基于LabVIEW水溫專家PID控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

吳育聲（李錦記（新會）食品有限公司，廣東 江門 529156）

基于LabVIEW水溫專家PID控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

吳育聲
（李錦記（新會）食品有限公司，廣東 江門 529156）

水溫是工業(yè)上常見的控制對象之一，因其具有大慣性、大滯后等特點(diǎn)，如果控制系統(tǒng)在快速性、準(zhǔn)確性等方面要求較高情況下，控制起來將會有一定困難。混合器水溫控制系統(tǒng)以虛擬儀器開發(fā)工具LabVIEW作為開發(fā)平臺，采用專家PID控制算法對水溫進(jìn)行控制，控制結(jié)果表明基于LabVIEW水溫專家PID控制具有良好的控制效果。

LabVIEW；混合器水溫；專家PID控制

1　LabVIEW概述

LabVIEW是美國國家儀器公司（NATIONAL INSTRUMETS，簡稱NI）開發(fā)的一款具有圖形化編程特點(diǎn)的軟件，全稱是Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench（中文名稱：實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工程平臺）。由于LabVIEW采用數(shù)據(jù)流圖編程，與其它文本編程語言比較，它只需使用圖標(biāo)便能代替文本行進(jìn)行創(chuàng)建應(yīng)用程序，因而更簡單、快捷，同時其還擁有處理工程上復(fù)雜的計(jì)算和分析等強(qiáng)大功能，因而受到廣泛的應(yīng)用和普及。

2　混合器水溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡介

混合器水溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)示意圖如下圖1所示，系統(tǒng)由混合器、熱水泵、冷水泵、變頻器1、變頻器2、溫度傳感器、采集卡（研華PCI-6014）及PC機(jī)等組成。系統(tǒng)是以混合器內(nèi)的水溫為控制對象，由PC機(jī)上安裝的采集卡采集混合器內(nèi)的溫度傳感器信號及輸出電壓信號控制變頻器的頻率以調(diào)節(jié)流入混合器的冷、熱水量從而實(shí)現(xiàn)水溫的控制。

圖1　水溫控制系統(tǒng)示意圖

3　專家PID控制

3.1PID控制原理與算法

在工程實(shí)際應(yīng)用中，PID由于原理簡單、使用方便、魯棒性強(qiáng)、適應(yīng)性廣等優(yōu)點(diǎn)被廣泛使用，其控制規(guī)律如下：

式中，U輸出控制值；KP比例系數(shù)；e偏差信號；TI積分時間常數(shù)；TD微分時間常數(shù)。基于虛LabVIEW的控制是一種采樣控制，因此還需對上式進(jìn)行數(shù)字化，數(shù)字化后的增量式PID控制算法如下：

式中，U（k）為第k個采樣時刻的輸出控制值；k為采樣序號，k=1，2，....；e（k）為第k個采樣時刻的偏差信號；KI=KPT/TI積分系數(shù)；KD=KPT/TD微分系數(shù)。

3.2專家PID控制原理與算法

專家PID控制實(shí)質(zhì)是利用專家的知識和經(jīng)驗(yàn)來設(shè)計(jì)PID參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)對控制對象的最優(yōu)控制。對混合器水溫控制系統(tǒng)來說，首先分析對熱水泵專家PID控制（冷水泵控制原理相同）可能出現(xiàn)的幾種情況及應(yīng)對策略。

（1）若e（k）≥M1，表明混合器水溫設(shè)定值與實(shí)際值偏差很大，控制器應(yīng)按最大輸出控制，以使偏差盡快減少。對于混合器水溫控制系統(tǒng)來說，電機(jī)由變頻器控制，而變頻器又是由采集卡的模擬輸出通道控制，采集卡的模擬輸出最大值為5V，故UMAX=5 V 。

（2）若M2≤e（k）＜M1、△e（k）≥0，表明偏差值較大，并且偏差值還朝增大或保持不變方向發(fā)展，此時控制器應(yīng)按較強(qiáng)的控制輸出才能使偏差盡快減少，則：

（3）若M2≤e（k）＜M1、△e（k）＜0，表明偏差在減少，但偏差值還是較大，控制器可按一般強(qiáng)度的控制輸出，則：

（4）若e（k）＜ M2、△e（k）≥0 ，表明偏差很小，但偏差在朝增大或不變的方向發(fā)展，控制器可按較弱強(qiáng)度輸出，則：

（5）若e（k）＜ M2、△e（k）＜0 ，表明偏差很小，并且偏差在朝減少方向發(fā)展，控制器可按較弱輸出，則：

（6）e（k）≈0，表明偏差基本沒有，系統(tǒng)已基本處于平衡狀態(tài)，控制器輸出可保持不變，則：

上式中，△e（k）=e（k）-e（k-1）；K1增益放大系數(shù)（K1＞1）；K2抑制系數(shù)（0＜ K2＜1）；

M1設(shè)定的較大誤差界限；M2設(shè)定的較小誤差界限。

3.3專家PID控制程序與控制界面設(shè)計(jì)

根據(jù)上面專家PID控制算法，通過調(diào)用LabVIEW的公式節(jié)點(diǎn)，將專家PID控制的程序代碼寫入即可。如圖2所示是專家PID控制的總程序代碼圖。

3.4運(yùn)行結(jié)果

混合器水溫控制系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果如下圖3所示，由圖可見基于LabVIEW水溫專家PID控制具有良好的控制效果。

4　結(jié)語

混合器水溫控制系統(tǒng)以虛擬儀器開發(fā)工具LabVIEW作為開發(fā)平臺，采用專家PID控制算法對水溫進(jìn)行控制，其良好的控制效果表明虛擬儀器技術(shù)在測控領(lǐng)域具有極大的優(yōu)勢，可為廣大工程技術(shù)人員帶來更簡單、快捷、高效的程序開發(fā)環(huán)境，同時也能對控制系統(tǒng)的質(zhì)量有所改善。

圖2　專家PID控制總程序圖

［1］周求湛，錢志鴻，劉萍萍，戴宏亮. 虛擬儀器與LabVIEWTM7 Expresst 程序設(shè)計(jì)［M］. 北京： 北京航空航天大學(xué)出版社，2004.

［2］劉金琨.先進(jìn)PID控制及其MATLAB仿真［M］. 北京： 電子工業(yè)出版社，2003.

圖3　溫控制系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.14.249

吳育聲（1981-），男，廣東肇慶人，本科，機(jī)電工程師，主要從事機(jī)電工程設(shè)計(jì)、安裝與管理工作。