实验十五 单闭环温度恒值控制系统
实验34-温度控制系统的开环控制和闭环控制
实验三十四 温度控制系统的开环控制和闭环控制（自动控制理论—检测技术综合实验）一、 实验原理1．温度控制问题温度是一个极易受环境、负载变化而变化的物理量。
温度控制应用很广，从温室的温度、冶炼时的炉温、化工产品生产制造工艺过程对恒温的需要，到家用电器的温度控制（如电磁炉温度控制）、等等，都需保持温度为恒定值，或按照一定规律变化。
扰动导致的输出（温度）偏离希望值可以通过闭环控制得到抑制。
温度控制系统除了受到负载扰动（如电加热炉的水温控制中，热水因供水需要不断减少和不断补充加入的冷水）的影响外，与其它物理量（如转速、电压、电流等）的控制不同的是，被控的温度容易受到环境温度的影响；此外，温度控制对象（如电炉）具有滞后的特性，即除了一般系统的惯性)1(1+Ts 外，还有一个明显滞后的环节，构成了具有滞后特性的一阶(或二阶)环节：s e τ−1)(+=−Ts e K s G sp τ (34-1) 其中τ远大于T 。
由开环系统的Nyquist 图分析可知，当被控对象不存在滞后特性，即控制系统的开环传递函数为)1()(+=Ts K s G p 时，其Nyquist 图（图34－1）不包围（-1，j0）点，无论增益K 为多大，对应的闭环系统总是稳定的。
而对象具有滞后特性（式（34-1））时，对应的Nyquist 图如图34-2，由于纯滞后环节的相频特性加上τωτωj e j −=∠−)1(+Ts K 的滞后相频特性，相位比仅有)1(+Ts K 环节时更加滞后，Nyquist 图与负实轴有无穷多个穿越点。
当增益K 增大到一定程度时，Nyquist 图顺时针包围（-1，j0）点，系统不稳定。
图34-2 具有滞后特性的惯性环节的Nyquist 图Re Im 图34-1 惯性环节的Nyquist 图因此，温度的控制控制，不能简单地采用普通的PI 控制，或PID 控制，或其它的超前－迟后控制。
从闭环特征方程0)()(1=+s G s G p c 上看，特征方程所对应的相位延迟很大；而控制器（校正环节）的传递函数∏∏==−−=1111)()()(n i ic m j j c c c p s zs K s G (34－2) 中，校正环节中的PI 控制特性或校正网络极点仍具有迟后特性，会导致系统的不稳定性更严重；而其中的超前环节（零点）相对于滞后环节而言时间常数太短（电子元件构成的校正环节不可能产生足以补偿温度对象这样的纯滞后环节的时间常数），因此对系统存在的不稳定性无任何改善作用。
单闭环温度恒值控制系统实验中出现的问题及解决的方案
单闭环温度恒值控制系统实验中出现的问题及解决的方案
在单闭环温度恒值控制系统实验中，可能会出现以下问题：
1.温度波动过大：可能是由于环境温度变化、控制器设置不当或传感器失准等原因导致的。
解决方案可以是增加控制器的参数调整，确保温度控制精度，或使用更为精确的传感器。
2.温度无法达到设定值：可能是由于系统中温度控制器、传感器、加热器等设备的参数设置有误，或者是系统存在故障。
解决方案包括调整控制器参数以保证输出正确、检查设备是否故障等。
3.电源故障导致实验无法进行：此时需要更换电源或者检查电源相关的设备部件是否故障。
4.设备损坏：如果加热器或传感器等设备出现损坏，需要在保证安全的前提下将其更换。
总的来说，单闭环温度恒值控制系统实验中出现的问题可以通过检查设备是否故障、调整控制器参数以及更换设备等方法得到解决。
同时还需关注操作过程中的安全问题，确保实验能够安全进行。
《闭环电子控制系统的制作和调试作业设计方案-2023-2024学年高中通用技术地质版2019》
《闭环电子控制系统的制作和调试》作业设计方案第一课时一、设计目的：通过本次作业设计，学生将学到闭环电子控制系统的基本原理和工作方式，掌握相关的调试方法和技巧，培养学生的动手能力和解决问题的能力。
二、设计内容：1. 硬件设计：设计一个简单的闭环电子控制系统，包括传感器、控制器和执行器，能够实现基本的温度控制或速度控制。
2. 软件设计：使用Arduino或其他类似的开发板搭建闭环控制系统的软件，实现传感器数据采集、控制算法执行和执行器控制等功能。
3. 调试实验：通过实验验证闭环电子控制系统的性能，分析控制系统的稳定性和动态响应。
三、具体步骤：1. 硬件设计：(1) 选择合适的传感器和执行器，如温度传感器和风扇等。
(2) 搭建电路，连接传感器、控制器和执行器，设计合适的控制逻辑。
(3) 组装硬件系统，确保连接正确和稳定。
2. 软件设计：(1) 编写传感器数据采集程序，读取传感器数据并显示在串行监视器上。
(2) 设计控制算法，根据传感器数据计算控制输出并发送给执行器。
(3) 编写执行器控制程序，根据控制输出控制执行器的运行。
3. 调试实验：(1) 调试传感器：验证传感器数据的准确性和稳定性。
(2) 调试控制器：验证控制算法的正确性和稳定性，调节控制参数以优化系统性能。
(3) 调试执行器：验证执行器的灵敏度和响应速度，调节执行器参数以适应控制要求。
四、实验结果：通过本次实验，学生将实现一个闭环电子控制系统，能够实现基本的温度或速度控制功能。
学生将掌握控制系统的搭建和调试方法，培养解决问题的能力和动手实验的能力。
五、总结：通过本次作业设计，学生将深入了解闭环电子控制系统的原理和应用，掌握相关的调试方法和技巧，提高学生的实践能力和解决问题的能力。
希望学生能够在本次实验中取得好的成绩，并在以后的学习和工作中有所收获。
第二课时一、设计背景和目的随着电子技术的发展，闭环电子控制系统在工业自动化领域得到了广泛应用。
本设计旨在通过设计与调试闭环电子控制系统的过程，让学生掌握闭环控制原理、电子元件的选用和系统调试方法，培养学生的实践动手能力和问题解决能力。
温度闭环控制系统
自动控制理论温度闭环控制【实践目的及要求】【实践目的】1.在实验基础上，控制实际的模拟对象，加深对理论的理解；2.掌握闭环控制系统的参数调节对系统动态性能的影响；⒊设计一个直流电机转速的控制系统，使它达到相应的设计要求。
【设计要求】设计要求：1.使温度对应的变送电压在0V到10V可调。
2.稳态时无静态速度误差。
3.具有一定的抗扰动能力。
在做这个实验时，先在ACCT-II自动控制理论及计算机控制技术实验板上找到相应的单元。
连电路时，先把给定电压调到最低，然后才开始连接电路。
先是一个比例器，然后是一个比例积分器，在比例积分器后接加温室的输入，把加热室的输出接一个反相器，然后在接到给定电压的输入端，构成一个负反馈。
实验的接线图如图2所示，除了实际的温度变送器、脉宽调制器和电压表外，其它的模拟电路是由ACCT-II自动控制理论及计算机控制技术实验板上的运放单元、近似调节器和反相器组成。
具体参数如下：R 0=R1=R2=100KΩ，R3=100KΩ，R4=1MΩ，R5=100KΩ，C1=1μF，Rf/Ri=1。
【实践原理】温度控制系统框图如下图1所示，由给定、近似调节器、脉宽调制电路、加温室、温度变送器和输出电压反馈等部分组成。
在参数给定的情况下，经过运算产生相应的控制量，使加温室里的温度稳定在给定值。
给定Ug由ACCT-II自动控制理论及计算机控制技术的实验面板上的电源单元U1提供，电压变化范围为1.3V～15V。
但是在做这个实验前，要先测出室温对加温室的影响。
就是在给定电压为0的时候，看加热室反馈回来的电压是多少。
然后在连接好的电路上，所加的电压一定要大于这个电压，不然，所做的试验就没有效果。
所以，理论上电压是可以从0～15V开始调整，但是，最低电压也要大于室温给加温室的反馈电压。
调节器的输出作为脉宽调制的输入信号，经脉宽调制电路产生占空比可调0～100％的脉冲信号，作为对加温室里电热丝的加热信号。
温度测量采用Cu50热敏电阻，经温度变送器转换成电压反馈量，温度输入范围为0～200℃,温度变送器的输出电压范围为DC0～10V。
温度单回路控制实验
温度单回路控制实验一．实验目的通过实验掌握单回路控制系统的构成。
学生可自行设计，构成单回路温度控制系统，并采用经验法整定单回路控制系统的PID参数。
二．实验装置面板图三．实验内容：1. 设计单回路温度控制系统，并进行正确接线。
2. 熟悉组态王软件的使用和参数设置的方法。
3. 温度单回路闭环控制系统的参数整定和分析。
四．实验接线图及设备所用设备：水泵、变频器、压力变送器、主回路调节阀、副回路调节阀、可控硅、热电阻、温度变送器、牛顿模块（输入、输出）。
五．控制系统原理图3．将变频器控制选择开关放在“内控”位置，使水泵在恒压供水状态下工作，打开加热筒进水阀V1（在实验装置面板背面），将加热圆筒内注满水（观察加热圆筒外玻璃管液位计显示），直至出水管有水流出。
4．确认接线无误并且加热筒注满水后，接通加热器电源，在实验界面中，手动自动按钮选择手动，同时调整PID设定中的U（K）0使流量约为12%左右，U（K）约为200左右，保持U（K）0与U（K）不变。
5．待加热筒水温稳定后（观察PV值，不变化为稳定），设定PID参数，加给定值扰动，即调整给定值SP，使SP大于PV。
6．在实验界面中，手动自动按钮选择自动，选择实时曲线，观察温度变化。
7. 同时可点击“历史曲线”按钮，观察温度响应的历史曲线，并进行数据分析。
8. 重复实验步骤5、6，完成不同PID参数整定，使温度响应达到接近4：1衰减曲线。
七．注意事项1．接线后未经教师检查严禁接通总电源。
2. 循环水从水槽经底部水管由水泵抽出流过调节阀Ⅰ，流量计Ⅰ，电磁阀V1到达加热圆筒，加热筒水满后由上部水管溢出经V10到达下水箱并由下水箱流回到水槽。
若加热筒内无水或水不够时打开加热器，则会报警以避免干烧。
3．不要频繁修改PID参数，待温度稳定后再进行修改。
4. 验曲线以计算机截图的方式进行保存，打印后附于实验报告后。
举例说明单闭环比值控制系统的工作过程
举例说明单闭环比值控制系统的工作过程
单闭环比值控制系统是一种常见的自动控制系统，它通过测量被控对象（如温度、压力等）与给定参考值之间的误差，并利用控制器对输出信号进行调整，从而实现对被控对象的控制。
下面以温度控制系统为例来说明单闭环比值控制系统的工作过程：
1. 设置参考值：首先，我们需要设置一个目标温度作为参考值。
2. 测量过程变量：通过传感器实时测量被控对象（如温度）的当前值。
3. 计算误差：将测量到的当前值与设置的参考值进行比较，计算出误差（即偏差）。
4. 控制器调整输出：控制器根据误差信号来决定需要进行的调整动作。
比如，如果当前温度低于目标温度，则控制器会通过增加供热设备的输出来达到升温的目的。
5. 反馈控制：控制器对输出信号进行调整后，被控对象的状态会发生变化。
系统通过反馈机制重新测量被控对象的状态，并将新的测量值与参考值进行比较，重新计算误差。
6. 循环控制：系统会不断地重复上述步骤，通过不断调整输出信号来使误差逐渐减小，直到被控对象的状态稳定在设定值附近。
需要注意的是，单闭环比值控制系统只考虑当前的误差和输出调整，对于系统动态特性的影响较小。
有些情况下，可能需要更为复杂的控制方式，如采用多闭环控制系统来改善系统响应速度和稳定性。
以上就是单闭环比值控制系统的简要工作过程。
《闭环电子控制系统的制作和调试导学案-2023-2024学年高中通用技术地质版2019》
《闭环电子控制系统的制作和调试》导学案第一课时一、导入闭环电子控制系统是通过传感器采集反馈信息，经过处理与比较后控制执行器，实现系统的自动调节，广泛应用于各种自动化系统中。
本次实验将教授如何制作和调试一个闭环电子控制系统，并通过实验验证其性能。
二、目标1. 了解闭环电子控制系统的原理和组成；2. 掌握闭环电子控制系统的制作方法；3. 学会使用传感器、处理器和执行器搭建闭环电子控制系统；4. 能够调试闭环电子控制系统，使其能够实现指定的控制任务。
三、实验内容1. 制作闭环电子控制系统的主要器件清单：Arduino开发板、温度传感器、LCD显示屏、直流电机；2. 搭建闭环电子控制系统的电路连接：将传感器、处理器和执行器通过引脚连接到Arduino开发板上；3. 编写Arduino程序：根据传感器采集到的值，调节执行器的控制信号，并在LCD显示屏上显示实时信息；4. 调试闭环电子控制系统：通过监测实时数据，调节参数，使系统实现所需的控制功能。
四、实验步骤1. 连接硬件：将温度传感器连接到Arduino的模拟输入引脚，LCD显示屏连接到数字输出引脚，直流电机连接到PWM输出引脚；2. 编写Arduino程序：利用Arduino IDE编写程序，实现传感器数据采集、控制信号输出和信息显示功能；3. 调试程序：通过串口监视器监测传感器数据和输出控制信号，调节参数使系统正常工作；4. 实验测试：使用电吹风等物体改变温度，观察系统反应并记录数据；5. 总结分析：根据实验结果评价系统性能，找出不足之处并改进。
五、实验要点1. 电路连接正确，确保传感器、处理器和执行器正常连接；2. 程序编写无误，保证数据采集、控制信号输出和信息显示正确；3. 参数调节适当，使系统稳定工作并实现控制任务；4. 实验环境安全，电路连接须符合安全标准，避免因操作不慎引起意外。
六、拓展应用1. 尝试使用其他传感器和执行器，设计不同功能的闭环电子控制系统；2. 研究闭环控制算法，优化系统性能；3. 结合无线通信技术，实现远程监控和控制功能。
单闭环流量定值控制系统
第二节单闭环流量定值控制系统一．实验目的：1．了解单闭环流量控制系统的结构组成与原理。
2．掌握单闭环流量控制系统调节器参数的整定方法。
3．研究P、PI、PD和PID四种控制分别对流量系统的控制作用。
二．实验原理：离心泵恒流量控制系统图如图5.3-1所示，控制系统方框图如图5.3-2所示。
图5.3-1 离心泵恒流量控制系统图图5.3-2 离心泵恒流量控制系统方框图离心泵恒流量控制系统为单回路简单控制系统，安装在离心泵出口管路上涡轮流量传感器TT将离心泵出口流量转换成脉冲信号，其脉冲频率经频率/电压转换器转换成电压信号后输出至流量调节器TC，TC将流量信号与流量给定值比较后，按PID调节规律输出4—20mA信号，驱动电动调节阀改变调节阀的开度，达到恒定离心泵出口流量的目的。
离心泵恒流量控制系统方框图如图十三所示。
控制参数如下：1．控变量y：离心泵出口流量Q。
2．定值(或设定值)ys：对应于被控变量所需保持的工艺参数值3．测量值ym：由传感器检测到的被控变量的实际值4．操纵变量(或控制变量)：实现控制作用的变量，在本实验中为离心泵出口流量。
使用电动调节阀作为执行器对离心泵出口流量进行控制。
电动调节阀的输入信号范围：4—20mA。
5．干扰(或外界扰动)f：干扰来自于外界因素，将引起被控变量偏离给定值。
在本实验中采用突然改变离心泵转速的方法，改变离心泵出口压力，人为模拟外界扰动给控制变量造成干扰。
6．偏差信号e:被控变量的实际值与给定值之差， e=ys-ym 。
ym---离心泵出口流量值Q 。
ys---离心泵出口流量设定值。
7．控制信号u ：工业调节器将偏差按一定规律计算得到的量。
离心泵恒流量控制系统采用比例积分微分控制规律(PID)对离心泵流量进行控制。
比例积分微分控制规律是比例、积分与微分三种控制规律的组合，理想的PID 调节规律的数学表达式为：01()()()()tP D I de t u t K e t e t dt T T dt ⎡⎤∆=++⎢⎥⎣⎦⎰ 三．实验方法：1．向V103中注入2/3以上清水 2．打开设备总电源，检查各仪表，执行器是否正常3．打开阀门VA110或VA111，A112，A117，其余阀门关闭4．松动离心泵放气螺丝，直到有水流出，拧紧螺丝5．将离心泵出口压力测量表（PI-03）设为手动输出且输出值为100，变频器的频率即设为50.00Hz6．打开实验软件，进入流量曲线界面点击菜单栏中的“曲线 流量控制曲线”开始记录液位变化7．将流量测量表（FI-01）设为自动输出且SV 值为4.00，P=3，I=5，D=1.5 FILE=58．打开立式离心泵向观察曲线变化情况，待流量稳定后，点击菜单栏中的“曲线 流量控制曲线”重新记录液位变化9．大约10秒钟后通过以下几种方式加干扰：（1）突增（或突减）仪表设定值的大小，使其有一个正（或负）阶跃增量的变化；（此法推荐，下面方法仅供参考）。
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实验十五单闭环温度恒值控制系统
一、实验目的
1．理解温度闭环控制的基本原理；
2．了解温度传感器的使用方法；
3．学习温度PID控制参数的配置。
二、实验设备
1．THBCC-1型信号与系统•控制理论及计算机控制技术实验平台
2．THBXD数据采集卡一块(含37芯通信线、16芯排线和USB电缆线各1根)
3．PC机1台(含软件“THBCC-1”)
三、实验原理
1．温度驱动部分
该实验中温度的驱动部分采用了直流15V的驱动电源，控制电路和驱动电路的原理与直流电机相同，直流15V经过PWM调制后加到加热器的两端。
2．温度测量端（温度反馈端）
温度测量端（反馈端）一般为热电式传感器，热电式传感器式利用传感元件的电磁参数随温度的变化的特性来达到测量的目的。
例如将温度转化成为电阻、磁导或电势等的变化，通过适当的测量电路，就可达到这些电参数的变化来表达温度的变化。
在各种热电式传感器中，已把温度量转化为电势和电阻的方法最为普遍。
其中将温度转换成为电阻的热电式传感器叫热电偶；将温度转换成为电阻值大小的热电式传感器叫做热电阻，如铜电阻、热敏电阻、Pt 电阻等。
铜电阻的主要材料是铜，主要用于精度不高、测量温度范围（－50℃～150℃）不大的的地方。
而铂电阻的材料主要时铂，铂电阻物理、化学性能在高温和氧化性介质中很稳定，它能用作工业测温元件和作为温度标准。
铂电阻与温度的关系在0℃～630.74℃以内为Rt＝R0（1＋at＋bt2）
式中Rt――温度为t ℃时的温度；R0――温度为0℃时的电阻；
t――任意温度；a、b――为温度系数。
该实验系统中使用了Pt100作为温度传感器。
在实际的温度测量中，常用电桥作为热电阻的测量电阻。
在如图15-1中采用铂电阻作为温度传感器。
当温度升高时，电桥处于不平衡，在a，b两端产生与温度相对应的电位差；该电桥为直流电桥。
4．温度控制系统与实验十三的直流电机转速控制相类似，虽然控制对象不同，被控参数有差别，但对于计算机闭环控制系统的结构，却是大同小异，都有相同的工作原理，共同的结构及特点。
四、实验步骤
1、实验接线
1.1 用导线将温度控制单元24V的“+”输入端接到直流稳压电源24V的“+”端；
1.2 用导线将温度控制单元0～5V的“+”输入端接到数据采集卡的“DA1”的输出端，同时将温度变送器的“+”输出端接到数据采集卡的“AD1”处；
1.3打开实验平台的电源总开关。
2、脚本程序的参数整定及运行
2.1启动计算机，在桌面双击图标“THBCC-1”，运行实验软件。
2.2 顺序点击虚拟示波器界面上的“开始”按钮和工具栏上的脚本编程器；
2.3在脚本编辑器窗口的文件菜单下点击“打开”按钮，并在“计算机控制技术应用算法”文件夹下选中“温度控制”脚本程序并打开，阅读、理解该程序，然后点击脚本编辑器窗口的调试菜单下“步长设置”，将脚本算法的运行步长设为100ms；
2.3点击脚本编辑器窗口的调试菜单下“启动”；观察温度加热器内温度的变化。
2.4 当控制温度稳定在设定值后，再点击脚本编辑器的调试菜单下“停止”，重新配置P、
I、D的参数或改变算法的运行步长，等加热器温度冷却后再次启动程序，并观察运行结果。
2.5 实验结束后，关闭脚本编辑器窗口，退出实验软件。
注：为了更好地观测温度曲线，本实验中可将“分频系数”设置到最大。
五、实验报告要求
1．画出温度控制系统的方框图。
2．分析P、I、D控制参数对温度加热器中温度控制的影响。