基于LabVIEW的測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

柯龍章　楊宇卿

摘要：該文以LabVIEW、數(shù)據(jù)采集卡PCL-818L和被控對(duì)象溫控爐組成計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)，利用LabVIEW的編程進(jìn)行PID控制，實(shí)現(xiàn)溫度的測(cè)量和控制。實(shí)驗(yàn)證明該測(cè)控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)時(shí)間短，靈活性強(qiáng)，性價(jià)比高。

關(guān)鍵詞：LabVIEW；數(shù)據(jù)采集；溫控爐；PID控制

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2014）35-8561-02

計(jì)算機(jī)技術(shù)和儀器技術(shù)的高速發(fā)展共同孕育出革命性技術(shù)——虛擬儀器系統(tǒng)，開(kāi)辟了測(cè)控技術(shù)的新紀(jì)元。軟件是虛擬儀器的核心，是集成儀器的基礎(chǔ)；虛擬儀器軟件的一個(gè)關(guān)鍵要求是能開(kāi)發(fā)出可重用的代碼模塊，美國(guó)國(guó)家儀器公司NI（National Instruments）提出“軟件即是儀器”的概念，推出了LabVIEW直觀的流程圖編程風(fēng)格的軟件開(kāi)發(fā)和運(yùn)行平臺(tái)，引發(fā)了測(cè)控技術(shù)領(lǐng)域的一場(chǎng)重大變革，使得計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)得以長(zhǎng)驅(qū)直入儀器領(lǐng)域，開(kāi)啟了虛擬儀器（VI）的先河。LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench——實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工程平臺(tái)）是NI公司（National Instruments Corporation）于1986年推出的一種高效的圖形化軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境。LabVIEW不僅僅是一個(gè)開(kāi)發(fā)環(huán)境，它同時(shí)還是為替代常規(guī)的文本式編程語(yǔ)言而開(kāi)發(fā)的功能強(qiáng)大的編程語(yǔ)言，又被成為G語(yǔ)言（graphical language）。與Microsoft C、QuickBasic或LabWindows/CVI等文本語(yǔ)言的一個(gè)重要區(qū)別是：LabVIEW是一種圖形編程語(yǔ)言，技術(shù)人員不用掌握太多的計(jì)算機(jī)編程知識(shí)，只需通過(guò)定義和連接代表各種功能模塊的圖標(biāo)，就能方便迅速地建立起通常只有編程技巧高超的程序員才能編制出的高水平應(yīng)用程序。

本文以研華公司的數(shù)據(jù)采集卡PCL-818L以及LabVIEW在如何實(shí)現(xiàn)PID控制溫控爐的溫度的設(shè)計(jì)。

1 數(shù)據(jù)采集

虛擬儀器的硬件平臺(tái)由計(jì)算機(jī)和I/O接口設(shè)備兩部分組成。I/O接口設(shè)備主要完成信號(hào)的輸入采集、放大、模/數(shù)轉(zhuǎn)換任務(wù)。本實(shí)驗(yàn)使用的是PC-DAQ/PCI插卡式虛擬儀器系統(tǒng)。

LABVIEW獲取數(shù)據(jù)的方法是通過(guò)對(duì)I/O接口設(shè)備的驅(qū)動(dòng)來(lái)完成的。通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡獲取數(shù)據(jù)是虛擬儀器獲取數(shù)據(jù)的渠道之一，也是構(gòu)成虛擬儀器的最基本方式。通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡獲取數(shù)據(jù)的虛擬儀器稱為PC-DAQ/PCI卡式儀器。

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用的是研華公司生產(chǎn)的PCL-818L來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的，在此做一下簡(jiǎn)單介紹。PCL-818L在PCL-818系列中屬于入門(mén)級(jí)板卡，除了具有40kHz采樣速率及只能接受雙極性輸入外，此卡具有PCL-818系列其它板卡同樣的功能：12位A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換、數(shù)字量輸入、數(shù)字量輸出和計(jì)數(shù)器/定時(shí)器。

2 溫控爐內(nèi)部工作原理

計(jì)算機(jī)定時(shí)對(duì)爐溫進(jìn)行測(cè)量和控制，爐內(nèi)溫度由一半導(dǎo)體熱電阻進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量信號(hào)經(jīng)變換放大后輸出到數(shù)據(jù)采集卡，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字量后，再送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行運(yùn)算和判別，由計(jì)算機(jī)輸出一個(gè)控制信號(hào)，控制加熱爐電源的接通時(shí)間，從而控制電爐的電功率。

如圖1所示為加熱爐內(nèi)部控制電路圖，此電路圖分為兩部分，左邊為測(cè)量電路，右邊為控制電路。現(xiàn)分別分析如下：對(duì)于測(cè)量電路而言，最左邊的是熱敏電阻，它會(huì)隨溫度的變化，阻值做相反的變化，而它兩端的電壓也相應(yīng)變化，當(dāng)溫度升高時(shí)，它兩端的電壓降低，經(jīng)起放大作用的三極管，放大后的電壓信號(hào)也降低，經(jīng)過(guò)起隔離作用的1：1電壓跟隨器和反向器后輸出到接線板上，也就是我們所測(cè)得的電壓信號(hào)，同時(shí)也是模擬量輸入值，圖中的+12V和—12V電壓用來(lái)調(diào)節(jié)室溫時(shí)的電壓值，起調(diào)零作用，+5V電壓為工作電壓；右邊的電路是控制電路，當(dāng)CONTROL INPUT輸入為低電平時(shí)，發(fā)光二極管導(dǎo)通，雙向二極管導(dǎo)通，則電路是通路，電阻絲發(fā)熱，溫控爐內(nèi)溫度升高，相反，當(dāng)CONTROL INPUT輸入為高電平時(shí)，發(fā)光二極管、雙向二極管均不導(dǎo)通，則電路不通，電阻絲不工作，溫控爐內(nèi)部溫度隨著熱量的散發(fā)而降低，因此，控制CONTROL INPUT端子的輸入，從而來(lái)控制溫控爐內(nèi)部的溫度。

3 PID算法的數(shù)字實(shí)現(xiàn)[]

由于DDC（Direct Digital Control）系統(tǒng)是一種時(shí)間離散控制系統(tǒng)。因此，因?yàn)橛梦C(jī)實(shí)現(xiàn)，必須將其離散化，用數(shù)字形式的差分方程來(lái)化替連續(xù)系統(tǒng)的微分方程。離散化的PID表達(dá)式在第K次采樣PID的輸出式為：

U（k）=U（k-1）+（[Kp]+[Ki]+[Kd]） E（K）-（[Kp]+2[×][Kd]） E（K-1）+[Kd][×]E（K-2） 式（1）

其中，設(shè)： [Kp]――比例常數(shù)

[Ki]=[Kp?TTi]――積分常數(shù)

[Kd]=[Kp?TdT]――微分常數(shù)

4 溫度與電壓關(guān)系的確定

本實(shí)驗(yàn)所用加熱爐是采用熱敏電阻作為感溫器件。熱敏電阻感受溫度變化后，它的電阻值將會(huì)發(fā)生改變，從而引起電壓的變化。通過(guò)數(shù)據(jù)線將電壓信號(hào)送入接線板，進(jìn)而通過(guò)數(shù)據(jù)線被安裝在主機(jī)箱內(nèi)的數(shù)據(jù)采集卡PCL-818L所采集，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，通過(guò)軟件對(duì)其進(jìn)行分析、處理，再通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換輸出，對(duì)溫控爐中的熱敏電阻的工作狀態(tài)進(jìn)行控制，以達(dá)到對(duì)爐溫進(jìn)行控制的目的。

我們所測(cè)量的實(shí)際是電壓值，而要得到溫度值，還需要知道電壓值與溫度值之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，此對(duì)應(yīng)關(guān)系通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定。將溫控爐、接線板間的線連接好，插上電源，對(duì)溫控爐進(jìn)行加熱，并用溫度計(jì)對(duì)爐內(nèi)氣體溫度進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)從計(jì)算機(jī)上讀取指定Analog Input通道的電壓值，測(cè)得一組（V，T）數(shù)據(jù)，通過(guò)Matlab軟件得到其函數(shù)關(guān)系，如圖2所示。為了能較好的描述二者的函數(shù)關(guān)系，現(xiàn)用Matlab軟件對(duì)其進(jìn)行仿真，以確定其函數(shù)關(guān)系式，通過(guò)進(jìn)行了5次仿真，只有圖3所示最為精確，故通過(guò)仿真曲線的對(duì)比分析，可確定為四次函數(shù)關(guān)系，其關(guān)系式為

按理論分析，溫度與電壓的關(guān)系應(yīng)該近似為線性關(guān)系，然而由于溫度計(jì)測(cè)量的是溫控爐內(nèi)空氣的溫度；讀溫度計(jì)上的數(shù)據(jù)時(shí)產(chǎn)生誤差；計(jì)算機(jī)上數(shù)據(jù)在某一段時(shí)間變化很快，此期間的讀數(shù)會(huì)有較大的誤差；讀電壓與溫度的兩個(gè)人不同步等等都會(huì)造成上述曲線的產(chǎn)生。需要特別說(shuō)明的是：以上所提及的誤差是不可避免的，只能盡量的減小，而圖3亦是在本組成員反復(fù)測(cè)量，盡最大努力減小誤差的情況下測(cè)出的。

5 PID參數(shù)的確定

PID控制中最主要的三個(gè)常數(shù)是增益常數(shù)K，積分時(shí)間常數(shù)TI，微分時(shí)間常數(shù)TD。如溫控爐的數(shù)學(xué)模型確定滯后時(shí)間τ=80秒，T=160秒，由擴(kuò)充響應(yīng)曲線的經(jīng)驗(yàn)公式可計(jì)算得到各參數(shù)值，在這里，取控制度為1.2，T0=0.16*t=12.8秒，KP=1.0*T/t=2，TI=1.9*t=152秒，TD=0.55*t=44秒，KI=KP*T/TI=0.17，KD=KP*TD/T=6.8。因?yàn)镵，TI，TD三個(gè)常數(shù)值的大小取決于控制對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性，過(guò)大和過(guò)小都將會(huì)使輸出變量產(chǎn)生振蕩，但對(duì)于控制目標(biāo)是動(dòng)態(tài)變化的系統(tǒng)，這三個(gè)參數(shù)也應(yīng)該根據(jù)控制目標(biāo)在不同區(qū)間的變化而做適當(dāng)?shù)男Ｕ?，因此上述由?jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到的參數(shù)僅做參考。由PID離散化的數(shù)字表達(dá)式可在LabVIEW環(huán)境中設(shè)計(jì)PID控制器如圖4所示，參照經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出的三個(gè)參數(shù)值，并經(jīng)過(guò)大量的反復(fù)調(diào)試、修改，最終構(gòu)成在LabVIEW中實(shí)現(xiàn)用PID控制的恒溫控制系統(tǒng)。

6 總結(jié)

從系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和測(cè)試應(yīng)用等方面 ，同其他方法相比，利用LabVIEW和數(shù)據(jù)采集卡組建基于虛擬儀器信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)具有一定的優(yōu)越性，其開(kāi)發(fā)時(shí)間短，靈活性強(qiáng)、高性價(jià)比、技術(shù)更新快、易于網(wǎng)絡(luò)化等，這些都是傳統(tǒng)儀器不可能實(shí)現(xiàn)的功能。

參考文獻(xiàn)：

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