基于参数自整定模糊PID控制的抗生素发酵罐温度控制系统_梁云峰

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0 引言

温度是抗生素发酵过程中最重要的过程参数之一，发酵罐温度的控制是发酵控制过程中的一个重要环节，其控制精度直接影响到发酵的成败。但是，由于发酵过程中的温度是具有很大的滞后性、时变性和非线性的受控对象，再加上发酵过程中温度的变化规律因培养菌种的不同而不同，因此控制比较困难。传统的PID 控制已不适用于该控制对象。根据该厂的控制系统的现状和抗生素生产的工艺要求，将PID 控制和模糊控制相结合起来的参数自整定模糊PID 控制用于发酵罐的温度控制，实现在线修正PID 参数。

1 发酵罐温度的检测和数学模型的建立

1.1 发酵罐温度的检测

温度的检测采用TTR-Pt100一体化温度变送器，其由传感器和变送器两部分组成，安装于发酵罐侧壁，输出与温度成正比的4～20mA 直流电流信号。根据厂家的要求，发酵罐的温度控制偏差为：±0.5℃。发酵罐温度是通过蛇形管间接冷却控制的，通过控制调节阀的开度，来改变通过调节阀冷却水的流量，达到温度控

制的目的。

1.2 发酵罐温度数学模型的建立

发酵过程中，随着微生物菌种对培养基的利用和机械搅拌作用将产生一定的热量，同时，发酵罐的罐壁散热和水分蒸发也会带走一些热量，总之，发酵过程中产生的热量，叫做发酵热。发酵热包括生物热Q 生物、搅拌热Q 搅拌、蒸发热Q 蒸发和辐射热Q 辐射等，是引起发酵过程中温度变化的原因。发酵热是随时间变化的，通过在夹套或蛇形管通入冷却水，来维持一定的发酵温度。在此不考虑发酵液与罐壁之间的热量传递，发酵罐内的热平衡方程为：

(1)

其中：M 1为发酵液的质量；M 2为发酵罐的质量；c 1为发酵液的比热，kJ/(kg ·℃)；c 2为发酵罐材料的比热，kJ/(kg ·℃)；S 为温度上升速率，℃/h ；M 为近似后发酵液的总质量，kg ；c 为近似后发酵液的总比热，kJ/(kg ·℃)；θ为发酵罐内的温度，℃。

对(1)式进行拉氏变换得

：

(2)

收稿日期：2011-07-11

基金项目：宁夏大学科学研究基金资助项目（ndzr09-31）

作者简介：梁云峰（1977 -），男，宁夏固原人，讲师，硕士，研究方向为机电系统智能控制。基于参数自整定模糊PID控制的抗生素发酵罐

温度控制系统

The temperature control system of antibiotic fermentor based

on parameters auto-tuning fuzzy PID controller

梁云峰，谷凤民，虎恩典，郭学东

LIANG Yun-feng, GU Feng-min, HU En-dian, GUO Xue-dong

（宁夏大学 机械工程学院，银川 750021）

摘 要：针对抗生素发酵过程中的发酵罐温度具有滞后性、非线性以及很难建立精确的数学模型等特性，本控制系统采用参数自整定模糊PID控制算法对发酵罐的温度进行控制，通过MATLAB仿真及实践应用表明，参数自整定模糊PID控制有效地改善了传统PID控制的缺陷，保证了发酵罐温度的精确控制，克服了温度对象时滞特性。同时对参数自整定模糊PID控制算法的三种实现方式进行了论述。

关键词：参数自整定；模糊PID；发酵罐；温度控制系统

中图分类号：TP273 文献标识码：B 文章编号：1009-0134(2011)9(上)-0060-04Doi: 10.3969/j.issn.1009-0134.2011.9(上).20

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发酵罐本身是一个较复杂的被控对象，它具有非线性、时变性等特点。发酵罐温度是通过向夹套中通入冷水或热水进行调节控制的，当通入冷水或热水后，发酵罐温度变化存在一定的滞后性；另外，用传感器测量温度时，温度信号转换为电信号具有一定的纯滞后；其余环节可视为比例环节。结合(2)式，所以该系统应是一个一阶惯性环节附加一个滞后环节，即系统模型具有的形式[2,3]为：

系统的动态特性（飞升曲线）的测定方法[4]如下：

1）使系统在手动状态下工作，当系统平衡后，突然加一个干扰信号（阶跃信号），输出变化对应一条曲线，此即为飞升曲线。用仪表记录下的发酵罐飞升曲线如图1所示。

2）实测的曲线在起始部分有弯曲，不易找到确切的位置确定参数，可在曲线最大斜率处做一条切线，与时间轴的交点即为纯滞后时间τ，与稳态值的交点时间即为纯滞后时间和时间常数T 的和，这样就求出一阶对象的参数T 、τ。

3）

数K s 。的三个参数K s 、τ、T 。飞升曲线知，T=190、纯滞后时间τ=50、K s =4。

从以上分析计算，监控系统组态王KingView 线，得到本系统的数学模型为：

!)*t

f t t H 612

2:15?,> 2 发酵罐温度的参数自整定模糊PID 控制算法的原理及MATLAB 仿真

2.1 发酵罐温度的参数自整定模糊PID 控制算法的 原理

模糊自适应PID 控制器主要由参数可调整的PID 控制器和模糊推理器两部分组成，模糊推理器以偏差e 和偏差变化率ec 作为输入，以常规PID 控制器的三个参数K p 、T i 、T d 为输出，采用模糊推理方法实现对参数K p 、T i 、T d 的调整，以满足不同时刻偏差e 和偏差变化率ec 对PID 参数自调整的要求，其方框图如图2所示。

图2 参数自整定模糊PID 控制器方框图

取模糊语言变量e 、ec 、?K p 、?T i 、?T d 的论域

均为[-6，+6]，确定它们的隶属度函数（取三角形隶属函数或梯形），并根据不同偏差及偏差变化率对PID 参数的要求及现场调节的经验，得输出变量?K p 、?T i 、?T d 的模糊控制规则表，再由模糊控制规则表对输入语言变量量化后的各种组合通过模糊逻辑推理离线计算出每一个状态的模糊控制器输入，最终生产一张模糊控制表，表1给出了变量?K p (?T i 、?T d 同理）的模糊控制规则。

表1 ΔK p 模糊控制表

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2.2 发酵罐温度的参数自整定模糊PID 控制算法的 MATLAB 仿真

在MATLAB/Simulink 环境中对该参数自整定模糊PID 控制器进行仿真，其仿真过程为：1）确定模糊控制器的类型与结构；2）编辑输入、输出变量的隶属函数；3）编辑模糊控制规则；4）创建仿真框图（取该系统的传递函数

为

5）进行仿真前用READFIS 命

令将发“酵罐温度.FIS 文件”加载到糊控制器模块（Fuzzy Logic Controller ）中（双击FuzzyLogic Controller 模块并在Parameters 中输入READFIS 命令打开所建立的文件）；6）运行仿真[5]。仿真结果如图3所示。

PID

Fuzzy PID

图3 PID 控制阶跃响应和模糊PID 控制阶跃响应

分析仿真结果：由在单位阶跃信号下的常规PID 控制与模糊自适应PID 控制器的响应曲线可知，模糊自适应PID 的控制方式获得的系统动态响应曲线较好，响应时间短、超调量小，且稳态精度高，系统遇到干扰时能很快恢复稳态，动静态性能好。

3 发酵罐温度的参数自整定模糊PID 控制算法的三种实现方式

3.1 采用PLC 实现

以PLC 作为控制器，通过PLC 相应的编程软件（如在西门子PLC 的编程软件STEP7中，通过用梯形图或SCL 语言编制程序实现模糊PID 控制），编程实现模糊PID 控制，其程序流程[6]如图4所示。控制结构图如图5所示。

1）若PLC 选用西门子S7-200系列，则使用PC/PPI 电缆连接上位机的COM 口与PLC 的编程口，实现PLC 和上位机的通讯。

2）若选用西门子S7-300/400系列，则使用PC

图4 模糊PID

控制算法程序流程图

图5 采用PLC 的控制系统结构图

适配器（PC Adapter ，实现RS232到RS485接口的电平转换和RS232到MPI 协议的转换）连接

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Siemens S7-300/400 系列PLC 的MPI 口（RS485）和PC 的COM 口（RS232），即可实现PLC 和上位机的通讯；或者将MPI 通讯卡（如西门子公司提供的CP5611/CP5613）安装在计算机（配置有组态王KingView 软件）的PCI 插槽中，用MPI 电缆将MPI 卡与S7300系列PLC （所有的S7300系列CPU 模块都有MPI 口）的MPI 口相连，也可实现PLC 与上位机的通讯。传输速率为187.5kbit/s 。

3）若选用三菱FX2系列PLC ，则使用厂家提供的编程电缆（如SC-11）连接PC 机的COM 口与PLC 的编程口，实现PLC 和上位机的通讯。3.2 采用组态软件＋数据采集卡实现

计算机上配置组态软件（如Wincc 、KingView 等），在组态软件里编写温度模糊PID 控制算法的程序（如在组态软件KingView 中，使用在语法上类似C 语言的命令语言编写模糊PID 控制算法程序）。其程序流程如图4所示。

同时使用8通道模拟量输入模块ICP8017（或7017）A/D 采集卡和4路电压型（或电流型）模拟量输出模块ICP8024（或7024）D/A 输出卡。二者的通讯方式都是RS485通讯，输入信号和输出信号都是4~20mA 。另外使用7000Utility 软件来对以上两个模块进行地址分配和设置。控制结构图[7]如图6所示

。

图6 采用组态软件＋数据采集卡的控制系统结构图

发酵罐的温度由一次仪表（如温度变送器TTR-Pt100）测量放大，统一变换为4~20mA （或1~5V ）信号，通过ICP8017进行A/D （模数）转换，作为上位机的输入，上位机按照预定的控制

程序，对被测量进行必要的处理、分析和比较，并按模糊PID 控制规律进行运算，从而得出控制量的改变值，输出到ICP8024进行D/A （数模）转换并输出4~20mA （或1~5V ）信号，驱动阀门定位器，控制执行机构调节阀的开度，进而控制通过调节阀阀口的冷却水的流量大小，从而达到调节发酵罐温度的目的。

3.3 采用智能仪表实现

采用智能仪表实现模糊PID 控制的控制结构图如图7所示

。

图7 采用智能仪表的控制系统结构图

HR-WP 模糊PID 自整定调节器/温控器的输入信号：4～20mA (输入阻抗≤250Ω)；控制输出：4～20mA （负载电阻≤750Ω）；采样速率为250ms ；通讯方式是RS485通讯，波特率：1200～9600bps ，内部自由设定，采用标准MODBUS RTU 通信协议。供电电源：AC220V ；测量精度：±0.5%FS 或0.2%FS ；测量范围：-1999～9999字；温度补偿：0～50℃[8]。其模糊PID 控制的参数为： P （即比例系数K p ）、 I （即积分时间T i ）、D （即微分时间T d ）。一般可先取P=50，I=200，D=10进行试验，然后根据输出百分比来调整。

LU-906M （960M ）智能调节仪的输入信号为：4～20mA ，输出4～20mA 电流（RL<500，可扩展至1000Ω），其采样周期为 0.5秒。该智能仪表采用RS485通讯接口，波特率1200～9600。LU-906M （960M ）智能调节仪在自整定时，采用位式控制方式进行控制，一般要经过三个震荡周期自整定才能结束。自整定之前，应先设定控制

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时，本系统采用模块化的编程思想，将各个功能模块单独编制子程序进行调用。首先PLC 初始化，内部寄存器复位与置位，接着检测扶梯的运行状态和运行模式，然后再将扶梯的各项安全信号状态放入状态寄存器，通过状态字确认扶梯是否处于正常，如正常则输出信号驱动变频器等设备工作，使扶梯进行相应的运行[7]。

系统程序设计流程如图5所示。4.2 程序示例

程序设计采用三菱P L C 的编程软件G X

DEVELOPER8进行编程，以扶梯在检测到乘客后由变频器开始加速启动，达到正常运行速度后切换到市网供电，规定时间无乘客进入转入变频器低速节能运行状态，再无乘客进入则停止运行的一系列控制过程为例，程序梯形图如图6所示。

5 结论

此扶梯控制系统经过试运行，所有电气和控制设备运行良好，各项性能和参数都能够满足实际运行要求。而且具有易于维护、故障率低等优点，事实证明，此系统各方面性能指标都达到了预期目标，系统运行稳定、可靠，节能明显。参考文献：

[1] 张文蔚.PLC 在自动扶梯节能运行中的应用[J].机电一体

化,2008(09):80-81.

[2] 唐介.电机与拖动.2版[M].北京:高等教育出版社,2007.[3] 何宏.自动扶梯节能控制技术的研究[J].天津理工大学学

报,2009(4):55-58

[4] 陈育斌.自动扶梯节能节能运行控制系统设计[J].长江大

学学报,2010(2):262-264.

[5] 沈玉梅.基于PLC 和变频器的自动扶梯节能改造[J].变频

器世界,2011(4):106-108.

[6] 禹柳飞.基于PLC 的自动扶梯电气控制系统的设计[J].工

业控制计算机,2008(2):86-87.

[7] 曾毅.自动扶梯变频调速系统设计[J].电气时代,2006(12):

101-103.

图6 系统运行程序梯形图

周期（tc ）为0，设定回差范围（Hy ）为0.5[9]。其模糊PID 控制的参数为：P1（即比例系数K p ）、P2（即积分时间T i ）、rt （即微分时间T d ）。在实际控制中, 可通过观察输出百分比的变化趋势来调整P1、P2、rt 参数。一般可先取P1=2000，P2=200，rt=100进行试验，然后根据输出百分比来调整。

4 结论

将PID 控制和模糊控制相结合起来的参数自整定模糊PID 控制用于发酵罐的温度控制，实现在线修正PID 参数。实验仿真和现场实践应用（该厂使用PLC 来实现参数自整定的模糊PID 控制算法）都表明：系统最大超调量＜4℃，稳态精度±0.5℃，具有控制精度高，动态性能好等特点。保证了发酵产品的质量，提高了发酵产品的产量，经济效益可观。

参考文献：

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杭州:浙江大学,2005.

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[4] 王巍.电机定子绕组浸漆后烘干工艺的温度控制系统的

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[6] 李健平,王晓冲,等.基于PLC 的模糊参数自整定温度控制

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[7] 李帅,虎恩典等.基于组态王的电锅炉温度控制系统[J].化

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[8] 虹润牌智能仪表,模糊PID 自整定调节器/温控器说明书[Z].[9] Anthone Electronics CO..Ltd. LU-960M.智能调节仪使用

说明书[Z].

【上接第63页】

发酵罐温度串级控制系统概述

一、被控对象工作原理及结构特点等 发酵工程是应用生物（主要是微生物）为工业大规模生产服务的一门工程技术，也称微生物工程。发酵工程是包括微生物学、化学工程、基因工程、细胞工程、机械工程和计算机软硬件工程的一个多学科工程。 现代发酵工程不但应用于生产酒精类饮料、醋酸和面包，而且还可以生产胰岛素、干扰素、生长激素、抗生素和疫苗等多种医疗保健药物，天然杀虫剂、细菌肥料和微生物除草剂等农用生产资料，在化学工业上生产氨基酸、香料、生物高分子、酶以及维生素和单细胞蛋白等。 发酵反应器（发酵罐）是发酵企业中最重要的设备。发酵罐式必须具有适宜于微生物生长和形成产物的各种条件，促进微生物的新陈代谢，使之能在低消耗下获得较高产量。例如，发酵罐的结构应尽可能简单，便于灭菌和清洗；循环冷却装置维持适宜的培养温度；由于发酵时采用的菌种不同、产物不同或发酵类型不同，培养或发酵条件又各有不同，还要根据发酵工程的特点和要求来设计和选择发酵罐的类型和结构。 通风发酵设备要将空气不断通入发酵液中，供给微生物所需的氧，气泡越小，气泡的表面积越大，氧的溶解速率越快，氧的利用率也越高，产品的产率就越高。通风发酵罐有鼓泡式、气升式、机械搅拌式、溢流喷射自吸式等多种类型。 机械搅拌通风发酵罐是发酵工厂常用的类型之一，它是利用机械搅拌器的作用，使空气和賿液充分混合促使氧在賿液中溶解，以保证供给微生物生长繁殖、发酵所需要的氧气，同时强化热量传递。无论是微生物发酵、酶催化或动物植物细胞培养的微生物工程工厂都应用此类设备，占目前发酵罐总数的70%～80%，常用语抗生素、氨基酸、有机酸和酶的发酵生产。机械搅拌通风发酵罐是属于一种搅拌釜式反应器，除用作化学反应和生物反应器外搅拌反应器还大量用于混合、分散、溶解、结晶、萃取、吸收或解吸传热等操作。搅拌反应器由搅拌容器和搅拌机两大部分组成。加班容器包括筒体、换热原件及内构件、搅拌器、搅拌轴及其密封装置、传动装置等统称为搅拌机。 1.1温度对发酵的影响 微生物药品发酵所用的菌体绝大多数十中温菌，如丝状真菌、放线菌和一般细菌。它们的最适生长温度一般在20～40摄氏度。在发酵过程中，应维持适当温度，以使微生物生长代谢顺利进行。由于微生物的种类不同，所具有的酶系及其性质也不同，因此所要求的温度也不同，如细菌的生长温度大多比霉菌高。有些微生物在生长、繁殖和合成代谢产物等各个阶

精馏塔温度控制系统设计.doc

辽宁工业大学过程控制系统课程设计（论文）题目：精馏塔温度控制系统设计 院（系）：电气工程学院 专业班级：自动化093 学号： 090302074 学生姓名：杨昌宝 指导教师：（签字） 起止时间：

课程设计（论文）任务及评语 院（系）：电气工程学院教研室：自动化 注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算

摘要 随着石油化工的迅速发展，精馏操作的应用越来越广，分流物料的组分越来越多，分离的产品纯度越来越高。采用提馏段温度作为间接质量指标，它能够较直接地反映提馏段产品的情况。将提馏段温度恒定后，就能较好地确保塔底产品的质量达到规定值。所以，在以塔底采出为主要产品、对塔釜成分要求比对馏出液高时，常采用提馏段温度控制方案。由于精馏塔操作受物料平衡和能量平衡的制约，鉴于单回路控制系统无法满足精馏塔这一复杂的、综合性的控制要求，设计了基于串级控制的精馏塔提馏段温度控制系统。 精馏塔的大多数前馈信号采用进料量。当进料量来自上一工序时，除了多塔组成的塔系中可采用均匀控制或串级均匀控制外，还有用于克服进料扰动影响的控制方法前馈—反馈控制。 前馈控制是一种预测控制，通过对系统当前工作状态的了解，预测出下一阶段系统的运行状况。如果与参考值有偏差，那么就提前给出控制信号，使干扰获得补偿，稳定输出，消除误差。前馈的缺点是在使用时需要对系统有精确的了解，只有了解了系统模型才能有针对性的给出预测补偿。但在实际工程中，并不是所有的干扰都是可测的，并不是所有的对象都是可得到精确模型的，而且大多数控制对象在运行的同时自身的结构也在发生变化。所以仅用前馈并不能达到良好的控制品质。这时就需要加入反馈，反馈的特点是根据偏差来决定控制输入，不管对象的模型如何，也不管外界的干扰如何，只要有偏差，就根据偏差进行纠正，可以有效的消除稳态误差。解决前馈不能控制的不可测干扰。 前馈反馈综合控制在结合二者的优点后，可以提高系统响应速度 关键词：提馏段温度前馈-反馈串级控制

基于PID法温度控制

基于PID法的温度控制 摘要：一种新型的PID温度控制系统，该系统采用单片机芯片，可方便对系统加热周期T及PID中的个参数进行线性修改；具有对高低进行报警功能。主要研究PID算法。 关键字：单片机；温度控制；PID控制器 引言：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量，为了达到所需的精度范围，采用PID控制，对PID的各种参数进行整定以满足不同的场合。 一、温度控制器的主要问题及解决方法 1、传统的温度控制器的问题 传统的温度控制器的电热元件一般以电热棒、发热圈为主，两者里面都用发热丝制成。发热丝通过电流加热时，通常达到1000℃以上，所以发热棒、发热圈内部温度都很高。一般进行温度控制的电器机械，其控制温度多在0-400℃之间，所以，传统的温度控制器进行温度控制期间，当被加热器件温度升高至设定温度时，温度控制器会发出信号停止加热。但这时发热棒或发热圈的内部温度会高于400℃，发热棒、发热圈还将会对被加热的器件进行加热，即使温度控制器发出信号停止加热，被加热器件的温度还往往继续上升几度，然后才开始下降。当下降到设定温度的下限时，温度控制器又开始发出加热的信号，

开始加热，但发热丝要把温度传递到被加热器件需要一定的时候，这就要视乎发热丝与被加热器件之间的介质情况而定。通常开始重新加热时，温度继续下降几度。所以，传统的定点开关控制温度会有正负误差几度的现象，但这不是温度控制器本身的问题，而是整个热系统的结构性问题，使温度控制器控温产生一种惯性温度误差。 2、PID控制解决 要解决温度控制器这个问题，采用PID控制技术，是明智的选择。PID控制，是针对以上的情况而制定的、新的温度控制方案，用先进的数码技术通过Pvar、Ivar、Dvar三方面的结合调整，形成一个模糊控制，来解决惯性温度误差问题。然而，在很多情况下，由于传统的温度控制器温控方式存在较大的惯性温度误差，往往在要求精确的温控时，很多人会放弃自动控制而采用调压器来代替温度控制器。但是用调压器来代替温度控制器时，必须在很大程度上靠人力调节，随着工作环境的变化而用人手调好所需温度的度数，然后靠相对稳定的电压来通电加热，勉强运作，但这决不是自动控温。当需要控温的关键很多时，就会手忙脚乱。这样，调压器就派不上用场，因为靠人手不能同时调节那么多需要温控的关键，只有采用PID模糊控制技术，才能解决这个问题，使操作得心应手，运行畅顺。 二、该温控系统的结构和原理： 1、系统的结构： 系统功能主要实现断水保护和高水位指示、自动保温、自动报警

关于发酵罐的控制系统

关于发酵罐的控制系统 一参数控制 1温度控制 a 信号输入为4-20mA电流,对应输出为0-150℃温度 b 输出温度需通过校对调整，可编在程序内，也可以做个人机界面，使用人调整（a+bx） c 工作温度设定，通过人机界面由使用人输入 d 控制温度设定，分上限和下限，可采用工作温度加偏差温度（如0.5℃、1℃等）由使用人设定，也可以采用直接的温度值由使用人设定，也可以以0.5℃的偏差直接写入程序 e 控制方式：低于下限温度自动启动加热，高于上限温度自动启动冷却；加热和冷却过程需分别由使用人通过人机界面设定参数，参数为：加热时间（热水阀开启的时间，范围0-5分钟）和加热间隔时间（可设置为两次加热的间隔时间，也可以设置为热水阀关闭的时间，可以0-10分钟，由于加热过程中，热水进入发酵罐夹套后，发酵罐的温度上升要滞后一段时间，所以，关闭热水阀后要等一段时间，避免频繁启动而温度波动过大；同理，冷却过程也需要设置“冷却时间”和“冷却间隔时间” 2 酸碱度（pH）控制 a 信号输入为4-20mA电流,对应输出为0-14的pH值 b 输出pH需通过校对调整，需通过人机界面，使用人调整（a+bx） c pH值设定，通过人机界面由使用人输入 d 控制pH值设定，分上限和下限，可采用工作pH值加偏差pH值（如0.1、0.2等）由使用人设定，也可以采用直接的pH值由使用人设定， e 控制方式：低于下限pH值自动启动加碱，高于上限温度自动启动加酸；加碱和加酸过程需分别由使用人通过人机界面设定参数，参数为：加碱时间（加碱蠕动泵开启的时间，范围0-5分钟）和加碱间隔时间（可设置为两次加碱的间隔时间，也可以设置为加碱蠕动泵关闭的时间，可以0-10分钟，由于加碱过程中，氨水进入发酵罐后，发酵罐的pH值上升要滞后一段时间，所以，关闭加碱蠕动泵后要等一段时间，避免频繁启动而pH值波动过大；同理，加酸过程也需要设置“加酸时间”和“加酸间隔时间” 3 溶氧值（Do）控制 a 信号输入为4-20mA电流,对应输出为0-100的Do值 b 输出Do需通过校对调整，需通过人机界面，使用人调整（a+bx） c Do值设定，通过人机界面由使用人输入 d 控制Do值设定，分上限和下限，可以采用直接的Do值由使用人设定， e 搅拌电机的转速可设定为手动和自动，手动时由使用人通过人机界面直接输入，自动时则需要设定一个初始值和最低值，然后与溶氧（Do）相关联 f 控制方式：低于下限Do值自动启动搅拌电机加速，高于上限Do值自动启动搅拌电机减速；加速和减速过程需分别由使用人通过人机界面设定参数，参数

三菱PID控制实例

三菱PLC和FX2N-4AD-TC实现温度PID闭环控制系统的学习参考。。。。。。

风机鼓入的新风经加热交换器、制冷交换器、进入房间。原理说明：进风不断被受热体加温，欲使进风维持一定的温度，这就需要同时有一加热器以不同加热量给进风加热，这样才能保证进风温度保持恒定。 plc接线图如下，按图接好线。配线时，应使用带屏蔽的补偿导线和模拟输入电缆配合，屏蔽一切可能产生的干扰。fx2n-4ad-tc的特殊功能模块编号为0。

输入和输出点分配表 这里介绍pid控制改变加热器（热盘管）的加热时间从而实现对温度的闭环控制。

在温度控制系统中，电加热器加热，温度用热电耦检测，与热电耦型温度传感器匹配的模拟量输入模块 fx2n-4ad-tc将温度转换为数字输出，cpu将检测的温度与温度设定值比较，通过plc的pid控制改变加热器的加热时间从而实现对温度的闭环控制。pid控制时和自动调谐时电加热器的动作情况如上图所示。其参数设定内容如下表所示。 三菱plc和fx2n-4ad-tc实现温度pid闭环控制系统程序设计：

用选择开关置x10作为自动调谐控制后的pid控制，用选择开关置x11作为无自动调谐的pid控制。 当选择开关置x10时，控制用参数的设定值在pid运算前必须预先通过指令写入，见图程序0步开始，m8002为初始化脉冲，用mov指令将目标值、输入滤波常数、微分增益、输出值上限、输出值下限的设定值分别传送给数据寄存器d500、d512、d515、d532、d533。 程序第26步，使m0得电，使用自动调谐功能是为了得到最佳pid控制，自动调谐不能自动设定的参数必须通过指令设定，在第29步～47步之间用mov指令将自动调谐用的参数（自动调谐采用时间、动作方向自动调谐开始、自动调谐用输出值）分别传送给数据寄存器d510、d511、d502。 程序第53步开始，对fx2n-4ad-tc进行确认、模式设定，且在plc运行中读取来自fx2n-4ad-tc的数据送到plc的d501中，103步开始对pid动作进行初始化。 第116步开始，x10闭合，在自动调谐后实行pid控制，当自动调谐开始时的测定值达到目标值的变化量变化1/3以上，则自动调谐结束，程序第128步～140步，自动调谐

小型温度控制系统

电子工程设计报告 题目：温度测量系统/闭环温度控制系统设计 专业：电子科学与技术 小组：第8小组 姓名学号：王丹阳11023224 覃业泰 11023226 李赉龙 11023228 指导教师：高新 完成日期：2013.12.15

中文摘要 本电子工程设计的任务是完成一套小型的温度测量与控制系统。这个系统需要完成非电量到电量信号转换、信号处理、数据采集、数据处理、人机交互、数据通信、控制等设计工作，几乎覆盖一般电子系统的所有设计环节。其中包含有三个阶段。本报告为第二阶段内容，在第一阶段电源模块、变送器模块，驱动器模块的基础上，又包含： 单片机模块的设计与实现； 数模转换模块的设计与实现； 模数转换模块的设计与实现； 键盘显示模块的设计与实现。 在上述七个模块的基础上，通过软件设计完成环境温度的显示与闭环温度控制两大功能。并通过键盘很方便的进行两大功能的自由切换和目标控制温度的设定。 本报告针对以上模块分别详细给出了设计要求、方案设计、电路设计、原理分析、电路调试、电路故障等方面的内容，以完整反映实验过程。 【关键词】单片机；温度；闭环控制

目录 中文摘要 (1) 1 课题背景 (4) 1.1 课题背景 (4) 1.2 设计概述 (4) 2 简单电路的模块化设计与实现 (5) 2.1 单片机应用电路设计与实现 (5) 2.1.1基本要求 (5) 2.1.2设计方案 (6) 2.1.3单片机系统的调试 (8) 2.1.4调试中遇到的问题 (9) 2.2模/数转换电路设计与实现 (9) 2.2.1实验要求 (9) 2.2.2设计方案 (10) 2.2.3电路主要参数计算 (11) 2.2.4 模数转换电路模块的调试 (12) 2.3显示与键盘控制电路设计与实现 (13) 2.3.1基本要求 (14) 2.3.2设计方案 (14) 2.3.3显示模块模块的调试 (15) 2.3.4键盘模块的调试 (17) 2.4数/模(D/A)转换电路设计与实现 (18) 2.4.1基本要求 (18)

发酵罐温度控制系统讲解

题目：发酵罐温度控制系统设计

课程设计（论文）任务及评语院（系）：教研室：Array 注：成绩：平时40% 论文质量40% 答辩20% 以百分制计算

摘要 本题要设计的是温度控制系统，发酵是放热反应的过程。随着反应的进行，罐内的温度会逐渐升高。而温度对发酵过程具有多方面的影响。因此，对发酵过程中的温度进行检测和控制就显得十分重要。 本课题设计了发酵罐温度控制系统，选择的传感器为Cu100，由于信号很小，所以就需要通过差动放大电路进行放大并且经过了滤波电路滤波，然后将处理后的电压信号经过V/I转换，输出4~20mA的电流信号，最后进行仿真分析以及参数的计算，以达到通过对冷水阀开度的控制对发酵罐温度控制的目的。 本系统应用温度控制系统，有助于提高发酵效率，有助于提高工厂产值，并且可以使资源得到更充分的作用。 关键词：温度控制；PID控制器；V/I转换；比较机构

目录 第1章绪论 (1) 第2章课程设计的方案 (2) 2.1 概述 (2) 2.2 系统组成总体结构 (2) 2.3 传感器选择 (2) 第3章电路设计 (4) 3.1 传感器电路 (4) 3.2 比较机构电路 (7) 3.3 PID调节器并联实现电路 (7) 3.4 V/I转换电路 (8) 3.5 直流稳压电源电路 (9) 第4章仿真与分析 (10) 4.1 传感器电路仿真 (10) 4.2 PID控制器电路 (11) 4.3 V/I转换电路 (12) 第5章课程设计总结 (14) 参考文献 (15) 附录Ⅰ (16) 附录Ⅱ (18) 附录Ⅲ (20)

第1章绪论 在工业生产中，电流、电压、温度、压力、流量、流速和开关量都是常用的主要被控参数。其中，温度控制也越来越重要。在工业生产的很多领域中，人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉、发酵罐和锅炉中的温度进行检测和控制。 本次课设要求设计发酵罐的温度控制系统。发酵是放热反应的过程。随着反应的进行，罐内的温度会逐渐升高。而温度对发酵过程具有多方面的影响：它会影响各种酶反应的速率，改变菌体代谢产物的合成方向，影响微生物的代谢调控机制，除这些直接影响外；温度还对发酵液的理化性质产生影响，如发酵液的粘度；基质和氧在发酵液中的溶解度和传递速率。某些基质的分解和吸收速率等，进而影响发酵的动力学特性和产物的生物合成。 并且现代发酵工程不但应用于生产酒精类饮料、醋酸和面包，而且还可以生产胰岛素、干扰素、生长激素、抗生素和疫苗等多种医疗保健药物，天然杀虫剂、细菌肥料和微生物除草剂等农用生产资料，在化学工业上生产氨基酸、香料、生物高分子等。而发酵过程是酵母在一定的条件下，利用可发酵性物质而进行的正常生命活动。 发酵工程是应用生物（主要是微生物）为工业大规模生产服务的一门工程技术，也称微生物工程。发酵工程是包括微生物学、化学工程、基因工程、细胞工程、机械工程和计算机软硬件工程的一个多学科工程。 在发酵罐温度控制系统中应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器是工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型，控制理论的其他技术也难以采用，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定时，应用PID控制技术最为方便。采用PID算法进行温度控制，它具有控制精度高，能够克服容量滞后的特点，特别适用于负荷变化大、容量滞后较大、控制品质要求又很高的控制系统。 本次课设要求自行设计模拟式PID控制器，通过与前面传感器测定的发酵罐温度产生的电压信号进行比较，转换为输出时的4~20mA电流信号来对冷水阀门开度进行控制，采用冷水法对发酵罐进行降温，以达到对发酵罐温度进行控制的目的。参数要求测定范围是30℃~50℃，测量精度为±0.5℃，以此作为对温度传感器的选择依据。

温度控制的PID算法-及C程序实现

温度控制与PID算法 温度控制与PID算法j较为复杂，下面结合实际浅显易懂的阐述一下PID控制理论，将温度控制及PID算法作一个简单的描述。 1．温度控制的框图 这是一个典型的闭环控制系统，用于控制加热温区的温度（PV）保持在恒定的温度设定值(SV)。系统通过温度采集单元反馈回来的实时温度信号（PV）获取偏差值（EV），偏差值经过PID调节器运算输出，控制发热管的发热功率，以克服偏差，促使偏差趋近于零。例如，当某一时刻炉内过PCB板较多，带走的热量较多时，即导致温区温度下降，这时，通过反馈的调节作用，将使温度迅速回升。其调节过程如下：

温度控制的功率输出采用脉宽调制的方法。固态继电器SSR的输出端为脉宽可调的电压U OUT 。当SSR的触发角触发时，电源电压U AN通过SSR的输出端加到发热管的两端；当SSR的触发角没有触发信号时，SSR关断。因此，发热管两端的平均电压为U d＝(t/T)* U AN=K* U AN 其中K=t/T，为一个周期T中，SSR触发导通的比率，称为负载电压系数或是占空比，K 的变化率在0－1之间。一般是周期T固定不便，调节t, 当t在0－T的范围内变化时，发热管的电压即在0－U AN之间变化，这种调节方法称为定频调宽法。下面将要描述的PID 调节器的算式在这里的实质即是运算求出一个实时变化的，能够保证加热温区在外界干扰的情况下仍能保持温度在一个较小的范围内变化的合理的负载电压系数K。 2.温度控制的两个阶段 温度控制系统是一个惯性较大的系统，也就是说，当给温区开始加热之后，并不能立即观察得到温区温度的明显上升；同样的，当关闭加热之后，温区的温度仍然有一定程度的上升。另外，热电偶对温度的检测，与实际的温区温度相比较，也存在一定的滞后效应。这给温度的控制带来了困难。因此，如果在温度检测值（PV）到达设定值时才关断输出，可能因温度的滞后效应而长时间超出设定值，需要较长时间才能回到设定值；如果在温度检测值（PV）未到设定值时即关断输出，则可能因关断较早而导致温度难以达到设定值。为了合理地处理系统响应速度（即加热速度）与系统稳定性之间地矛盾，我们把温度控制分为两个阶段。

PID温度控制系统的设计

ＰＩＤ温度控制系统的设计 介紹以单片机为核心的PID控制温度控制系统,并给出了系统的硬件与软件设计方案。实验结果显示该系统的先进性。 标签：温控系统单片机PID控制 0 引言 控制仪表性能指标对温度控制有很大的影响,因此,常采用高性能调节仪表组成温控系统对被控对象(温度)进行严格控制。本文介绍以单片机AT89C51为核心器件构成的温度控制系统,它具有测量、控制精度高、成本低、体积小、功耗低等优点,可制成单机,广泛应用于冶金、化工、食品加工等行业对温度进行精确控制。 1 温控系统结构与工作原理 温控系统的结构如图1所示。热电偶测量出电炉的实际温度(mv信号),经放大、线性化、A/D转换处理后送入单片机接口。由键盘敲入设定温度值,此值与经A/D转换过的炉温信号存在一差值(假如两者温度不一致),由单片机PID调节电路进行比例、微分及变速积分算法对温控箱进行恒温控制。该系统采用传统的AT89C52单片机,其硬、软件完全符合系统的要求,为满足测控精确度的要求,A/D 电路选用12位转换器,分辨率为2-12。本系统采用三相数字过零触发器对六只晶闸管(Y/△接法均可)进行输出功率控制,即在电源电压过零时触发晶闸管,利用PID信号产生的控制信号使电流每周期按规定的导通波头数导通负载,达到控制输出功率,也就是控制炉温的目的。采用过零触发可减少电网谐波的产生,触发器与单片机光电隔离,可减少电网对微机的干扰,调功方式下电加温炉的平均功率为:P=3nU2/NR(1) 式中:P为输入电炉的功率;R为电炉的等效电阻;U为电网相电压;n为允许导通的波头数;N为设定的波头数。 注:公式(1)为负载Y接法适用 2 系统控制软件设计 2.1 PID参数的优化系统采用遗传算法(Genetic Algorithm,简称GA)离线优化PID参数[1]。20世纪70年代由美国J.Holland教授提出的遗传算法(GA)[2]是一种模拟生物进化过程的随机化搜索方法。它采用多路径搜索,对变量进行编码处理,用对码串的遗传操作代替对变量的直接操作,从而可以更好的处理离散变量。GA用目标函数本身建立寻优方向,无需求导求逆等复导数数学运算,且可以方便的引入各种约束条件,更有利于得到最优解,适合于处理混合非线性规划和多目标优化。系统采用二进制编码选择来操作,我们称为染色体串(0或1),每个串表

发酵罐温度控制系统的设计

洛阳理工学院 计算机控制技术与应用课程设计 题目：发酵培养基温度控制系统设计 学生姓名： 学号： 班级： 专业：

摘要 本题要设计的是发酵培养基温度控制系统，发酵是放热反应的过程。随着反应的进行，罐内的温度会逐渐升高。而温度对发酵过程具有多方面的影响。因此，对发酵过程中的温度进行检测和控制就显得十分重要。 本课题设计了发酵罐温度控制系统，选择的传感器为Cu100，由于信号很小，所以就需要通过差动放大电路进行放大并且经过了滤波电路滤波，然后将处理后的电压信号经过V/I转换，输出4~20mA的电流信号，最后进行仿真分析以及参数的计算，以达到通过对冷水阀开度的控制对发酵罐温度控制的目的。 本系统应用温度控制系统，有助于提高发酵效率，有助于提高工厂产值，并且可以使资源得到更充分的作用。 关键词：温度控制,PID控制器,V/I转换,比较机构

目录 前言........................................................................................ 错误！未定义书签。 1.1.1 发酵培养基简介 3 1.1.2工艺背景：................................................................ 错误！未定义书签。 1．2温度对发酵的影响...................................................... 错误！未定义书签。 1.2.1温度影响微生物细胞生长................................. 错误！未定义书签。 1.2.2温度影响产物的生成量..................................... 错误！未定义书签。 1.2.3温度影响生物合成的方向................................. 错误！未定义书签。 1.2.4温度影响发酵液的物理性质............................. 错误！未定义书签。 1.3、影响发酵温度变化的因素：..................................... 错误！未定义书签。 1.4发酵热的测定................................................................ 错误！未定义书签。 1.5最适温度的选择与发酵温度的控制............................ 错误！未定义书签。 1.5.1温度的选择....................................................................................... VII 2 培养基温度控制系统的设计.................................................. 错误！未定义书签。 2.1总体设计方案.............................................................................................. VII 2.1.1 系统总框图...................................................................................... VII 2．2硬件设计................................................................................................... V III 2.2.1温度采集电路.................................................................................. V III 2.2.2 PLC与计算机的通信......................................................................... I X 2.3软件部分......................................................................................................... X 3总结........................................................................................................................ X III 参考文献：............................................................................................................... X III

基于PID的温度控制系统设计

（2014届） 毕业设计 题目：基于PID的温度控制系统设计学院： ******** 专业：电气工程及其自动化 班级：电气*** 学号： ********** 姓名：某某某 指导教师：某某某 教务处制 年月日

诚信声明 我声明，所呈交的论文是本人在老师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我查证，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得＿＿＿＿＿＿或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。我承诺，论文中的所有内容均真实、可信。 论文作者签名：签名日期：年月日

授权声明 学校有权保留送论文交的原件，允许论文被查阅和借阅，学校可以公布论文的全部或部分内容，可以影印、缩印或其他复制手段保存论文，学校必须严格按照授权对论文进行处理，不得超越授权对论文进行任意处置。 论文作者签名：签名日期：年月日

基于PID的温度控制系统设计 摘要 温度是工业上最基本的参数，与人们的生活紧密相关，实时测量温度在工业生产中越来越受到重视，离不开温度测量所带来的好处，因此研究控制和测量温度具有及其重要的意义。 本设计介绍了以AT89C52单片机为主控器件，基于PID的温度控制系统的设计方案和设计的基本原理。由DS18B20收集温度信号，并以数字信号的方式送给单片机进行处理，从而达到温度控制的目标。主要包括硬件电路的设计和系统程序的设计。硬件电路由主控器件、温测电路、温控电路和显示电路等组成。软件设计部分包括：显示电路、温度信号处理，超温警报、继电器控制、按键处理等程序。 关键词：温度检测，温度控制，PID算法

发酵温度控制系统的数学模型及仿真

2 发酵罐温度控制系统的数学模型 发酵罐温度控制系统实验平台是以一个7L 发酵罐为主体，罐壁设置有冷却套,相应的设立测温点和调节阀,通过阀门调节冷却套内冷却液的流量来实现对发酵罐内温度的控制，发酵罐示意图如图1所示。 图1 发酵罐示意图 在白酒发酵的过程中，发酵罐内由于酵母的作用，在发酵过程中会产生生化反应热，热量的逐渐释放导致发酵温度逐渐上升。在整个发酵过程中，发酵温度必须根据具体的生产工艺进行严格控制，罐内温度通过控制冷却夹套内的冷却水的流量进行降温，整套系统没有外部加热措施。罐内发酵反应热有一部分使罐内温度升高，一部分热量散失到罐壁和冷媒中，在此不考虑发酵体与罐壁之间的热量传递，罐内的热平衡方程为： ? =-Tdt mC Q Q 21 （2-1） 式中 1Q ：发酵过程产生的热量；2Q :发酵过程散失的热量；m ：反应物质量 C ：发酵罐内反应物的比热容；T 发酵罐温度。 公式1-1可以写成： ? =?Tdt MC Q （2-2） 式中 21Q Q Q -=? 对公式1-2求拉普拉斯变换得： s m C T Q S S )()(=? （2-3） 即可由罐内的热平衡方程式可以得到发酵罐内的传递函数为: m C s Q T G S S S 1 ) ()()(= ?= （2-4） 考虑到在实际的过程中的干扰因素,所以被控对象的数学模型中添加一个滞后环节。因此,用一阶惯性加纯滞后环节来表示,其传递函数为 mCs e Q T G s S S S τ-= ?= ) ()()( （2-5）

3 模糊预测控制器的设计及仿真结果 针对发酵罐中发酵对象大时滞、大时变、严格的非线性、多变量耦合等特点。采用了将模糊控制与预测控制结合的方法，利用模糊建模方法建立对象预测模型。将设定值与预测输入值之间的预测误差值及预测误差值的变化率作为模糊控制器的输入，模糊控制器再根据模糊规则来推理得到控制量，通过执行机构控制被控对象。其结构图如图2所示。 图2模糊控制系统结构图 3.1预测控制部分 预测控制算法与动态矩阵控制算法类似, 主要通过预测模型,利用系统的输入输出数据预测未来时刻系统输出,作为糊控制器的输入。 3.1.1预测模型 假设被控对象基于阶跃响应的预测模型向量为T N a a a a ],...,,[21=，N 为建模时域。则在k 时刻对系统施加一个控制增量Δu(k)时,即可算出在其作用下未来时刻N 个输出值的向量形式： )()()(k u a k y k y po m ??+= （3-1） 式中)(k y po 为k 时刻未加Δu(k)时的初始预测值,)(k y m 为k 时刻在Δu(k)作用下的模型预测值。 3.1.2在线校正 当k 时刻对系统施加控制u(k)时，利用预测模型即可得出未来时刻的输出预测值 )(k y m 。但是，由于实际存在的模型时变、非线性、环境干扰等因素的影响，预测值会偏离 实际值，故在k+l 时刻要利用系统的实际输出y (k+1)进行在线校正： )]|1()1([)()(k k y k y h k y k y m m p +-++= （3-2） 式中h 为N 维误差校正向量,这里取0.11=h ，9.0=i h ，i=2,3...,N 。)(k y p 为校正后的预测值，经过移位后即可作为k+1时刻的初始预测值，用向量形式可表示为： )()1(k y S k y p po ?=+ （3-3） 式中S 为位移阵。

温度的PID控制及程序示例

温度的PID 控制 一．温度检测部分首先要OK. 二、PID 调节作用 PID 控制时域的公式 ))()(1)(()(?++ =dt t de Td t e Ti t e Kp t y 分解开来： (1) 比例调节器 y(t) = Kp * e(t) e(k) 为当前的温差（设定值与检测值的插值） y(k) 为当前输出的控制信号(需要转化为PWM 形式) # 输出与输入偏差成正比。只要偏差出现，就能及时地产生与之成比例的调节 作用，使被控量朝着减小偏差的方向变化，具有调节及时的特点。但是， Kp 过大会导致动态品质变坏，甚至使系统不稳定。比例调节器的特性曲线. (2) 积分调节器 y(t) = Ki * ∫(e(t))dt Ki = Kp/Ti Ti 为积分时间 #TI 是积分时间常数，它表示积分速度的大小，Ti 越大，积分速度越慢，积分作用越弱。只要偏差不为零就会产生对应的控制量并依此影响被控量。增大Ti 会减小积分作用，即减慢消除静差的过程，减小超调，提高稳定性。 (3) 微分调节器 y(t) = Kd*d(e(t))/dt Kd = Kp*Td Td 为微分时间 #微分分量对偏差的任何变化都会产生控制作用，以调整系统输出，阻止偏差变化。偏差变化越快，则产生的阻止作用越大。从分析看出，微分作用的特点是：加入微分调节将有助于减小超调量，克服震荡，使系统趋于稳定。他加快了系统的动作速度，减小调整的时间，从而改善了系统的动态性能。 三．PID 算法： 由时域的公式离散化后可得如下公式：

y(k) = y(k-1)+(Kp+Ki+Kd)*e(k)-(Kp +2*Kd)*e(k-1) + Kd*e(k-2) y(k) 为当前输出的控制信号(需要转化为PWM形式) y(k-1)为前一次输出的控制信号 e(k) 为当前的温差（设定值与检测值的插值） e(k-1) 为一次前的温差 e(k-2) 为二次前的温差 Kp 为比例系数 Ki = Kp*T/Ti T为采样周期 Kd = Kp*Td/T 四．PID参数整定（确定Kp,Ts,Ti,Td）： 温度控制适合衰减曲线法，需要根据多次采样的数据画出响应曲线。 所以需要通过串口将采样时间t, 输出y(t)记录下来，方便分析。 1)、不加入算法，系统全速加热，从常温加热到较高的温度的时间为Tk, 则采样时间一般设为 T = Tk/10。 2)、置调节器积分时间TI=∞，微分时间TD=0，即只加比例算法： y(k) = y(k-1)+Kp*e(k) 比例带δ置于较大的值。将系统投入运行。（δ = 1/Kp） 3)、待系统工作稳定后，对设定值作阶跃扰动，然后观察系统的响应。若响应振荡衰减太快，就减小比例带；反之，则增大比例带。如此反复，直到出现如图所示的衰减比为4：1的振荡过程时，记录此时的δ值（设为δS），以及TS 的值（如图中所示）。当采用衰减比为10：1振荡过程时，应用上升时间Tr替代 振荡周期TS计算。 系统衰减振荡曲线 图中，TS为衰减振荡周期，Tr为响应上升时间。 据表中所给的经验公式计算δ、TI及TD的参数。

温度控制系统

目录 第一章设计背景及设计意义 (2) 第二章系统方案设计 (3) 第三章硬件 (5) 3.1 温度检测和变送器 (5) 3.2 温度控制电路 (6) 3.3 A/D转换电路 (7) 3.4 报警电路 (8) 3.5 看门狗电路 (8) 3.6 显示电路 (10) 3.7 电源电路 (12) 第四章软件设计 (14) 4.1软件实现方法 (14) 4.2总体程序流程图 (15) 4.3程序清单 (19) 第五章设计感想 (29) 第六章参考文献 (30) 第七章附录 (31) 7.1硬件清单 (31) 7.2硬件布线图 (31)

第一章设计背景及研究意义 机械制造行业中，用于金属热处理的加热炉，需要消耗大量的电能，而且温度控制是纯滞后的一阶惯性环节。现有企业多采用常规仪表加接触器的断续控制，随着科技进步和生产的发展，这类设备对温度的控制要求越来越高，除控温精度外，对温度上升速度及下降速度也提出了可控要求，显而易见常规控制难于满足这些工艺要求。随着微电子技术及电力电子技术的发展，采用功能强、体积小、价格低的智能化温度控制装置控制加热炉已成为现实。 自动控制系统在各个领域尤其是工业领域中有着及其广泛的应用，温度控制是控制系统中最为常见的控制类型之一。随着单片机技术的飞速发展，通过单片机对被控对象进行控制日益成为今后自动控制领域的一个重要发展方向。在现代化的工业生产中，电流、电压、温度、压力、流量、流速和开关量都是常用的主要被控参数。例如：在冶金工业、化工生产、电力工程、造纸行业、机械制造和食品加工等诸多领域中，人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测和控制。对工件的处理温度要求严格控制，计算机温度控制系统使温度控制指标得到了大幅度提高。采用MCS-51单片机来对温度进行控制，不仅具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。因此，单片机对温度的控制问题是一个工业生产中经常会遇到的问题。 ，

PID温度控制器原理

PID温度控制器原理 | [<<][>>] 电脑控制温度控制器：采用PID模糊控制技术 *用先进数码技术通过Pvar、Ivar、Dvar（比例、积分、微分）三方面结合调整形成一个模糊控制来解决惯性温度误差问题。 据了解，很多厂家在使用温度控制器过程中，往往碰到惯性温度误差问题，苦于无法解决，依*手工调压来控制温度。 创新，采用了PID模糊控制技术，较好地解决了惯性温度误差问题。传统温度控制器，是利用热电偶线在温度化变化情况下，产生变化电流作为控制信号，对电器元件作定点开关控制器。 传统温度控制器电热元件一般以电热棒、发热圈为主，两者里面都用发热丝制成。发热丝通过电流加热时，通常达到1000℃以上，所以发热棒、发热圈内部温度都很高。一般进行温度控制电器机械，其控制温度多在0-400℃之间，所以，传统温度控制器进行温度控制期间，当被加热器件温度升高至设定温度时，温度控制器会发出信号停止加热。但这时发热棒或发热圈内部温度会高于400℃，发热棒、发热圈还将会对被加热器件进行加热，即使温度控制器发出信号停止加热，被加热器件温度还往往继续上升几度，然后才开始下降。当下降到设定温度下限时，温度控制器又开始发出加热信号，开始加热，但发热丝要把温度传递到被加热器件需要一定时候，这就要视乎发热丝与被加热器件之间介质情

况而定。通常开始重新加热时，温度继续下降几度。所以，传统定点开关控制温度会有正负误差几度现象，但这不是温度控制器本身问题，而是整个热系统结构性问题，使温度控制器控温产生一种惯性温度误差。 要解决温度控制器这个问题，采用PID模糊控制技术，是明智选择。PID模糊控制，是针对以上情况而制定、新温度控制方案，用先进数码技术通过Pvar、Ivar、Dvar三方面结合调整，形成一个模糊控制，来解决惯性温度误差问题。然而，在很多情况下，由于传统温度控制器温控方式存在较大惯性温度误差，往往在要求精确温控时，很多人会放弃自动控制而采用调压器来代替温度控制器。当然，在电压稳定工作速度不变、外界气温不变和空气流动速度不变情况下，这样做是完全可以，但要清楚地知道，以上环境因素是不断改变，同时，用调压器来代替温度控制器时，必须在很大程度上*人力调节，随着工作环境变化而用人手调好所需温度度数，然后*相对稳定电压来通电加热，勉强运作，但这决不是自动控温。当需要控温关键很多时，就会手忙脚乱。这样，调压器就派不上用场，因为*人手不能同时调节那么多需要温控关键，只有采用PID模糊控制技术，才能解决这个问题，使操作得心应手，运行畅顺。例如烫金机，其温度要求比较稳定，通常在正负2℃以内才能较好运作。高速烫金机烫制同一种产品图案时，随着速度加快，加热速度也要相应提高。这时，传统温度控制器方式和采用调压器操作就不能胜任，产品质量就不能保证，因为烫金之前必须要把烫金机运转速度调节适当，用速度来迁就温度控制器和调压器弱点。但是，如果采用PID模

过程控制课程设计——啤酒发酵罐温度控制系统

内蒙古科技大学信息工程学院过程控制课程设计报告 题目：啤酒发酵罐的温度控制系统设计 学生姓名：赵晓红 学号：0967112235 专业：测控技术及仪器 班级：09测控2班 指导教师：左鸿飞

前言 啤酒生产是一个利用生物加工进行生产的过程，生产周期长，过程参数分散性大，传统操作方式难以保证产品的质量。近年来，国外的各大啤酒生产厂家纷纷进军中国市场，凭借技术优势与国内的啤酒生产厂家争夺市场份额。国内的啤酒行业迫切要求进行技术改造，提高生产率，保证产品质量，以确保在激烈的市场竞争中立于不败之地。 啤酒的发酵过程是一个微生物代谢过程。它通过多种酵母的多种酶解作用，将可发酵的糖类转化为酒精和CO2,以及其他一些影响质量和口味的代谢物。在发酵期间，工艺上主要控制的变量是温度、糖度和时间。 啤酒发酵对象的时变性、时滞性及其不确定性，决定了发酵罐控制必须采用特殊的控制算法。由于每个发酵罐都存在个体的差异，而且在不同的工艺条件下，不同的发酵菌种下，对象特性也不尽相同。因此很难找到或建立某一确切的数学模型来进行模拟和预测控制我国大部分啤酒生产厂家目前仍然采用常规仪表进行控制，人工监控各种参数，人为因素较多。这种人工控制方式很难保证生产工艺的正确执行，导致啤酒质量不稳定，波动性大且不利于扩大再生产规模。 在啤酒生产过程中，糖度的控制是由控制发酵的温度来完成的，而在一定麦芽汁浓度、酵母数量和活性的条件下时间的控制也取决于发酵的温度。因此控制好啤酒发酵过程的温度及其升降速率是解决啤酒质量和生产效率的关键。 在本次啤酒发酵温度控制系统设计过程中各种工艺参数的控制采用串级控制系统实现，主要控制锥形发酵罐的中部温度，采用常规自动化仪表及装置来实现温度及其他参数的检测与控制、显示。

温度PID控制实验

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 8 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 9 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