基于LabVIEW的電阻爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

嚴(yán)中紅，郭文娟，羅 堪

(重慶理工大學(xué)藥學(xué)與生物工程學(xué)院，重慶 400054)

LabVIEW是實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工程平臺(tái)(Laboratory VirtualInstrumentation EngineeringWorkbench)的簡(jiǎn)稱，是美國(guó)國(guó)家儀器公司所開發(fā)的圖形化程序編譯平臺(tái)，被廣泛地應(yīng)用在測(cè)量與儀器、控制設(shè)計(jì)與仿真、信號(hào)處理等領(lǐng)域，是一款應(yīng)用廣、功能強(qiáng)的圖形化軟件開發(fā)環(huán)境［1］。

溫控是各個(gè)領(lǐng)域生產(chǎn)過程中最常見的控制條件之一。生產(chǎn)中都要求嚴(yán)格地控制各種加熱設(shè)備對(duì)產(chǎn)品的處理溫度，對(duì)生產(chǎn)的穩(wěn)定性和溫度的精確度的要求也逐步提高。目前，制藥行業(yè)也越來越重視生產(chǎn)工程中各種設(shè)備的溫度檢測(cè)及控制性能，如高壓蒸汽滅菌柜、隧道式烘箱等。本文針對(duì)電阻爐滯后性強(qiáng)、高溫難控制的特點(diǎn)，以及傳統(tǒng)的通過微控制器進(jìn)行PID控制在數(shù)據(jù)處理、顯示、存儲(chǔ)等方面存在的不足［2］，基于虛擬儀器技術(shù)，針對(duì)電阻爐溫度控制特點(diǎn)設(shè)計(jì)了相應(yīng)的控制系統(tǒng)。在設(shè)計(jì)中應(yīng)用軟件濾波提高信號(hào)的抗干擾性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于LabVIEW平臺(tái)的溫控系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，控制精度基本達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，可以實(shí)時(shí)設(shè)置與顯示爐子溫度，監(jiān)測(cè)控制曲線，保存歷史數(shù)據(jù)［3］。

1 PID原理

在工程應(yīng)用中，PID調(diào)節(jié)是一種最為常見的調(diào)節(jié)器，其規(guī)律為比例、積分、微分控制，稱為PID控制。圖1為模擬PID控制系統(tǒng)原理框圖。PID控制器是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分3個(gè)參數(shù)計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的，其控制效果與比例 Kp、積分 Ki和微分 Kd系數(shù)的組合密切相關(guān)［4］。

圖1 模擬PID控制系統(tǒng)原理框圖

PID是一種線性控制器，它根據(jù)給定值rin(t)與實(shí)際輸出值yout(t)構(gòu)成控制方案:

在PID控制器中:比例單元成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)e(t)，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生作用以減小偏差;積分單元用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度，積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)T，T越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng);微分單元反映e(t)的變化趨勢(shì)，并能在偏差信號(hào)變得很大之前在系統(tǒng)中引入1個(gè)有效的修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減少系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間［5］。

2 系統(tǒng)原理及結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖2所示，系統(tǒng)主要由溫度傳感器、變送器、NI USB6009、PC以及繼電器構(gòu)成。系統(tǒng)動(dòng)作主要包括信號(hào)采集、數(shù)據(jù)處理、輸出控制，屬于閉環(huán)控制。系統(tǒng)可以完成溫度信號(hào)的采集放大，反映電熱爐的電勢(shì)，經(jīng)變送器放大及采集模塊，送入上位機(jī)，在LabVIEW平臺(tái)中獲得與爐溫相應(yīng)的模擬量。該模擬信號(hào)經(jīng)濾波、標(biāo)度變換后，與設(shè)定值進(jìn)行比較，經(jīng)過PID工具調(diào)節(jié)，輸出數(shù)字信號(hào)，控制繼電器的開關(guān)動(dòng)作，達(dá)到調(diào)節(jié)監(jiān)測(cè)溫度的目的。

圖2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

溫度傳感器是型號(hào)為 WRN－230的K型PT100熱電偶，溫度測(cè)量范圍為0～1300℃。由于熱電偶輸出信號(hào)為毫伏級(jí)的電壓信號(hào)，采集溫度信號(hào)之前必須進(jìn)行信號(hào)放大。當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，傳感器的輸出電壓隨之改變，改變量由變送器放大后傳輸給NI USB－6009，在NI USB－6009中經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換將數(shù)字信號(hào)傳遞到上位機(jī)，運(yùn)行上位機(jī)中的LabVIEW程序，此時(shí)在程序的前面板實(shí)時(shí)顯示傳感器測(cè)得的電壓值。

溫度變送器是型號(hào)為BND－T1000、溫度范圍為0～400℃的變送器，電源電壓為24 V直流電，輸出電流為4～20 mA，標(biāo)準(zhǔn)精度為±0.2%。

NI USB－6009是美國(guó)國(guó)家儀器公司出品的一種多功能數(shù)據(jù)采集卡，具有14位采樣精度(最高采樣率可達(dá)到48 kS/s)，8路模擬輸入通道(14位分辨率，48 kS/s)，2路模擬輸出通道(12位分辨率，150 S/s)，12條數(shù)字I/O線，1個(gè)32位計(jì)數(shù)器，在系統(tǒng)中起到A/D轉(zhuǎn)換及發(fā)出控制信號(hào)的作用。

執(zhí)行器為施耐德公司出品的RXM小型中間繼電器。該型號(hào)繼電器被廣泛應(yīng)用于繼電保護(hù)與自動(dòng)控制系統(tǒng)，以增加觸電的數(shù)量及容量。中間繼電器主要有2個(gè)作用:隔離作用和增加輔助接點(diǎn)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)控制程序如圖3、4所示。系統(tǒng)軟件全部使用圖形模塊化編程方式，編程環(huán)境采用Lab-VIEW 2010平臺(tái)，軟件設(shè)計(jì)包括主程序和執(zhí)行機(jī)構(gòu)2部分。主程序完成溫度采集、數(shù)據(jù)處理、信號(hào)顯示、PID調(diào)節(jié)、打開執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

圖3 系統(tǒng)主程序

執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用脈沖寬度調(diào)制(PWM)對(duì)中間繼電器進(jìn)行控制，控制周期為5s，采用定時(shí)器、DAQ助手控制繼電器實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，輸出脈沖的周期固定不變，通過改變每個(gè)脈沖的寬度就能達(dá)到改變占空比的目的，從而控制中間繼電器的接通與斷開，實(shí)現(xiàn)對(duì)熱電偶電勢(shì)(即溫度信號(hào))的控制。

3.1 程序工作過程

在各個(gè)模塊的配置工作完成后，接通電路電源，連接上位機(jī)運(yùn)行LabVIEW中的VI程序。利用DAQ助手開始采集信號(hào)，采集到的數(shù)據(jù)為動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換為數(shù)組類型，經(jīng)過均值濾波之后放入移位寄存器中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、對(duì)比，在檢測(cè)值達(dá)到適當(dāng)大小時(shí)，進(jìn)入PID調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)。整個(gè)數(shù)據(jù)處理過程為一個(gè)while循環(huán)過程，同時(shí)在前面板的波形圖表中實(shí)時(shí)地繪制出已采集到的連續(xù)電壓數(shù)據(jù)，可以直觀地對(duì)比出曲線的走勢(shì)和設(shè)定值差別，顯示出PID調(diào)節(jié)的效果，比較方便地在前面板觀察溫度變化趨勢(shì)，并調(diào)節(jié)PID參數(shù)。

“DAQ助手”Express VI用于通過交互方式創(chuàng)建測(cè)量通道或任務(wù)。在程序框圖上放置“DAQ助手”Express VI后，配置相應(yīng)通道和任務(wù)，在NIDAQmx中進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。NI－DAQmx是用戶與數(shù)據(jù)采集設(shè)備通信的編程接口。通過“DAQ助手”Express VI可控制NI－DAQmx支持設(shè)備。執(zhí)行機(jī)構(gòu)就是通過DAQ助手控制NI USB－6009向繼電器發(fā)出開關(guān)命令。

3.2 PID 調(diào)節(jié)

利用如表1所示的Z－N臨界比例法整定公式［6－7］，計(jì)算出 PID 參數(shù)，然后再切換到 PID 自動(dòng)控制過程。在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，電阻爐是一個(gè)滯后系統(tǒng)，控制的過程中超調(diào)量較大，運(yùn)用PI控制器能夠有效地校正滯后，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。

表1 PID參數(shù)整定公式

4 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

4.1 實(shí)驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)過程中，上位機(jī)接收到的信號(hào)為經(jīng)過放大濾波后的電壓信號(hào)，為了能準(zhǔn)確地控制設(shè)定溫度，采用線性擬合法對(duì)熱電偶電壓－溫度值關(guān)系進(jìn)行處理［8］，從而可以通過設(shè)定電壓的方法設(shè)定溫度值。圖5是熱電偶電勢(shì)與溫度關(guān)系擬合曲線。

圖5 熱電偶電勢(shì)與溫度關(guān)系擬合曲線

通過 Matlab的 cvtool曲線擬合工具箱［9］，得出測(cè)得的電壓與溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系:t=94.91c－102.3。依據(jù)此關(guān)系式可通過設(shè)定電壓來預(yù)測(cè)控制溫度，圖6所示曲線分別為設(shè)定溫度100℃、200℃、400℃時(shí)電壓的控制曲線［10］。橫坐標(biāo)表示時(shí)間，每個(gè)點(diǎn)代表20 s，縱坐標(biāo)表示采集到的電壓值(為了方便顯示，電壓值放大10倍)。觀察3條控制曲線不難發(fā)現(xiàn)，在時(shí)間軸達(dá)到100(約30 min)以后，電壓曲線基本趨于直線，上下浮動(dòng)不超過0.1 V。根據(jù)電壓與對(duì)應(yīng)溫度的關(guān)系，爐子溫度穩(wěn)定后浮動(dòng)為±1℃，對(duì)于電阻爐這種滯后性強(qiáng)、易受干擾的加熱裝置，這表示控制結(jié)果比較理想。

圖6 控制曲線

4.2 結(jié)果分析

從控制曲線來看，在設(shè)定溫度為100℃時(shí)，時(shí)間經(jīng)過50個(gè)點(diǎn)左右，曲線趨于平緩且穩(wěn)定，每個(gè)點(diǎn)代表20 s，即爐子從室溫達(dá)到設(shè)定溫度的時(shí)長(zhǎng)大約在17 min。當(dāng)設(shè)定溫度為200℃時(shí)，時(shí)間經(jīng)過60個(gè)點(diǎn)左右，曲線趨于平緩達(dá)到平衡，即20 min左右。當(dāng)設(shè)定溫度是400℃時(shí)，時(shí)間經(jīng)過80個(gè)點(diǎn)左右，曲線趨于平緩達(dá)到平衡，即26 min左右。由爐溫達(dá)到平衡的曲線走勢(shì)可知，當(dāng)設(shè)定的溫度越高，爐溫達(dá)到平衡的時(shí)間就相對(duì)較長(zhǎng)，且燃燒過程中的最高溫度與設(shè)定溫度的差值也較大。

5 結(jié)束語

系統(tǒng)以LabVIEW2010為控制平臺(tái)，設(shè)計(jì)了操作簡(jiǎn)單、控制效果良好的電阻爐溫度測(cè)控系統(tǒng)。系統(tǒng)運(yùn)用外圍器件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及控制，提高了控制穩(wěn)定性和響應(yīng)速度，取得了預(yù)期的控制效果。與其他控制系統(tǒng)不同，該系統(tǒng)在控制過程中抗干擾性較強(qiáng)，電阻爐在封閉的無干擾或是開放的有干擾狀態(tài)下控制效果均良好，在不同設(shè)定值下均能夠達(dá)到期望的精度，且可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)設(shè)置、狀態(tài)監(jiān)控、數(shù)據(jù)記錄［11］。在實(shí)驗(yàn)中由于NI USB6009具有多個(gè)輸入輸出通道，可以方便與上位機(jī)通信，經(jīng)過簡(jiǎn)單擴(kuò)展，便可構(gòu)成多點(diǎn)爐溫監(jiān)控系統(tǒng)［12］，在工廠和實(shí)驗(yàn)室均具有較好的推廣價(jià)值。

［1］張鈺玲.基于LabVIEW實(shí)現(xiàn)神經(jīng)PID溫度控制［J］.自動(dòng)化與儀器儀表，2009(141):10－11.

［2］葛譽(yù).單片機(jī)在電阻爐溫度控制系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品，2009(22):19.

［3］劉大易，趙玉曉.電加熱爐溫度模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.鍋爐制造，2010(4):58 －60.

［4］李揚(yáng)，謝暉.基于LabVIEW的PID控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.中國(guó)測(cè)試技術(shù)，2008，34(3):74 －76.

［5］趙景波.MALAB控制系統(tǒng)仿真與設(shè)計(jì)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2010.248 －249.

［6］潘帥，楊平.用于繼電反饋?zhàn)哉ǖ腜ID參數(shù)整定公式［J］.機(jī)電一體化，2009(10):59－61.

［7］楊平，潘帥.調(diào)節(jié)性能最優(yōu)的繼電反饋PID整定公式［J］.自動(dòng)化儀表，2010，31(12):43 －45.

［8］郭煥剛，侯力，李東占.電阻爐溫度控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2009(6):52 －54.

［9］歐陽明松，徐連民.基于MATLAB的試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合［J］.南昌工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，29(4):24 －28.

［10］孟武勝，金敏，張?jiān)?基于LabVIEW的流量信號(hào)采集與處理［J］.機(jī)電一體化，2011(9):78－81.

［11］劉潤(rùn)，李云鵬，尤文.基于LabVIEW的鐵水溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2010，31(4):467 －470.

［12］陽江源，王福吉.基于LabVIEW的數(shù)控機(jī)床多通道溫度測(cè)量系統(tǒng)［J］.控制與檢測(cè)，2010(12):58－60.

［13］范偉，崔長(zhǎng)彩，葉瑞芳.壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器電源溫度控制系統(tǒng)研究［J］.壓電與聲光，2011(6):946 －949.

［14］任春華，馬寶春，張敬棟，等.基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的石英加速度計(jì)的溫度控制［J］.壓電與聲光，2011(6):890－893.

［15］金杰，顏祺，陳立，等.外腔半導(dǎo)體激光器的高精度雙穩(wěn)溫度控制［J］.激光雜志，2006(2):38－39.