算机温度控制系统 1 2实验原理 2 实验目的通过此实验可以加深对检测技术 自动控制技术 过程控制 计算机控制等专业知识的理解 2 实验目的 3 实验仪器 K型热电偶计算机RS232 RS485转接头 HL340 USBtoRS232 综合实验台 温度控制仪 温度源导线若干 3 实验仪器 4 实验内容与步骤 4 实验内容与步骤 4 实验内容与步骤 1 将YL系列温度测量控制仪的 加热方式 冷却方式 均拨至 外控方式 加热手动调节 逆时针旋转至最左端且关断 此时可选用K型热电偶 插在控制仪上方的测温孔中 另外两端的传感器输出线分别对应接至控制仪面板的传感器 和 端 选择开关拨至 热电偶 同时将面板中标准信号输出Vo用实验线接至主控箱面板的多功能数据采集控制器的A D输入端 8个通道可任选 例如接第0通道 4 实验内容与步骤 2 用实验线连接主控箱的D A第0通道 4个通道可任选 至YL系列温度控制仪的加热控制输入端 温度源电源线插入YL系列温度控制仪对应插孔中 4 实验内容与步骤 4 实验内容与步骤 3 用实验线连接主控箱的DO第0通道 4个通道可任选 至温度源的冷却控制输入端 风机电源由主控箱左下方 2 24V 引入 电源调整旋钮旋至中间位置 4 实验内容与步骤 4 如下图连接好 RS485 RS232转接头 以及HL340 蓝色 HL340的USB一端接电脑左侧靠上的USB接口 接下面的一个USB接口软件有可能会报错 4 实验内容与步骤 5 此时在 我的电脑 F盘 中找到名为 19实验二十 串口 温度控制系统的设计 的文件夹 大多数电脑路径为 F 虚拟仪器扩展实验VI 19实验二十 串口 温度控制系统的设计 打开后缀名为vi的文件 设置好 比例系数 积分时间 微分时间 参数值 参考值5 1 1 具体根据曲线自行调节 设置 温度设定值 先50 后80 不要设置过高温度 以免烧坏仪器 重要 在通讯设置中选好 串口通道 否则软件会死机 4 实验内容与步骤 6 重要 连好线后给老师检查 4 实验内容与步骤 7 老师检查通过后 依次开启各部分开关 如下图所示顺序 其中温度源的开关打开后 灯不一定会亮 务必保证最后一幅图中电源合上 即 T R 灯亮 这样计算机才能和实验台进行正常通讯 4 实验内容与步骤 8 连好线 设置好软件参数后 点击软件窗口左上角的向右箭头 再点击窗口中部的绿色开始实验按钮 亮绿色为开始 即可开始实验 4 实验内容与步骤 4 实验内容与步骤 9 将目标温度设为50摄氏度 根据控制规律可设置不同的P I D参数 以达到最佳的控制效果 进入恒温过程时温度偏差在正负1摄氏度以内 即当前温度曲线 红色 和设定温度曲线 绿色 基本保持一致时可举手给老师检查 待通过老师检查后 保存曲线截图 文件 打印 生成图像文件后需裁剪 和实验数据 并记录下三个系数 4 实验内容与步骤 10 将目标温度改为80摄氏度 重复实验 曲线截图打印后贴于实验报告上 4 实验内容与步骤 5 注意事项与思考题 1 在通电之前 必须检查各器件间连线并保证温度源的电源是断开的 2 实验结束后 确保温度源断电 以免温度源长时间工作导致温度过高 3 连接导线时应关闭电源 以防触电 1 注意事项 5 注意事项与思考题 2 思考题 1 比例 积分 微分在计算机温度PID控制实验