基于LabVlEW的溫度采集和控制系統(tǒng)研究

秦永晉，郭 亮，付力揚(yáng)

（洛陽(yáng)LYC軸承有限公司，471003）

基于LabVlEW的溫度采集和控制系統(tǒng)研究

秦永晉，郭 亮，付力揚(yáng)

（洛陽(yáng)LYC軸承有限公司，471003）

溫度采集和控制系統(tǒng)在功能上表現(xiàn)出了較大的弊端，即系統(tǒng)功能性滯后，在采集控制過(guò)程中呈現(xiàn)非線性特征，在功能表達(dá)過(guò)程中很難建模。過(guò)去用的控制方法為PID法，其在控制輸出的過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)不利于系統(tǒng)運(yùn)行的問(wèn)題，如比例沖擊和微變等。因此本文主要研究的是一種基于LabVIEW的控制器，是在傳統(tǒng)PID基礎(chǔ)上發(fā)展形成的，其為FI-FP-FD控制器，又稱為新型模糊PID控制器，其在溫度采集與控制系統(tǒng)中發(fā)揮了較大的作用。

溫度采集和控制系統(tǒng)；LabVIEW；FI-FP-FD控制器

0　引言

溫度采集與控制系統(tǒng)廣泛的應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)以及人們的日常生活中，隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)于溫度采集控制系統(tǒng)的功能性要求也越來(lái)越高。因此，傳統(tǒng)的PUD控制被新型的模糊PID控制取代是大勢(shì)所趨。新型模糊PID控制器是時(shí)代發(fā)展的產(chǎn)物，其主要依靠LabVIEW作為虛擬器開發(fā)工具，使得控制器在數(shù)據(jù)采集和界面控制等方面表現(xiàn)出了較大的突破與優(yōu)勢(shì)。鑒于此，本文對(duì)于基于LabVIEW的溫度采集和控制系統(tǒng)的研究具有較大的意義。

圖1　溫度采集與控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)及工作原理

溫度采集和控制系統(tǒng)在組成上主要包括采集、檢測(cè)、控制顯示、執(zhí)行和調(diào)理5部分單元，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)運(yùn)行的設(shè)備核心主要依附于計(jì)算機(jī)。其具體的結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

由圖1可以看出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的運(yùn)行主要以計(jì)算機(jī)設(shè)備為主線，在運(yùn)行之前要通過(guò)計(jì)算機(jī)設(shè)置一定的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，例如干燥箱的電阻絲要預(yù)先設(shè)置出一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的溫度理想值，使得在晶閘管通過(guò)主電路對(duì)其加熱的過(guò)程中得到一定的控制，避免系統(tǒng)運(yùn)行出現(xiàn)問(wèn)題。此外，還要在計(jì)算機(jī)內(nèi)預(yù)先設(shè)置好控制算法，從而實(shí)現(xiàn)后期對(duì)溫度信號(hào)的控制。溫度采集和控制系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的基本原理主要包括兩個(gè)方面的內(nèi)容，一方面是溫度值到電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)化，另一方面是電壓信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)化。前者主要是通過(guò)電阻絲和K型熱電偶的作用使得電壓信號(hào)傳輸?shù)絎P-C803智能數(shù)字顯示控制儀上，電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波處理以后，進(jìn)入第二個(gè)環(huán)節(jié)，即在A/D變換器作用下實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)化。

在模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)以后，要繼續(xù)發(fā)生作用，即數(shù)字信號(hào)要經(jīng)過(guò)CB-68LP非屏蔽I/Q接線盒、NI-DAQ數(shù)據(jù)采集卡PCI-6251等操作處理設(shè)備，通過(guò)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)處理將信號(hào)輸入到計(jì)算機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)相關(guān)軟件對(duì)信號(hào)的管理。信號(hào)進(jìn)入到計(jì)算機(jī)以后，計(jì)算機(jī)會(huì)發(fā)揮其預(yù)制功能，通過(guò)預(yù)先設(shè)計(jì)好的算法實(shí)現(xiàn)對(duì)控制量的精確計(jì)算，然后進(jìn)行信號(hào)傳輸?shù)目赡娌僮鳎瑢?biāo)準(zhǔn)的溫度值信號(hào)傳輸?shù)诫娮杞z，從而達(dá)到控制溫度的目的。

基于LabVIEW的溫度采集和控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和功能優(yōu)化，在該系統(tǒng)中具備精準(zhǔn)的采集單元和控制機(jī)構(gòu)，再加上屏幕讀取顯示等機(jī)構(gòu)使得系統(tǒng)逐漸完善。除此之外，該系統(tǒng)中還設(shè)置了超溫預(yù)警功能，使得在電阻絲溫度過(guò)高時(shí)發(fā)出預(yù)警信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的及時(shí)控制。

新型模糊PID控制系統(tǒng)具備良好的適應(yīng)性，操作起來(lái)較為方便且便于打印存檔等操作，在工作運(yùn)行過(guò)程中表現(xiàn)出了較好的靈活性。

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

基于LabVIEW的溫度采集與控制系統(tǒng)的硬件組成為該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本組成，即溫度檢測(cè)單元溫度傳感器，信號(hào)調(diào)理單元智能數(shù)字顯示儀器，數(shù)據(jù)采集單元數(shù)據(jù)采集板卡和控制執(zhí)行單元觸發(fā)器，其具體選擇的硬件名稱如圖1所示。

基于LabVIEW的溫度采集與控制系統(tǒng)在系統(tǒng)硬件組成的選擇過(guò)程中要遵循以下基本原則：溫度檢測(cè)單元要靈敏，同時(shí)要具備較好的抗氧化和腐蝕等特性；信號(hào)調(diào)理單元要直觀，反應(yīng)過(guò)程要連續(xù)；數(shù)據(jù)采集單元要保證信號(hào)采集的速率以及信號(hào)的質(zhì)量；控制執(zhí)行單元要保證多元化、智能化以及便捷化等特征。

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)是基于LabVIEW的溫度采集與控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難點(diǎn)，同時(shí)也是控制過(guò)程實(shí)施的核心組成部分。其在組成上包括新型FI-FP-FD控制器和模糊控制規(guī)則，即在一定程度上歸于對(duì)計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)。

3.1新型FI-FP-FD控制器設(shè)計(jì)

新型FI-FP-FD控制器在設(shè)計(jì)過(guò)程中其主要目標(biāo)是為了克服傳統(tǒng)PID控制系統(tǒng)中存在的比例沖擊和微變。因此，在設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)于誤差的計(jì)算方式選擇為一般的積分運(yùn)算，在設(shè)置過(guò)程參數(shù)時(shí)引入比例和微分運(yùn)算兩種，從而保證不會(huì)出現(xiàn)給定值跳躍變化和負(fù)載干擾等影響因素。

新型FI-FP-FD控制器又可以分為模糊I控制器、模糊P控制器和模糊D控制器，在設(shè)計(jì)原理中二者均是在傳統(tǒng)控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。例如模糊I控制器，其傳統(tǒng)的積分輸出可以表示為：在通過(guò)變換以后，即從雙線性和z反變換以后得到的表達(dá)式為，最后在實(shí)現(xiàn)到模糊I控制器的計(jì)算時(shí)則引入了一定的積分增益，從而實(shí)現(xiàn)了從傳統(tǒng)到新型的轉(zhuǎn)變。

在新型FI-FP-FD控制器中需要將模糊比例控制作用于模糊微分控制的增益效果求和，在其基礎(chǔ)上在減去模糊積分控制作用，即表達(dá)式為。鑒于其計(jì)算過(guò)程較為復(fù)雜，本文不再一一贅述，直接得到最終結(jié)果。

圖2　的隸屬度函數(shù)圖象

3.2模糊控制規(guī)則設(shè)計(jì)

在于LabVIEW的溫度采集與控制系統(tǒng)中由于存在3個(gè)模糊控制器，且在結(jié)構(gòu)上三者表現(xiàn)出了極大的相似性，因此在輸入語(yǔ)言值時(shí)要選取6個(gè)變量。如圖2所示，其為變量輸入以后形成的隸屬度函數(shù)圖象。

為了說(shuō)明系統(tǒng)在執(zhí)行控制功能時(shí)的系統(tǒng)操作狀態(tài)，本文給主了不同變量值下對(duì)語(yǔ)言值的控制規(guī)則，以輸入變量值為例，得到相應(yīng)的控制規(guī)則表1。在得到相應(yīng)輸入變量的控制表以后，要通過(guò)模糊推理算法完成對(duì)輸出量的計(jì)算，最終的控制結(jié)果值是在模糊化的基礎(chǔ)上采用重心法得到的。其推算理論十分復(fù)雜，需要建立較多的數(shù)學(xué)模型。

表1　控制規(guī)則表

表1　控制規(guī)則表

通過(guò)對(duì)基于LabVIEW的溫度采集和控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的分析，可以發(fā)現(xiàn)雖然在功能上新型模糊PID控制系統(tǒng)優(yōu)于傳統(tǒng)PID系統(tǒng)，但是在設(shè)計(jì)原理上，其明顯比傳統(tǒng)控制系統(tǒng)復(fù)雜，尤其表現(xiàn)在推算過(guò)程。

4　結(jié)論

綜上所述，本文通過(guò)分析基于LabVIEW溫度采集和控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理分析，說(shuō)明了新型模糊PID控制系統(tǒng)的綜合性能。其不僅改善了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)中存在的弊端，而且在其基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了功能的強(qiáng)化和增益，使得溫度采集和控制系統(tǒng)可以滿足人們的需求，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的穩(wěn)定高效控制。

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［5］吳俊.基于LABVIEW的變風(fēng)量空調(diào)數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)的構(gòu)建［J］.黑龍江科技信息，2008，21：25.

Research of temperature acquisition and control system based on LabVIEW

Qin Yongjin，Guo Liang，F(xiàn)u Liyang
（Luoyang LYC Bearing Co.， Ltd.471003）

The temperature acquisition and control system has a great disadvantage in the function，that is，the system lag，in the process of acquisition and control of nonlinear characteristics，it is difficult to model in the process of functional expression.The control method used in the past is PID method， which is not conducive to the operation of the system in the process of control output， such as the proportion of impact and micro change，etc..This paper mainly studies a LabVIEW based controller is developed on the basis of traditional PID，which is also known as the new FI-FP-FD controller，fuzzy PID controller， which played an important role in the temperature acquisition and control system.

temperature acquisition and control system；FI-FP-FD；LabVIEW controller