基于PCI板卡的计算机温度监控系统

南 阳 理 工 学 院 本科生毕业设计（论文）

学 院： 电子与电气工程学院 专 业： 自 动 化 学 生： ### 指导教师 ： ###

完成日期 201# 年 # 月

基于PCI板卡的计算机温度监控系统软件设计

南阳理工学院本科生毕业设计（论文）

基于PCI板卡的计算机温度监控系统

软件设计

Software Design of Computer Temperature Monitoring System

Based on PCI Card

总 计 ： 26 页 表 格 ： 2 个 插 图 ： 29 幅

基于PCI板卡的计算机温度监控系统软件设计

南 阳 理 工 学 院 本 科 毕 业 设 计（论文）

基于PCI板卡的计算机温度监控系统软件设计

Software Design of Computer Temperature Monitoring System

Based on PCI Card

学 院： 电子与电气工程学院

专 业： 自动化 学 生 姓 名： ### 学 号： ### 指 导 教 师（职称）： ### 评 阅 教 师： 完 成 日 期：

南阳理工学院 Nanyang Institute of Technol

基于PCI板卡的计算机温度监控系统软件设计

基于PCI板卡的计算机温度监控系统软件设计

### ###

[摘 要] 本课题使用力控组态软件，在自制模拟锅炉的硬件设备上，设计了温度监控系统的软件。论文简单介绍了系统软件的设计思路，详细的给出了通过力控软件设计上位机监控画面的方法步骤，重点利用力控软件组态软件中脚本语言实现PID控制算法。通过与硬件系统联机调试，实现了对锅炉水温的实时采集和监控，并分析了出现的问题以及解决方法。经过运行结果分析，满足了设计的要求。

[关键词 温度监控；PID控制算法；组态监控

Software Design of Computer Temperature Monitoring System

Based on PCI Card

Automation Specialty ###

Abstract: This issue based on the simulated boiler hardware uses the Force Control configuration software,designing the software for computer temperature monitoring system. This paper briefly introduces the idea of design,and giving the detailed steps of designing control software monitor screen on upper computer through Force Control software, fousing on using the script language of force control configuration software to realize the PID control algorithm.Through online debugging within hardware system,achieving the real-time acquisition and monitoring of the temperature for boiler water,and analyzes the problems and solutions.It meets the design requirements after the analysis of the operation results.

Keywords：Temperature control; PID control regulator; onfiguration software

I

基于PCI板卡的计算机温度监控系统软件设计

目 录

1 引言 .................................................................... 1

1.1 系统设计的背景及意义 .............................................. 1 1.2 系统设计的目的 .................................................... 2 1.3 论文的组织结构 .................................................... 2 2 系统硬件介绍 ............................................................ 2

2.1 系统硬件设计思路 .................................................. 2 2.2 硬件介绍 .......................................................... 3 2.3 模拟信号的输入连接 ................................................ 6

2.3.1 单端模拟信号输入连接 ......................................... 6 2.3.2 差分式模拟信号输入连接 ....................................... 6 2.3.3 小结 ......................................................... 7

3 系统软件设计 ............................................................ 7

3.1 系统软件设计思路 .................................................. 7 3.2 上位机监控画面的设计 .............................................. 8

3.2.1 上位机监控软件的选取 ......................................... 8 3.2.2 力控组态软件组态监控画面的设计 ............................... 8 3.3 温度数据的标度变换 ............................................... 17 3.4 控制算法的设计 ................................................... 17

3.4.1 算法的选择 .................................................. 17 3.4.2 PID控制算法的程序设计 ...................................... 18 3.4.3 PID控制算法的参数整定 ...................................... 18 3.4.4 PWM程序的设计 .............................................. 19 3.5 采样周期的选取 ................................................... 19 4 系统的调试与运行及出现问题解决方法 ..................................... 21

4.1 运行结果及分析 ................................................... 21 4.2 问题以及解决方法 ................................................. 22 结束语 ................................................................... 24 参考文献 ................................................................. 25 附录 ..................................................................... 26 致谢 ..................................................................... 28

II

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1 引言

1.1 系统设计的背景及意义

国外温度控制系统发展迅速，并在智能化、自适应、参数自整定等方面取得成果，以日本、美国、德国等国技术领先。近年来，在我国以信息化带动的工业化正在蓬勃发展，温度已成为工业对象控制中一个重要参数，特别是在冶金、化工和机械等各类工业中，广泛使用各种加热炉、热处理炉、反应炉等。传统的生产方案已经不满足高精度、高速度的要求。近年来快速发展出现了许多先进的温度控制方式，如：计算机控制、PID控制、模糊控制、神经网络及遗传算法控制等等。这大大提高了控制精度，提高了生产效率。

温度是生产过程和科学实验中非常普遍而又十分重要的物理参数。在工业生产过程中，为了高效地进行生产，必须对生产工艺过程中的主要参数，如温度、压力、流量、速度等进行有效的控制，其中温度控制在生产过程中占有相当大的比例。准确地测量和有效地控制温度是优质、高产、低耗和安全生产的重要条件，如冶金工业的加热炉、电力工业的锅炉、化学工业的反应炉等设备，通过对温度的监控，保证产品的质量。即使日常生活中的微波炉、电烤箱、电热水器、空调等家用电器也同样需要温度监控[1]。可见温度监控广泛应用于社会生活的各个领域，所以对温度进行监控是非常有必要和有意义的。

加热炉温度控制系统是比较常见和典型的过程控制系统，温度是工业生产过程中重要的被控参数之一，冶金﹑机械﹑食品﹑化工等各类工业生产过程中广泛使用的各种加热炉﹑热处理炉﹑反应炉，对工件的处理均需要对温度进行控制。因此，在工业生产和家居生活过程中常需对温度进行检测和监控。由于许多实践现场对温度的影响是多方面的，使得温度的控制比较复杂，传统的加热炉电气控制系统普遍采用继电器控制技术，由于采用固定接线的硬件实现逻辑控制，使控制系统的体积增大，耗电多，效率不高且易出故障，不能保证正常的工业生产。随着计算机控制技术的发展，传统继电器控制技术必然被基于计算机控制技术所取代。而计算机本身优异的性能使基于 PCI板卡的温度控制系统变的经济高效稳定且维护方便。这种温度控制系统对改造传统的继电器控制系统有普遍性意义。

由于温度自身的一些特点，如惯性大、滞后现象严重、难以建立精确的数学模型等，传统的控制方式由于其控制精度不高、不能及时跟踪对象特性变化等原因造成控制系统性能不佳。本文基于这一特点，研究了一种智能控制方案，计算机控制方案。并将控制方案成功运用于对实验室电炉中水的温度进行控制。由此可见，本课题的设计方案具有可行性和一定的推广性，若能应用与实际生产中，将对提高企业自动化水平、降低生产

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成本、减轻工人劳动强度等方面起到积极的促进作用[2]。

1.2 系统设计的目的

本设计用工业控制计算机作控制器，设计单闭环温度控制的软件系统，对模拟电加热锅炉的温度对象进行控制。借助于PCI板卡的输入输出通道来实现温度采集、输出驱动，并在上位机的组态软件中实现PID控制算法，同时用组态软件设计监控界面来实现温度的显示控制。通过此课题的设计，能够使自动化的学生对工业过程控制对象具有进一步的了解，同时熟练掌握自动化控制系统的设计流程，为就业打下坚实基础。

1.3 论文的组织结构

本设计以自制模拟锅炉为平台，设计了基于PCI板卡的计算机温度监控系统的软件系统。本文共分四章，内容组织如下：

第1章：引言。主要介绍了课题研究的背景和意义、温度对象的特点以及本设计的目的和论文的组织结构。

第2章：系统硬件介绍。介绍了控制系统硬件设计思路、硬件以及信号连接的介绍。 第3章：系统的软件设计。首先设计控制系统的软件设计思路、设计了温度数据的标度变换、然后进行上位机监控画面的设计、控制算法的设计以及采样周期的选取。

第4章：系统调试与运行及常见的问题分析。通过前几章设计出了计算机温度监控系统，本章主要是通过试验验证温度控制系统调节参数是否达到要求，并对结果进行分析，以及设计过程中出现问题的解决方法。

2 系统硬件介绍

2.1 系统硬件设计思路

在化工、石油、冶金等生产过程的物理过程和化学反应中，温度往往是一个很重要的变量，因此它需要准确地加以监控。温度监控系统常用来保持温度恒定或者使温度按照某种规定的规律变化[3]。温度监控是控制系统中最为常见闭环控制类型，它的原理图如图1所示。

设定温度+-测量装置+调节器执行机构被控对象当前温度

图1 温度控制系统方框图

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温度监控系统由被控对象、测量装置、调节器和执行机构构成。测量装置对被控锅炉中水的温度进行测量，并将测量值与给定值比较，若存在偏差便由控制算法对偏差信号进行处理，再输送给执行机构来启动或停止加热丝工作给被控对象的进行加热，使被控水的温度调节到设定值。被控对象是锅炉中水的温度。

基于上述理论设计出本系统。本系统硬件部分主要有：研华PCI1710HG多功能板卡、PCL-10168型电缆、ADAM3968接线端子板、SWBZ型变送器、HH52P型固态继电器、CJ20-10型接触器、电热炉、温度传感器PT100，控制系统结构图如图2所示。

PCI1710HG多功能板卡电 加热锅炉PT100SWBZ型变送器CJ20-10型交流接触器HH52P型继电器ADAM-3968接线端子板计 算机 图2 控制系统结构图

2.2 硬件介绍

（1）PCI1710HG多功能板卡介绍

PCI1710HG是一款功能强大的、低成本的、多功能的PCI总线数据采集卡，如图3所示。其先进的电路设计使得它具有更高的质量和更多的功能，这其中包含5种最常用的测量和控制功能：16路单端或8路差分模拟量输入、12位A/D转换器（采样速率可达到100kHZ）、2路12位模拟量输出、16路数字量输入、16路数字量输出及计数器/定时器功能。

PCI1710HG多功能板卡的主要特性如下：单端或差分混合的模拟量输入、FIFO存储器、可编程计数器、支持即插即用功能[4]。

图3 PCI1710HG多功能卡

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（2）接线端子板和电缆

用PCI1710HG板卡构成完整的测控系统还需要接线端子板和通信电缆，如图4所示。

图4 PCI1710HG构成的测控系统

电缆采用PCL-10168型电缆，如图5所示。PCL-10168型电缆是两端针型接口的68芯SCSI-II电缆，用于连接板卡与ADAM-3968接线端子板。该电缆采用双绞线，并且模拟信号线和数字信号线是分开屏蔽的，这样能使信号间的交叉干扰降到最小，并使EMI/EMC问题得到最终的解决[5]。

图5 PCL-10168电缆

接线端子板采用ADAM-3968型端子板，如图6所示。ADAM-3968型端子板是DIN导轨安装的68芯SCSI-II接线端子板，用于各种输入输出信号线的连接。ADAM-3968接线端子板位置功能及信号描述见表1。

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图6 ADAM-3968接线端子板 表1 位置功能及信号描述

信 号 名 称 AI < 0～15 > AIGND AO0_REFAO1_REF AO0_OUTAO1_OUT AOGND DI < 0～15 > DO < 0～15 > DGND CNT0_CLK CNT0_OUT CNT0_GATE PACER_OUT TRG_GATE EXT_TRG +12V +5V 参 考 端 AIGND - AOGND AOGND - DGND DGND - DGND DGND DGND DGND DGND DGND DGND DGND 方 向 Input - Input Output - Input Output - Input Output Input Output Input Input Output Output 描 述 模拟量输入通道：0～15 模拟量输入地 模拟量输出通道0/1外部基准电压输入端 模拟量输出通道：0/1 模拟量输出地 数字量输入通道：0～15 数字量输出通道：0～15 数字地（输入或输出） 计数器0通道时钟输入端 计数器0通道输出端 计数器0通道门控输入端 定速时钟输出端 A/D外部触发器门控输入端 A/D外部触发器输入端 +12V直流电源输出 +5V直流电源输出 5

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2.3 模拟信号的输入连接

2.3.1 单端模拟信号输入连接

PCI1710HG提供16路模拟量输入通道，当测量一个单端信号时，只需一根导线将信号连接到输入端口，被测的输入电压以公共地为参考。没有地端的信号源称为浮动信号源在这种模式下，PCI1710HG为外部浮动信号源提供一个参考地。测量单端模拟信号输入，标准连接方法，如图7所示。 2.3.2 差分式模拟信号输入连接

PCI1710HG有16个模拟输入通道，可以设置成8对差分式输入通道。差分输入需要两根线分别接到两个输入通道上，测量的是两个输入端的电压差。如果信号源连有参考地，则PCI1710HG的地端和信号源的地端之间会存在电压差，这个电压差会随信号源输入到输入端，这个电压差就是共模干扰。为了避免共模干扰，可以将信号地连到低电压输入端，连接方式如图8所示。通过这种连接方式，可以消除在信号源和板卡地之间的共模干扰电压V（CM）。

InternalAI0AI1ExternalMultiplexerAI15+PGIAMeasured VmVoltageAIGND+Floating Signal VsSource--

I/O Connecter图7 单端模拟信号输入连接

如果是一个浮动信号源连接到差分输入端，信号源可能会超过PGIA的共模输入范围，PGIA过饱和将不能正确读出输入电压值，因此必须将浮动信号源的两端连接到AIGND，如图8所示。将浮动信号源的两端分别通过一个电阻连接到AIGND，这种连接可以消除信号源同板卡地之间的共模电压。

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InternalAIOAI2ExternalMultiplexerAI14+PGIAMeasured VmVoltageAI1AI3+Groundreterenced VsSignal Source--MultiplexerAI15AIGND+Vcm-I/O Connecter图8 差分式模拟信号输入连接

2.3.3 小结

因为温度信号是一个变动的信号，当这个信号连接到差分输入端信号源可能会超过PGIA的共模输入范围，PGIA过饱和将不能正确读出输入电压值，因此必须将浮动信号源的两端连接到AIGND，这样可以消除信号源同板卡地之间的共模电压，但是这样做的缺点就是串联的两个电阻增大了信号源负载。大部分低频电平信号都采用单端模拟信号连接，所以本设计不采用差分式模拟信号输入连接而采用单端模拟信号连接。

3 系统软件设计

3.1 系统软件设计思路

在深入学习研华PCI1710HG数据采集板卡、力控组态软件、PID算法的基础上进行温度控制系统的软件设计。软件设计主要包括上位机监控画面的设计、温度数据的标度变换、PID算法的设计以及采样周期的选取[6]。上位机监控画面的设计主要包括设计监控主画面、设计报警画面、设计报表画面、设计事件记录画面。系统的脚本语言程序主要分为：主程序、PID控制算法程序、PWM程序。主程序的主流程图如图9所示。

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开始启停开关状态按下LO报警A=<0SPA=SP-LOA>0HI报警B=<0B=HI-SPB>0E=SP-PV=0？否PV 采集到的当前温度值SP 设定温度值LO 设定温度下限值HI 设定温度上限值E 设定温度与当前温度偏差A 设定温度与设定温度下限值差B 设定温度与设定温度上限值差E=SP-PV>0运行指示灯亮弹起是运行指示灯亮否报警指示灯亮是PID算法计算PWM输出子程序 图9 程序的主流程

3.2 上位机监控画面的设计

3.2.1 上位机监控软件的选取

由于力控组态软件拥有：支持主流操作系统、丰富的图像处理能力、卓越的交互式容器、强大的报警事件处理、灵活的报表生成器等优点，所以用它来设计上位机的监控画面。下面介绍力控组态软件监控画面的设计[7]。 3.2.2 力控组态软件组态监控画面的设计

（1）打开工程管理器用鼠标点击“新建应用”，根椐新建向导建立一个新工程如图10所示。

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图10 创建新工程

（2）力控I/O组态

在工程项目下双击“I/O设备组态”，对“PCI1710HG板卡”硬件进行组态，其组态画面如图11所示。

提示：一个I/O驱动程序可以连接多个同类型的I/O设备。每个I/O设备中有很多数据项。

（3）数据库的连接 创建数据库点的步骤：

在Draw导航器中双击“实时数据库”项使其展开，在展开项目中双击“数据库组态”启动组态程序DBMANAGER（如果没有看到导航器窗口，激活Draw菜单命令“查看/导航器”）。

启动DBMANAGER后出现如图所示的DBMANAGER主窗口。

单击菜单条的“点”选项选择新建或双击单元格，出现“请指定区域、点类型。 数据连接 我们在前面创建了一个名为“PCI1710”的I/O设备，将新建的点与该I/O设备进行连接如图12所示。

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图11 工程定义图

图12 I/O设备连接

其中“AA”点的“I/O连接”如图13所示；模拟I/O点参数设定，如图14所示。其它模拟点参数和数字点参数设置如果要与I/O设备（PCI1710）连接，也是如此。

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图13 I/O连接

图14 模拟I/O点参数设定

数据库组态完毕后，在“温度实时曲线”窗口中创建温控监控画面，如图15所示。

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图15 温度实时曲线画面

其中“实时曲线”内参数设定如下图16所示。

图16 “温度实时曲线”内参数设定

在“温度实时曲线”中参数点关联如图17所示。

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图17 参数点关联

其它参数点如sv、pv、mv0、KP、KI、KD、relay、启停开关也是如此设定。 （4）力控脚本语言的编程

打开“工程项目”内的“动作”，选择“应用程序动作”。

图18 进入动作脚本程序

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此程序只是在系统运行初期给各个参数赋值，在系统运行后可以在监控画面修改各个参数的值。力控的运行环境为温控系统不变，力控的作用为整个温控监控系统的PID调控与监控。

在“程序运行周期执行”内编写如下脚本，如图19所示。

至此，PID温控上位机监控系统就完成数据连接、I/O组态、脚本语言编写，双击保存，然后进入运行监控画面的设计。

图19 力控脚本语言

（5）监控画面设计

进行主画面的设计，设计好的主画面有:监控主画面（主要实现系统的监控），如图20所示；报警窗口画面（主要实现系统的超限报警功能），如图21所示；报表窗口画面（主要实现系统的数据记录），如图22所示；事件记录窗口画面（主要实现系统

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事件记录功能），如图23所示。

图20 主界面图

图21 报警窗口画面

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图22 报表窗口画面

图23 事件记录窗口画面

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3.3 温度数据的标度变换

在控制回路中，热电阻将检测到的温度信号经SWBZ型温度变送器送给PCI板卡模拟量输入通道。因为温度变送器输出端串联了250Ω电阻，所以输送到板卡的输入端的信号为1～5v DC的电压信号。在变量定义时通过设置变量的参数将该值转换成0-100（℃）的工程量（实数），参数设置如图24所示。设定温度值与当前温度值做比较，差值经PID算法运算后得到的结果给程序，要用PWM输出程序将PID算法结果转换为脉冲信号输出给继电器，由继电器控制接触器控制电锅炉加热。

3.4 控制算法的设计

3.4.1 算法的选择

工业生产过程中，对于生产装置的温度、压力、流量、液位等工艺变量常常要求维持在一定的数值上，或按一定的规律变化，以满足生产工艺的要求。PID控制算法的原理是对整个控制系统进行偏差调节，从而使被控两的实际值与工艺要求的预定值一致。因为PID控制算法具有：技术成熟、容易被人们熟悉和掌握、不需要建立数学模型、控制效果好、鲁棒性等优点，所以PID控制算法成为应用最广泛的控制算法[8]。

计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量[9]。因此连续PID控制算法不能直接使用，需要采用离散化方法。由于工业生产过程大多数是缓慢变化的过程，因此只要控制机的采样周期T取得足够短，断续控制形式就趋于连续控制形式。数字PID控制算法又分增量式PID控制算法和位置式PID控制算法，由于位置式PID控制算法控制精度比较高，而增量式PID控制算法有：积分截断效应大、有静态误差、溢出的影响大等缺点，所以本设计选用的控制算法是位置式PID控制算法[10]。

图24 变量参数的设置

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3.4.2 PID控制算法的程序设计

位置式PID算法的流程图[11]如图25所示。

子程序入口E=SP-PV计算MP=K*E计算MI=K*Ts/Ti*E+MX计算MD=K*Td/Ts*(En-En-1)计算M=MP+MI+MD子程序返回

图25 位置式PID控制算法流程图

位置式PID控制算式：

TPn?Kc[en?sTin?ei?i?0nTd(en?en?1)] （1） Ts其中：

?e 等于程序中MX

ii?0 Pn 为第n次采样时计算机输出值

en 为第n次采样时偏差值 Ts 采样周期 Kc 比例增益 Ti 积分时间 Td 微分时间

3.4.3 PID控制算法的参数整定

PID控制算法参数整定的方法很多，概括起来有如下两大类：

（1）理论计算整定法。它主要依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接使用，还必须通过工程实际进行调整和修改。

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（2）工程整定法。它主要依赖于工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。PID控制算法参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。这三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后的调整与完善[12]。

本文采用经验法整定PID控制算法参数，下面具体说明经验法的整定步骤： （1）让调节器参数的积分系数I=0，微分系数D=0，控制系统投入闭环运行，由小到大改变比例系数P，让扰动信号作阶跃变化，观察控制过程，直到获得满意的控制过程为止。

（2）取比例系数P为当前的值乘以0.83，由小到大增加积分系数I，同样让扰动信号作阶跃变化，直至得到满意的控制过程。

（3）积分系数I保持不变，改变比例系数P，观察控制过程有无改善，如有改善则继续调整，直到满意为止。否则，将原比例系数P增大一些，再调整积分系数I，力求改善控制过程。如此反复试凑，直到找到满意的比例系数P和积分系数I为止。

（4）引入适当的微分系数D，此时可适当增大比例系数P和积分系数I。和前述步骤相同，微分系数的整定也需反复调整，直到控制过程满意为止。

经验法简单可靠，但需要有一定的现场运行经验，整定时易带有主观片面性。当采用PID控制算法时，由于有多个整定参数，反复试凑的次数增多，因此增加了得到最佳整定参数的难度。

需要注意的是：本设计所用到PID控制算法的参数与的工业上PID控制算法的参数有所不同，工业中由于对象的体积大、容量大、控制室距离现场较远等因素，所以其PID控制算法的参数普遍比本设计的大。书上、参考资料上的的PID控制算法的参数多数都是从工业生产过程中得来的，因此此经验数据不适应作本设计PID控制算法的参数。

3.4.4 PWM程序的设计

脉冲宽度调制（PWM），是英文“Pulse Width Modulation”的缩写，简称脉宽调制，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中[13].。

本设计采用脉宽调制方式（PWM）输出，PID算法输出流程图如图26所示。

3.5 采样周期的选取

按一定的时间间隔T，把时间上连续和幅值上也连续的信号，转变成在时刻0、

2T、…、kT的一连串脉冲输出信号的过程称为采样过程。执行采样动作的开关S称为

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采样开关或采样器采样后的脉冲序列y*?t?称为采样信号，采样器的输入信号y?t?称为原始信号，采样开关每次通断的时间间隔T称为采样周期。采样信号y?t?在时间上是离散的，但在幅值上仍是连续的，所以采样信号是一个离散的模拟信号[14]。采样过程如图27所示。

程序入口TP=0?TP=0mv.pv=MN/100*50TP=50NUM=0TP≠0A=mv.pv-1A<0AO.PV=0加热指示灯=0A≥0AO.PV=1加热指示灯=1mv.pv=mv.pv-1NUM=NUM+1TP=TP-1加热指示灯=0TP：调用PWM的次数mv.pv:控制输出AO.PV：数字量输出参数A：中间参数NUM：计数参数NUM=50？NUM=50PID运算NUM≠50

图26 PID算法输出程序流程图

从信号的采样过程可知，经过采样不是取全部时间上的信号值，而是取某些时间上的值。这样处理会不会造成信号丢失呢？香农采样定理指出：如果模拟信号（包括干扰在内）频谱最高频率为fmax，只要按照采样频率f?2fmax进行采样，那么采样信号y*?t?就能惟一的复观y?t?。采样定理给出了y*?t?能惟一的复观y?t?所必需的最低采样频率。实际应用中，常取f??5?10?fmax，甚至更高。

采样周期的确定需要注意以下事项：

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（1）从执行机构的特性要求来看，有时需要输出信号保持一定的宽度。采样周期必须大于这一时间。

（2）从控制系统的随动和抗干扰的性能来看，要求采样周期短些。 （3）从微机的工作量和每个调节回路的计算来看，一般要求采样周期大些。 （4）从计算机的精度看，过短的采样周期是不合适的。

y(t)y(t)Sy*(t)采样器y*(t)0t0T2T3Tt

图27 信号采样过程

经过多次调试设置，采样周期T选为1s采样效果最好，且信号采样不失真，如图28所示。

图28 采样周期选取

4 系统的调试与运行及出现问题解决方法

4.1 运行结果及分析

经过多次的参数设置的调试，对比各组设置参数的调节效果得出：当程序中PID设置参数如表2所示参数时控制效果最好。

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表2 参数表

参数 1 T 5s KI 120s KD 0s KP 1800 总结：本系统的控制核心是PID控制算法，难度是PID参数整定。图29系统运行曲线的初始温度34.5℃，设定温度45℃，经过8分钟的调节系统稳定，实际温度达到设定温度，稳态误差为0.3℃，超调量几乎为零。本设计中温度能达到设定温度，而且超调量较小，稳态效果很好[15]。

图29 系统运行曲线

4.2 问题以及解决方法

在长达十二周的毕业设计中，自己碰到了不少问题。曾经，为了解决这些问题也花费了较多的时间。当然，这也使自己对实际工程中所遇到或者可能遇到的问题有了个提前认知。

（1） 上位机采集不到现场的数据

解决方法：原因是温度传感器与变送器接线有错误、松动，板卡使用的通道设置错误，在利用力控软件进行I/O设备组态的时候板卡应选研华PCI1710HG。

（2） 上位机的输出控制信号控制不了电加热炉

解决方法：上位机组态软件中查看数字量输出通道的设置与当前连线的通道不一致。

（3） 系统稳定后误差比较大

解决方法：误差产生的原因有：温度对象是大惯性对象、计算机控制信号从发出到固态继电器的吸合，再到加热丝停止加热，这过程中存在时间误差、硬件灵敏度不够精

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确等等。

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结束语

组态软件以其可靠性高、抗干扰能力强、界面简单、功能强大、性价比高、体积小、能耗低等显著特点广泛应用于现代工业的自动控制之中。

本次设计主要采用力控组态软件ForceControl6.1，简单介绍了系统的目的意义，硬件设计思路，硬件介绍，模拟信号的输入连接，其中详细阐述了力控组态软件ForceControl6.1的创建工程、设计画面流程和PID控制算法的知识。

在力控组态软件的基础上设计出了锅炉温度监控系统，并设计出PID控制算法的程序，该系统达到了预期目标，但是由于我们的设备性能有限该系统还有一些不足的地方例如“当前值和设定值有误差、精度还不够高”需要不断地改进，如果有充足时间的话我们在老师的帮助下进行不断的实践，做一些改进系统才会更加完善。

整个系统操作简单、控制方便，大大提高了系统的自动化程度和实用性和控制精度。

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基于PCI板卡的计算机温度监控系统软件设计

参考文献

[1] 孙增析.智能控制的理论与技术[J].控制与决策,1996.11(01):1-8 [2] 吴麒，王诗密.自动控制原理[M].北京：清华大学出版社,2006.8:10-40

[3] 翟天嵩，刘忠超，米建伟.计算机控制技术与系统仿真[M].北京：清华大学出版社,2012.9: 20-30

[4] 北京研华科技有限公司.研华PCI1710HG板卡使用说明书[EB/OL],2003,http:// www. advantech.com.tw/default.aspx

[5] 北京研华科技有限公司.ADAM-3968接线端子板使用说明书[EB/OL],2003,http://www. advantech.com.tw/default.aspx

[6] 李江全.计算机控制技术项目教程[M].北京：机械工业出版社,2009.2:22-26 [7] 北京三维力控.力控参考手册,2003,http://www.sunwayland.com.cn

[8] Astrom K.J,Hagglund T．PID Controllers：Theory,Design and Tuning[M],2nd Edition Research TrianglePark,North Carolina：Instrument Society of America,1995 [9] 俞金寿，孙自强.过程控制系统[M].北京：机械工业出版社,2009.1:20-26

[10] Hang C．C．,Ho W．K．,Cao L．S．A comparison of two design methods for PID controllers[M] ISA TRANS,l994

[11] 霍罡，曹辉.可编程序控制器模拟量及PID算法应用案例[M].北京：高等教育出版社,2008.3: 20-25

[12] 黄友锐，曲立国.PID控制参数整定与实现[M].北京：科学出版社,2010.1:12-15 [13] 吴守箴.电气传动的脉宽调制控制技术[M].北京：机械工业出版社,2004.2:12-30 [14] 于海生.计算机控制技术[M].北京：机械工业出版社,2011.9:10-50

[15] 戴连奎，于玲，田学民.等.过程控制工程[M].北京：化学工业出版社,2010.1:44-50

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基于PCI板卡的计算机温度监控系统的软件设计

附录

附录1：PID算法程序 IF star.PV==1; THEN shangdianzhishideng=1; IF AA.PV>=sv.PV THEN AO.PV=0;

baojingzhishideng=1; ELSE

baojingzhishideng=0;

IF TP==0 THEN //PWM程序 mv.PV=MN/100*50; TP=50; NUM=0; ENDIF

IF mv.PV>=1 THEN AO.PV=1; jiarezhishideng=1; mv.PV=mv.PV-1; ELSE AO.PV=0; jiarezhishideng=0; ENDIF NUM=NUM+1; TP=TP-1;

IF NUM==50 THEN

E=sv.PV-AA.PV; //标准位置式PID算法 MP=Kp*E; //比例调节 IF TI==0 THEN MI=0; ELSE

KI=mi1+Kp*T/TI; MI=KI*E;

ENDIF IF MI>50 THEN MI=50; ELSE

IF MI<=0 THEN MI=0; ELSE MI=MI; ENDIF ENDIF

IF （E>=0.5）&&（E<=0.7）MI=0; ENDIF mi1=MI; KD=Kp*TD/T; MD=KD*（E-E1）; E=E1;

MN=MP+MI+MD; SWITCH （MN） CASE -9999 TO 0: MN=0;

CASE 100 TO 99999: MN=100 DEFAULT: MN=MN; ENDSWITCH endif endif Endif End

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附录2：变量表

变量表 名称 Kp KI KD TI TD E E1 A B C T MN AA sv -- -- 中间/全局变量 中间变量 中间变量 中间变量 中间变量 中间变量 中间变量 中间变量 中间变量 中间变量 中间变量 中间变量 中间变量 全局变量 全局变量 -- -- 变量类型 实型 实型 实型 实型 实型 实型 实型 实型 实型 实型 实型 实型 -- -- -- -- 注释 比例系数 积分系数 微分系数 积分时间 微分时间 偏差 偏差前值 系数 系数 系数 PID控制周期 PID计算结果 采集温度 设定温度 -- --

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致谢

首先感谢导师###，本设计是在#老师的细心指导下完成的，对我整个毕业设计理论知识和论文的撰写倾注了大量的心血，他渊博的知识、严谨工作作风和无比投入的工作精神都带给我深刻的影响。还有感谢###老师、###老师、###老师以及所有培养过我的老师，你们不但让我学习了详细的理论知识，更重要的是为我营造了一种精神氛围，对我的成长有着重要意义。同时还要感谢###、###、###，谢谢他们在我毕业设计过程中给予我的帮助，以及二年的大学生活的帮助。还要感谢那些默默关心我和默默支持我的人，他们同样充实了我的大学生活。最后要感谢我的父母，是他们给予我人生道路上最坚实的支持和不断向上的动力。

#年的大学生活转瞬即逝，我很自豪我来到了南阳理工学院，来到了南阳理工学院电子与电气工程学院，是你们教会我如何做学问，如何去看待一些人和事，这是我一生的财富，在此请接受我诚挚的谢意！

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