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温度PID 控制实验
一、实验目的
1．加深对PID 控制理论的理解；
2．认识Labview 虚拟仪器在测控电路的应用；
3．掌握时间比例P、积分I、微分D 对测控过程连续测控的影响以及提高测控系
统的精度；
4．通过实验，改变P、I、D 参数，观察对整个温度测控系统的影响；
5．认识固态继电器和温度变送器，了解其工作原理。
二、预习要点
1．PID 控制理论与传递函数。请学生在0-100 的范围里，自己选择较好的KP，
KI，KD 值，用该控制参数进行后续实验；
2．了解A/D、D/A 转换原理；
3．Labview 虚拟仪器图形软件（本实验指导书附录中对使用环境详细介绍）。
三、实验原理
温度是通过固态继电器的导通关断来实现加热的，控制周期即是一个加热和
冷却周期，PID 调节的实现也是通过这个周期实现的，在远离温度预设值的时固
态继电器在温度控制周期中持续加热（假设导通时间是T），在接近温度预设值
时通过PID 得到的值来控制这一周期内固态继电器的开关时间（假设导通时间是
1/2T）维持温度（假设导通时间是1/4T）。如图1 所示：
图 1 加热周期控制示意图
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四、实验项目
1．用PID 控制水箱温度；
2．用控制效果对比完成数据对比操作，选出最佳值。
五、实验仪器
ZCK-II 型智能化测控系统。
六、实验步骤及操作说明
1．打开仪器面板上的总电源开关，绿色指示灯亮起表示系统正常；
2．打开仪器面板上的液位电源开关，绿色指示灯亮起表示系统正常；
3，确保贮水箱内有足够的水，参照图2 中阀门位置设置阀门开关，将阀门1、3、
5、6 打开，阀门2、4 关闭；
图 2 水箱及管道系统图
4．参看变频器操作说明书将其设置在手动操作挡；
5．单击控制器RUN 按钮，向加热水箱注水，直到水位接近加热水箱顶部，完全
淹没加热器后单击STOP 按钮结束注水；
6．关闭仪器面板上的液位电源开关，红色指示灯亮起表示系统关闭；
7．打开仪器面板上的加热电源开关，绿色指示灯亮起表示系统正常；
8．打开计算机，启动ZCK-II 型智能化测控系统主程序；
9．用鼠标单击温度控制动画图形进入温度控制系统主界面，小组实验无须在个
人信息输入框填写身份，直接确定即可；
10．在温度系统控制主界面中，单击采集卡测试图标，进入数据采集卡测试程序。
请在该选项中确定选择设备号为端口1，因为我们接入数据采集卡的端口是1 号
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端口，其他数据端口留做其他方面使用的，所以切记不能选错，否则程序会报错
并强制关闭。选择采集通道时请选择0 号通道即温度传感器占用的通道。控制上、
下限选项是为设置报警电路所预设的，在本实验中暂未起用该功能，感兴趣的同
学可以试着完善它，本实验报警数值是+1V 以下和+5V 以上，这里只做了解即可。
采样点数（单位：个）、采样速率（单位：个/秒）和控制周期（单位：毫秒）请
参照帮助显示区进行操作，一切设置确认无误后即可单击启动程序图标，观察温
度和电压的变化，也可以单击冷却中左边的开关按钮进入加热程序，观察温度上
升曲线及电流表和电压表变化，确认传感器正常工作后点击程序结束，等待返回
主界面图标出现即可返回温度控制主界面进入下一步实验。
11．在温度系统控制主界面中，单击传感器标定图标，进入传感器标定程序。本
程序界面和数据采集卡测试程序界面基本相同，操作请参照步骤10 进行，一切
设置确认无误后即可单击启动程序图标，观察温度和电压的变化，同时用温度计
测量加热箱内水温，并用传感器标定控制图标完成精确标定。建议不要使用开关
按钮进入加热程序，影响标定精确度，确认标定完成后点击程序结束，等待返回
主界面图标出现即可返回温度控制主界面进入下一步实验；
12．在温度系统控制主界面中，单击简单PID 系统图标，进入简单PID 温度控
制系统程序。点击控制参数图标，进入控制参数设定界面，按照参数表1 中的小
组1 给定的预设参数填写。确定返回后点击采集参数图标按照参数表1 中的小组
1 给定的预设参数填写。确定返回后点击启动程序图标，观察实验波形，波形满
意或者超过实验10 分钟后点击停止程序图标并用事后观察观察具体波形情况并
记录数据于表2 中，记录完毕保存数据（保存的数据可以随意编辑文件名，但请
不要更换文件夹以方便教师统一管理）；
表 1
温度设定值℃ 控制周期 ms Kp Ki Kd 采样点数采样速率
小组1 30 3000 10 0 6 1000 1000
小组2 35 3000 10 8 0 1000 1000
小组3 40 3000 10 8 6 1000 1000
13．点击重置程序图标，重复步骤12 的操作按表1 中的小组2 给定的预设参数
重新设置控制参数和采集参数（重置后程序返回默认值，即使和上次一样的数值
也必须重新输入），观察、记录并保存数据；
14．重复步骤13 完成小组3 中给定数值的操作。完成后结束程序返回温度控制
主程序，进入单人实验；
15．单人实验首先单击复位（换人）图标，在个人信息输入框中正确输入您的班
级、姓名、学号，输入完成后请在本次授课实验教师处选择您的指导老师，至此
您所做实验的实验数据路径将被正式记录给您的授课教师，供其参考评分，您无
须担心，请按实验步骤继续进行实验；
16．通过实验步骤12、13、14 和您预习时找出的理想KP、KI、KD 值进行比较，
应该不难得出一个最佳的控制参数，那么还等什么，再次点击进入简单PID 温度
控制系统，在控制参数里输入您理想的PID 参数吧，如实验数据另自己满意请保
存数据用于做之后的数据对比实验。在简单PID 温度控制系统完成实验并保存数
据后，结束程序返回温度控制主程序，请点击保存程序，方便教师评定。之后下
一名同学请重复步骤15、16 完成自己的实验；
17．当全部同学完成单人实验后，在温度控制系统主界面下单击控制效果对比进
入控制效果对比程序，在路径选择右边单击打开图标选择大家保存*.dat 文件进
10
行对比，用最好的数据来完成表3。对比完毕返回主程序，点击退出程序选择程
序结束。
七、注意事项
1．个人信息输入框中输入的个人信息及本次授课实验教师处选择的指导老师务
必填写正确，由于本实验的透明性和数据的保密性，该实验无须安排考试所有
成绩按照实验数据和实验报告的好坏来评定即可（不代表学校意见）；
2．进入数据采集卡测试程序时，加热不得超过摄氏30 度（因为本系统没有制冷
装置，所以降温速度比较慢，为了后续实验的正常进行，请不要长时间加热）；
3．进入传感器标定程序后，传感器一经标定，后续实验将以标定后的值为基准，
传感器一经标定请不要退出温度控制主程序，否则标定会失效，标定只对本次实
验有效，如误操作导致程序重启请重新完成标定；
4．第1 次PID 实验时，设定温度值可能与环境温度相差较大，加热时间依情况
而定，由于条件不允许人手一台仪器做实验，所以每次实验最好在8 分钟内结束；
5．简单PID 温度控制程序和温度控制系统主界面中均有保存数据选项，单人实
验请务必按照实验步骤里的保存步骤进行保存。这个直接关系到您的实验评定及
教师评分；
6．加热前必须确保加热水箱内的液面高出加热丝，防止干烧造成实验事故。
八、实验报告
1．小组实验数据记录：
表 2
2．比较好的PID 参数设置以及实验数据：
小组 1 的Kp= Ki= Kd= 采样点数= 采样速率= 温度设定=
小组2 的Kp= Ki= Kd= 采样点数= 采样速率= 温度设定=
小组3 的Kp= Ki= Kd= 采样点数= 采样速率= 温度设定=
表3
九、思考题：
1．为什么本实验将温度的控制周期设置在3000ms？时间过短或过长都会影响到
那些地方？您能不能找到更好的控制周期呢？
2．在实际测控系统中，PID 参数是否有一个最佳理想值？