论文部分内容阅读
这次实训我们主要的工作是使用LabVIEW 建立一个温度控制系统。实现系统温度的实时控制。主要使用到的装置为一个温度控制模块，USB6008数据采集卡，PWM波输出模块和一个上位机。主要的控制过程为通过USB6008数据采集卡采集温控箱的电压，将采集到的电压转换为温度后，分别通过传统PID控制和模糊PID控制这两种控制算法的计算，得出合适的直流控制电压，并通过直流电压与三角波相互比较的方法得出适合PWM波，实现温控箱温度的控制。使用LabVIEW 将采集到的温度以及输出的控制电压储存到数据库中，同时还能使用LabVIEW读取数据库中的数据。
实训依托的实验设备与软件
硬件：温度控制模块、USB6008数据采集卡、PWM发生电路
软件：LabVIEW 2013、微软Access 2010
一、引言
1.1本文的主要工作
这次实训我们主要的工作是建立一个温度控制系统。实现系统温度的实时控制。主要使用到的装置为一个温度控制模块，USB6008数据采集卡，PWM波输出模块和一个上位机。主要的控制过程为通过USB6008数据采集卡采集温控箱的电压，将采集到的电压转换为温度后，分别通过传统PID控制和模糊PID控制这两种控制算法的计算，得出合适的直流控制电压，并通过直流电压与三角波相互比较的方法得出适合PWM波，实现温控箱温度的控制。使用LabVIEW 将采集到的温度以及输出的控制电压储存到数据库中，同时还能使用LabVIEW读取数据库中的数据。
1.2控制器发展现状
1.2.1 PID控制器
自 PID 算法诞生以来，以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业应用中的首 选控制策略之一，其在模型确定、线性系统中具有良好的控制效果，但在非线性、强耦合、大滞后、模型不确定的情况下则显得力不从心。在工业技术快速发展的今天，许多的工业过程仍具有不同程度的非线性、参数时变、模糊不确定等特性。
1.2.2模糊PID控制器
近些年，LabVIEW模糊控制得到了很快的发展，这主要是由于模糊控制器可以应用专家的控制经验，对难以建立精确数学模型的被控过程实现自动控制。在日本，模糊控制得到了广泛的应用。许多公司成立了模糊系统研究机构专门从事于模糊系统的研究，并取得很好的发展，表现在模糊控制洗衣机、吸尘器、冶金、制造等自动控制行业中的应用。除此之外，模糊逻辑芯片和模糊计算机的研制也取得了进展。但模糊控制器本身消除系统稳态误差的性能比较差，难以达到较高的控制精度。而PID控制正好可以弥补其不足，近年来已有不少将模糊技术与传统技术结合起来设计模糊逻辑控制的先例。
二、温度控制系统设计方案及原理
2.1温度控制系统的设计方案
虚拟仪器可以通过软件开发平台将计算机硬件资源与仪器硬件有机地结合在一起。USB6008数据采集卡对温控箱温度进行实时采集，在上位机中对温度数据进行处理，并且将数据储存到数据库中，然后进行PID运算或模糊PID运算，实时控制显示，最后将运算结果输出PWM波去控制温度箱。设计的系统框图如图2-1所示：
2.2 温度控制系统的工作原理
该温度控制系统以亚克力管和PCB板构成一个相对密闭温控箱，两盏20W的白炽灯充当热源，三个高线性度的热敏电阻充当温度传感器，放置在温控箱中三个不同的位置，操作者可以任意选着其中一个作为温度探测器，反馈给控制器。通过温度探测器反馈的实际温度与设定温度作比较，经过一定的PID算法或模糊PID算法计算出控制量，输出控制信号，调节白炽灯的发热量，达到调节温控箱温度的目的。
温控箱的硬件驱动由两片大功率MOS管、驱动光耦TLP250以及5V稳压模块组成，控制器发出的PWM波则是MOS管导通断开的控制信号，经过光耦放大的PWM波信号直接用于驱动MOS管，高电平导通，低电平断开，不同占空比的PWM波对应着白炽灯不同的发光亮度，间接控制其发热量，达到调节温度的目的。温控箱实物图如图2-2所示：
2.3 PWM波发生原理
PWM波的发生原理是利用电压比较器的特性，如果同相输入大于反相，则输出高电平，否则输出低电平。本文使用三角波与一个直流电压进行比较产生PWM波，而三角波又由方波积分后产生。因此，本文的硬件PWM波发生电路分为三级：第一级方波发生电路；第二级积分电路；第三级比较器电路。波形的变化顺序是方波输入积分电路转变为三角波，三角波在经过电压比较器与USB6008数据采集卡控制产生的直流电压作比较后输出PWM波。一般三角波输入比较器的正输入端，直流电压输入电压比較器的反向输入端，则直流电压值越小占空比越大，反之越小。PWM波的硬件发生电路实物图如图2-3所示：
三、控制算法的介绍
3.1传统PID控制与模糊PID控制的比较
3.1.1传统PID控制的特点
在实际中，应用最为普遍的是 PID控制。其调节器控制规律表现为微分控制、比例控制、积分控制。线性定常系统是PID控制的主要研究对象。因为它结构较简单、稳定性较好、调整方便，所以被普遍应用于工业过程控制。当出现以下情况时，传统的PID控制器无法实现精确控制。
（1）未能全面掌握被控对象的结构和参数。
（2）无法得到精确的数学模型。
但模糊PID控制能解决上述的这些问题。
要想比较好的了解模糊PID控制的特点，必须要了解模糊控制的特点。
3.1.2模糊控制的特点
随着科技的发展，现场被控对象和控制条件变得复杂，考虑因素增多，而对于控制性能的要求却逐渐提高。通常复杂的系统很难对控制量设计精确的算法，想要绝对精确变得不可能，需要在精确和复杂间找到平衡。模糊控制就是一种平衡的控制手段，在非线性复杂系统中发展很快。模糊控制有如下特点：
（1）适用于不易获得精确数学模型的被控对象。
（2）是一种语言变量控制器。
（3）从属于智能控制的范畴，尤其适用于非线性、时变、滞后系统的控制。
3.1.3模糊PID控制的特点
模糊PID控制结合PID控制和模糊控制的优点，在工业控制领域中被应用得特别普遍。模糊PID控制是根据PID控制器的3个参数与偏差和偏差的变化之间的模糊关系，在运行时不断检测偏差和偏差的变化，通过事先确定的关系，利用模糊推理的方法，在线修改PID控制器的3个参数，让PID参数可自整定。
四、总结
用虚拟仪器对温度进行自动调节具备一定的实用性。微机的计算能力强，可以很轻易地快速进行浮点数的运算。采用虚拟仪器调节温度不仅可以实现很高的控制精度，还可以实现可视化界面操作。采用模糊控制原理的模糊PID算法，相比于传统的PID算法，可以更快的达到稳定温度值，减少加热时间，节约电能，且控制方法灵活，效果稳定。对非线性、大滞后、被控对象模型不精确等特点的温度控制具有较好的控制效果，因此在生产过程的温度控制具有广阔的发展前景。
参考文献：
[1] 孙优贤，褚健.工业过程控制技术方法篇[M] .北京：化学工业出版社，2005.
[2] 彭宇宁 黄世奎.基于 LabVIEW 与 MATLAB 的模糊参数自整定 PID 控制[J] .仪器仪表学报，2008.
[3] 冯莹莹等.模糊 PID 控制器对热力模拟实验机温度控制的优化， 2008，32（2）：21～24.
作者简介：
胡荣颐，出生年月：1997、11、19，性别：男，民族：壮族，籍贯（精确到市）：广西钦州，当前职务：学生，当前职称：学生，学历：本科，研究方向：过程控制.
实训依托的实验设备与软件
硬件：温度控制模块、USB6008数据采集卡、PWM发生电路
软件：LabVIEW 2013、微软Access 2010
一、引言
1.1本文的主要工作
这次实训我们主要的工作是建立一个温度控制系统。实现系统温度的实时控制。主要使用到的装置为一个温度控制模块，USB6008数据采集卡，PWM波输出模块和一个上位机。主要的控制过程为通过USB6008数据采集卡采集温控箱的电压，将采集到的电压转换为温度后，分别通过传统PID控制和模糊PID控制这两种控制算法的计算，得出合适的直流控制电压，并通过直流电压与三角波相互比较的方法得出适合PWM波，实现温控箱温度的控制。使用LabVIEW 将采集到的温度以及输出的控制电压储存到数据库中，同时还能使用LabVIEW读取数据库中的数据。
1.2控制器发展现状
1.2.1 PID控制器
自 PID 算法诞生以来，以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业应用中的首 选控制策略之一，其在模型确定、线性系统中具有良好的控制效果，但在非线性、强耦合、大滞后、模型不确定的情况下则显得力不从心。在工业技术快速发展的今天，许多的工业过程仍具有不同程度的非线性、参数时变、模糊不确定等特性。
1.2.2模糊PID控制器
近些年，LabVIEW模糊控制得到了很快的发展，这主要是由于模糊控制器可以应用专家的控制经验，对难以建立精确数学模型的被控过程实现自动控制。在日本，模糊控制得到了广泛的应用。许多公司成立了模糊系统研究机构专门从事于模糊系统的研究，并取得很好的发展，表现在模糊控制洗衣机、吸尘器、冶金、制造等自动控制行业中的应用。除此之外，模糊逻辑芯片和模糊计算机的研制也取得了进展。但模糊控制器本身消除系统稳态误差的性能比较差，难以达到较高的控制精度。而PID控制正好可以弥补其不足，近年来已有不少将模糊技术与传统技术结合起来设计模糊逻辑控制的先例。
二、温度控制系统设计方案及原理
2.1温度控制系统的设计方案
虚拟仪器可以通过软件开发平台将计算机硬件资源与仪器硬件有机地结合在一起。USB6008数据采集卡对温控箱温度进行实时采集，在上位机中对温度数据进行处理，并且将数据储存到数据库中，然后进行PID运算或模糊PID运算，实时控制显示，最后将运算结果输出PWM波去控制温度箱。设计的系统框图如图2-1所示：
2.2 温度控制系统的工作原理
该温度控制系统以亚克力管和PCB板构成一个相对密闭温控箱，两盏20W的白炽灯充当热源，三个高线性度的热敏电阻充当温度传感器，放置在温控箱中三个不同的位置，操作者可以任意选着其中一个作为温度探测器，反馈给控制器。通过温度探测器反馈的实际温度与设定温度作比较，经过一定的PID算法或模糊PID算法计算出控制量，输出控制信号，调节白炽灯的发热量，达到调节温控箱温度的目的。
温控箱的硬件驱动由两片大功率MOS管、驱动光耦TLP250以及5V稳压模块组成，控制器发出的PWM波则是MOS管导通断开的控制信号，经过光耦放大的PWM波信号直接用于驱动MOS管，高电平导通，低电平断开，不同占空比的PWM波对应着白炽灯不同的发光亮度，间接控制其发热量，达到调节温度的目的。温控箱实物图如图2-2所示：
2.3 PWM波发生原理
PWM波的发生原理是利用电压比较器的特性，如果同相输入大于反相，则输出高电平，否则输出低电平。本文使用三角波与一个直流电压进行比较产生PWM波，而三角波又由方波积分后产生。因此，本文的硬件PWM波发生电路分为三级：第一级方波发生电路；第二级积分电路；第三级比较器电路。波形的变化顺序是方波输入积分电路转变为三角波，三角波在经过电压比较器与USB6008数据采集卡控制产生的直流电压作比较后输出PWM波。一般三角波输入比较器的正输入端，直流电压输入电压比較器的反向输入端，则直流电压值越小占空比越大，反之越小。PWM波的硬件发生电路实物图如图2-3所示：
三、控制算法的介绍
3.1传统PID控制与模糊PID控制的比较
3.1.1传统PID控制的特点
在实际中，应用最为普遍的是 PID控制。其调节器控制规律表现为微分控制、比例控制、积分控制。线性定常系统是PID控制的主要研究对象。因为它结构较简单、稳定性较好、调整方便，所以被普遍应用于工业过程控制。当出现以下情况时，传统的PID控制器无法实现精确控制。
（1）未能全面掌握被控对象的结构和参数。
（2）无法得到精确的数学模型。
但模糊PID控制能解决上述的这些问题。
要想比较好的了解模糊PID控制的特点，必须要了解模糊控制的特点。
3.1.2模糊控制的特点
随着科技的发展，现场被控对象和控制条件变得复杂，考虑因素增多，而对于控制性能的要求却逐渐提高。通常复杂的系统很难对控制量设计精确的算法，想要绝对精确变得不可能，需要在精确和复杂间找到平衡。模糊控制就是一种平衡的控制手段，在非线性复杂系统中发展很快。模糊控制有如下特点：
（1）适用于不易获得精确数学模型的被控对象。
（2）是一种语言变量控制器。
（3）从属于智能控制的范畴，尤其适用于非线性、时变、滞后系统的控制。
3.1.3模糊PID控制的特点
模糊PID控制结合PID控制和模糊控制的优点，在工业控制领域中被应用得特别普遍。模糊PID控制是根据PID控制器的3个参数与偏差和偏差的变化之间的模糊关系，在运行时不断检测偏差和偏差的变化，通过事先确定的关系，利用模糊推理的方法，在线修改PID控制器的3个参数，让PID参数可自整定。
四、总结
用虚拟仪器对温度进行自动调节具备一定的实用性。微机的计算能力强，可以很轻易地快速进行浮点数的运算。采用虚拟仪器调节温度不仅可以实现很高的控制精度，还可以实现可视化界面操作。采用模糊控制原理的模糊PID算法，相比于传统的PID算法，可以更快的达到稳定温度值，减少加热时间，节约电能，且控制方法灵活，效果稳定。对非线性、大滞后、被控对象模型不精确等特点的温度控制具有较好的控制效果，因此在生产过程的温度控制具有广阔的发展前景。
参考文献：
[1] 孙优贤，褚健.工业过程控制技术方法篇[M] .北京：化学工业出版社，2005.
[2] 彭宇宁 黄世奎.基于 LabVIEW 与 MATLAB 的模糊参数自整定 PID 控制[J] .仪器仪表学报，2008.
[3] 冯莹莹等.模糊 PID 控制器对热力模拟实验机温度控制的优化， 2008，32（2）：21～24.
作者简介：
胡荣颐，出生年月：1997、11、19，性别：男，民族：壮族，籍贯（精确到市）：广西钦州，当前职务：学生，当前职称：学生，学历：本科，研究方向：过程控制.