【《某恒温系统PID控制实验装置设计原理综述》4100字】

某恒温系统PID控制实验装置设计原理综述目录TOC\o"1-3"\h\u13474某恒温系统PID控制实验装置设计原理综述 17951.1温度控制系统概述 1135841.2温度测量模块原理 1101761.1.1常用测温原理介绍 1214931.1.2温度传感器补偿方式原理 3104281.3温度控制模块原理 5111761.3.1常用温度控制介绍 5140281.3.2基于PID的温度控制算法 5211401.4可编程逻辑控制器（PLC） 6本文设计的温度控制系统主要由温度测量和温度控制两个核心部分组成，包括电源模块、散热模块、执行器、温度传感器和温度控制模块。同时，为了满足简单、直观、易操作的要求，本文设计的温度控制系统基于人机交互模块。基于以上数据分析问题展开对恒温系统PID控制进行实验装置的设计。1.1温度控制系统概述温度测量特别是温度控制在当前的生产生活中起着重要的作用。舒适健康的日常环境是幸福生活的基础，稳定安全的生产环境是高效工作的基础。温度控制反映在各种工业领域，如电子技术、钢铁生产和机械制造，从细菌形成的小群落到航天工业的各个方面，所有涉及和干扰温度变量，即使是最细小的事件也不能脱离温度控制的过程。因此，做好温度控制管理系统具有重大的应用研究价值和现实意义。可编程控制器(PLC)是一种利用计算机实现工业生活和生产自动控制的新型装置。它具有效率高、成本低、可控性强、易于编程等特点。在PLC的基础上，使用PID算法对温度进行控制。1.2温度测量模块原理1.1.1常用测温原理介绍对温度进行测量是温度控制管理系统的重要组成一个部分，为了能够实现温度的精准控制，则需要通过精准的温度测量。因此，温度测量是温度控制系统的基本组成部分。测温方法有很多，如图2-1所示，基本上可以分为接触式测温方法和非接触式测温方法:图2-1温度测量方法分类接触式测温方法原理及特点接触式测温技术主流的一般囊括膨胀式测温、电量式测温、接触式光电信息以及热色测温等等。接触式温度测量一般测量被测物体和传感器之间的平衡温度，这要求与被测物体或介质完全接触。膨胀式测温方法膨胀式测温较为传统，如我们所熟知的水银温度计（如图2-2）。它主要采用物质的热膨胀和冷却原理来测量温度，通过根据温度的体积或几何变形将其与温度联系起来确定温度与变形的关系。膨胀式测温技术方法主要内容包括玻璃液体温度计、双金属膨胀式温度计和压力式温度计。图2-2水银温度计电量式测温方法电测温法主要利用材料的电势、电阻等电性能与温度的关系来测量温度。包括热电偶温度测量、热敏电阻温度测量、集成芯片温度测量等。其是根据材料的电阻和温度的关系来进行测量，输出信号大，准确度也比较高，稳定性好。接触式光电接触式光电测温技术方法主要是指通过接触被测对象，从而将温度不断变化所引起的热辐射或其他光电信号可以引出，通过研究光电信号转换器进行检测其信号，从而能够获得测温结果的方法。其可以有效避免非接触式温度计那样容易发展受到被测对象表发射率和中间工作介质的影响。热色测温方法热色测温方法主要通过温敏材料在不同温度下的颜色变化来指示温度变化，包括指示温度的涂料和指示温度的液晶，这种方法实际上使用简单，但主要依靠人工才能进行。（2）非接触式测温方法原理及特点非接触式测温技术方法则不需要与被测对象进行接触，因此我们并不会干扰温度场，其动态发展特性分析一般也非常好，但是会受到测量工作介质物性参数或测量数据对象表面状态的影响。非接触测温方法主要有辐射测温、光谱测温、激光干涉测温、声测温等方法。辐射式测温方法辐射测温主要以热辐射定律为基础，但由于实际物体一般不是黑体，因此引入了辐射温度、亮度温度和色温的概念，基于上述三种方法的高温计分别称为全辐射高温计、亮度高温计和比色高温计。光谱法测温方法光谱法测温系统主要工作原理为当单色光线照射透明的物体时，会发生光的散射实验现象，其中散射光又包括弹性散射和非弹性散射，光谱法测温技术主要研究用于通过高温火焰和气流环境温度的测量。激光干涉测温方法激光干涉测温的主要原理是基于干涉原理，所以用光学方法测量介质的温度场，将流场各处折射率的变化，即被测介质密度的变化转化为各种光学参数的变化，从而得到温度和分布。声波、微波测温方法声波测温的主要原理是基于声波在介质中的传播速度与介质温度有关的事实。因此我们只要测得声速，便可以推算出温度；微波衰减法通过进行测量入射微波的衰减程度分析可以确定气体环境温度。1.1.2温度传感器补偿方式原理在实际温度测量中，温度测量电路存在各种误差，往往需要通过测量补偿消除测量，常见的补偿方法是：二线制接法、三线连接法和四线连接法REF_Ref23234\r\h[22]。其中，双线制接线方法只适用于测温距离较近且测温精度不高的场合，四线制可以完全消除引线电阻的影响，但成本相对较高，主要用于高精度的温度测量。二线制接法二线制测量系统电路的接线设计方式进行如图2-4所示，此接线工作方式主要是将一个接触电阻RL1与引线电阻RL2分别接在热电阻两端，通过将引线电阻r算入热电阻阻值中，而r的大小由引线材料和长度所决定，从而使得研究结果产生了一定偏差，从而产生影响测量数据精度。图2-4二线制接线方式图三线制接法三线制接法在工业以及生活中温度测量使用非常广泛，等效为3个相等的导线电阻RL1、RL2、RL3和所测电阻的串并联模型，如下图2-5所示。本文采用了三线连接的方法。三线连接法可以消除二线连接中由于接触电阻和引线电阻引起的偏差。图2-5三线制接线方式图四线制接法四线连接法称为四线连接法，因为两根导线分别从热敏电阻的两个端口引出，共有四根导线。RL1、RL2、RL3、RL4为四根引出线的导线电阻，通过U1和U4给热电阻两端施加相同的激励电流I，为热电阻提供恒定的电流，当热电阻温度变化时电阻阻值发生变化的同时，此时U2和U3之间的电压之差即为铂电阻两端的电压变化。此方法可以帮助我们直接完全消除多余引线电阻产生的影响。图2-6四线制接线方式图1.3温度控制模块原理1.3.1常用温度控制介绍温度控制模块是温控系统的重中之重。温度控制一般分为制冷和加热两种形式，以及应用最广泛的一般电热，可分为电阻加热、电子束加热、红外加热等。制冷在实际应用中最常见的方式有热电制冷、蒸发制冷等。1.3.2基于PID的温度控制算法对温度进行控制，算法是整个管理系统的核心组成部分，控制算法的优劣程度决定了温控性能的优劣程度。PID是比例（proportion）、积分（integration）、微分（differentiation）的简称，自诞生至今已经有百年的历史，许多自动控制的算法都是由其演变而来，在工业控制领域中PID的使用极为常见。图2-7所示为PID控制系统的结构框图，接收系统输入信号后对比形成的偏差信号e(t)经过PID控制器的比例积分以及微分运算后变成相应的控制信号u(t)，然后再将这个控制信号u(t)输出给被控对象，被控对象实际的输出量c(t)与实际输入量u(t)的误差为e(t)，控制目标则是使实际输出量c(t)与实际输入量u(t)误差最小，以此循环就形成了一个完整的单闭环控制器REF_Ref31907\r\h[23]。PID控制是一种线性控制方法，它根据给定值r(t)和实际输出值y(t)之间所存在的控制变差e(t)=r(t)-y(t),对其进行比例、积分和微分三种不同的运算，在将这三种运算的结果进行相加，然后就得出PID控制器所需要输出的控制输出u(t)REF_Ref6911\r\h[24]。图2-7PID控制系统的结构框图其中偏差值e(t)的表达式为：在得到偏差值e(t)后，将偏差值e(t)通过PID控制器进行各种组合运算，然后输出量u(t)，输出量u(t)的表达式为：其中，Kp为比例系数，Ti是积分时间常数，Td是微分时间常数，将上式进行拉格朗日变换后写成传递函数的形式为：由此可以发现，其中的比例系数（Kp），积分时间常数（Ti），微分时间常数（Td）直接影响PID控制器的性能。比例系数（Kp）：其作用是按一定比例扩大输入值与反馈值的偏差，从而提高控制系统的响应速度。当输入值与反馈值有偏差时，比例环节会立即调整，但相应的比例系数会直接影响系统的稳定性和动态性能。所以适当的增加比例系数可以通过提高内部控制管理系统的响应速度，相应的系统的超调量也会增大，从而导致产生振荡。同时，比例系数只能减小系统的稳态误差，但不能完全消除。积分时间常数（Ti）：积分环节的功能是减少或完全消除系统产生的稳态误差。每当系统可以产生稳态误差时，积分环节就会开始发展作用，从而能够使其消除。积分时间常数越小，积分作用越强。但是，当积分时间常数太小时，系统将无法消除产生的稳态误差，这会增加系统的超调量，导致系统精度下降，甚至出现发散振荡。所以合适的积分时间非常重要。微分时间常数（Td）：微分环节则主要对系统的动态性能和稳定性方面进行及时调整，通过算法预测系统内部控制存在偏差的变化发展趋势，然后在系统还未产生偏差量的时候，使用微分调节提前介入来消除系统偏差，所以微分环节我们可以极大地提升系统动态性能。但同样的一点是，只有合适的参数才能发挥更大的作用。当微分时间常数太小时，微分调节几乎不起作用，系统误差没有得到很好地消除；而当微分时间常数太大时，会导致系统超前抑制过强，影响系统的控制能力，增加控制时间。由此可见，微分环节具有局限性，所以一般不单独地使用，而是与比例或积分同时使用，如PD或PID控制。由此可见，控制系统想要达到控制目标并且兼具准确性、稳定性与快速性，对于比例系数（Kp），积分时间常数（Ti），微分时间常数（Td）选取至关重要。1.4可编程逻辑控制器（PLC）它们是基于计算机的、固态的、单处理器设备，模仿电梯图的行为，能够控制多种类型的工业设备和整个自动化系统。PLC通常是工业自动化控制系统的主要内容组成一个部分。在制造业、化工业和过程工业中，除了使用plc的技术优势外，它还降低了先进水平和复杂控制系统的价格。目前，用于执行系统逻辑的控制元件大多被PLC取代。使用逻辑这个专业术语是因为编程是主要的涉及实现逻辑和切换操作。输入设备(如开关)和输出设备(如受控电机)连接到PLC，然后控制器根据机器或工艺监控输入和输出。最初，PLC被设计用来取代硬接线继电器和定时逻辑控制系统。微处理器技术和软件编程技术的创新和改进，为PL