基于Matlab GUI的三容水箱液位實時監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

朱飛宇， 徐志宇， 黃國輝

(1.同濟(jì)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院,上海 201804； 2.博洛尼亞大學(xué) 電氣電子與信息工程學(xué)院,博洛尼亞 40136；3.杭州電子科技大學(xué) 能量利用系統(tǒng)與自動化研究所,杭州 310018)

基于MatlabGUI的三容水箱液位實時監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

朱飛宇1,2， 徐志宇1， 黃國輝3

(1.同濟(jì)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院,上海 201804； 2.博洛尼亞大學(xué) 電氣電子與信息工程學(xué)院,博洛尼亞 40136；3.杭州電子科技大學(xué) 能量利用系統(tǒng)與自動化研究所,杭州 310018)

為了實現(xiàn)三容水箱教學(xué)實驗平臺中液位控制算法的多樣化和可移植性，設(shè)計了基于Matlab圖形用戶界面(Graphic User Interface,GUI)的計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。利用Matlab的串口通信API，通過RS-485/RS-232數(shù)據(jù)通信接口實現(xiàn)對三容水箱液位的數(shù)據(jù)采集和控制。通信采用Modbus RTU協(xié)議確保數(shù)據(jù)的可靠傳輸。系統(tǒng)軟件界面友好、編程方便、操作簡單，同時用戶可以植入算法使系統(tǒng)運(yùn)行于多種模式下。結(jié)果表明，基于Matlab GUI設(shè)計的計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)能夠快速、準(zhǔn)確地繪制出液位響應(yīng)曲線，F(xiàn)lash動畫能夠?qū)崟r模擬出實驗進(jìn)度。

三容水箱； Matlab GUI； 計算機(jī)監(jiān)控； 通信協(xié)議； 響應(yīng)曲線

0 引 言

自動化學(xué)科作為當(dāng)今信息時代最重要的學(xué)科之一，其教學(xué)方式中，實驗教學(xué)成為不可或缺的重要部分?！坝嬎銠C(jī)控制技術(shù)”是自動控制、電子技術(shù)、電氣技術(shù)等專業(yè)教學(xué)中一門重要的專業(yè)課，實驗在該課程教學(xué)方式中更是扮演了舉足輕重的作用。計算機(jī)控制實驗成功的關(guān)鍵在于計算機(jī)與實驗臺的通信效率以及控制算法的選擇。

近年來，國內(nèi)外研究學(xué)者分別通過不同的平臺開發(fā)計算機(jī)控制軟件，包括Delphi、組態(tài)王和C#.NET等[1-5]，都取得了一定的成果，但基于Matlab GUI進(jìn)行上位機(jī)開發(fā)卻并不常見。

Matlab在數(shù)據(jù)分析、矩陣運(yùn)算、算法設(shè)計等方面具有明顯優(yōu)勢，非常適合于對復(fù)雜算法的研究；軟件集成了串口通信API為實現(xiàn)計算機(jī)與實驗臺通信提供便利。Matlab中的GUI模塊提供了圖形用戶界面的設(shè)計向?qū)?，開發(fā)者利用該向?qū)Э梢苑奖?、快捷地設(shè)計出一個界面。文獻(xiàn)[6]中針對數(shù)字信號處理課程中概念抽象、不易理解的教學(xué)難題，利用Matlab GUI開發(fā)了一個教學(xué)軟件，包括信號采集模塊、信號分析模塊、線性系統(tǒng)分析、濾波器設(shè)計模塊和信號處理技術(shù)應(yīng)用模塊[6]。文獻(xiàn)[7]中利用Matlab豐富的工具箱和直觀的GUI界面，設(shè)計并完成了運(yùn)動控制系統(tǒng)課程的可視化虛擬實驗平臺的構(gòu)建[7]。

然而，目前實驗教學(xué)中關(guān)于Matlab GUI的應(yīng)用研究大多集中于仿真虛擬方面，很少涉及控制軟件平臺的開發(fā)。鑒于串口通信和控制算法在計算機(jī)控制系統(tǒng)中的核心地位，以及Matlab GUI模塊在這兩方面具備的獨特優(yōu)勢，本文設(shè)計了基于Matlab GUI的三容水箱實時液位監(jiān)控系統(tǒng)：選擇三容水箱作為下位機(jī)采集控制平臺，在Matlab GUI平臺上實現(xiàn)了計算機(jī)與三容水箱實驗臺的串口通信，通過PID等控制算法控制水箱液位，對計算機(jī)控制實驗的發(fā)展具有重要的意義。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計如圖1所示。系統(tǒng)主要由兩部分組成：①下位機(jī)實現(xiàn)對三容水箱液位的數(shù)據(jù)采集和控制；②上位機(jī)利用Matlab GUI模塊實現(xiàn)對液位的控制操作，實時數(shù)據(jù)曲線的顯示和實驗裝置狀態(tài)的Flash動畫模擬。

圖1 計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1.1系統(tǒng)下位機(jī)

系統(tǒng)下位機(jī)為三容水箱物理實驗平臺，其由3個水箱、1個方形水槽、水泵、進(jìn)水閥門和球閥等部件組成，結(jié)構(gòu)原理圖如圖2所示。該實驗平臺以ADuC834數(shù)據(jù)采集單片機(jī)[8-9]為主控芯片，該芯片基于8051為內(nèi)核，片內(nèi)集成了兩路高分辨率的ADC轉(zhuǎn)換通道及兩路獨立的DAC轉(zhuǎn)換通道，非常適用于多模擬量采集的系統(tǒng)。本系統(tǒng)單片機(jī)實現(xiàn)對水箱液位、溫度和流量的采集，并通過RS-485/RS-232數(shù)據(jù)通信接口與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互，根據(jù)上位機(jī)發(fā)送過來的指令控制水泵、加熱管進(jìn)水閥和放水球閥等執(zhí)行部件。

圖2 三容水箱結(jié)構(gòu)原理圖

本文下位機(jī)主要負(fù)責(zé)對三容水箱液位的信號采集和控制：通過單片硅壓力傳感器實現(xiàn)。隨著液位的上升，容器底部受到的壓力相應(yīng)增大[10]，壓力傳感器將采集到的模擬信號通過16位高精度AD轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并通過RS-232/RS-485串口發(fā)送給上位機(jī)。液位控制是通過控制水泵電壓來實現(xiàn)。上位機(jī)通過串口給下位機(jī)發(fā)送控制指令，通過DAC輸入0～5 V電壓信號，并間接控制可調(diào)開關(guān)電源直流電壓輸出，調(diào)整水泵轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)對液位的控制。

1.2系統(tǒng)上位機(jī)

上位機(jī)軟件是一套基于Matlab GUI界面、動畫仿真、M控制算法文件以及標(biāo)準(zhǔn)通訊模塊為一體的實驗環(huán)境，主要分為以下模塊：

(1) 串口通信。完成與下位機(jī)的數(shù)據(jù)交互。

(2) 控制策略。采用增量式PID控制算法，根據(jù)采集到的液位信息，計算并發(fā)送控制指令。算法獨立編寫在M文件中，用戶可以根據(jù)實驗要求導(dǎo)入自定義算法。

(3) 人機(jī)界面。液位的參數(shù)設(shè)置，PID控制算法的參數(shù)設(shè)置及液位標(biāo)定，繪制液位的實時數(shù)據(jù)曲線，同時以Flash動畫的形式模擬實驗過程。

2 下位機(jī)軟件開發(fā)

下位機(jī)程序采用Keil μVision5集成開發(fā)環(huán)境進(jìn)行開發(fā)。編寫各功能函數(shù)，經(jīng)過調(diào)試、編譯、生成hex文件，再通過WSD軟件將程序下載到ADuC834單片機(jī)中。程序功能函數(shù)如圖3所示。

圖3 下位機(jī)程序架構(gòu)

3 Matlab GUI模塊設(shè)計

3.1串口通信

Matlab GUI模塊配置了串口通信API，支持RS-485/RS-232串口通信[11-12]。只需通過調(diào)用其中的serial類及相關(guān)函數(shù)就能創(chuàng)建串口對象，用戶定義好串口的通信屬性(主要是波特率、起始位、數(shù)據(jù)位、校驗位、停止位和輸入輸出緩沖大小等)即能實現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)的通信，主要函數(shù)如下：

s=serial(‘COM1’); %創(chuàng)建串口對象s，串口號為COM1

set(s,‘BaudRate’,9600,‘StopBits’,1,‘Parity’,‘none’,‘DataBits’,8); %設(shè)置波特率為9600；8位數(shù)據(jù)傳送，一位停止位，無奇偶校驗位；

另外，通信協(xié)議采用Modbus RTU協(xié)議確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)木_。

3.2控制算法

PID控制器有著技術(shù)成熟、魯棒性好、容易理解和掌握等優(yōu)點[13-15]，通過合理的Kp,Ki,Kd整定可以完成對系統(tǒng)的較好控制。PID控制可通過位置式和增量式兩種方式實現(xiàn)。前者在計算時要對偏差量逐一累加，導(dǎo)致在編程時占用大量的存儲單元，因此，本系統(tǒng)選用后者，即增量式PID控制算法。

式中:u(k)和e(k)分別為控制量與偏差量，

Δu(k)=u(k)-u(k-1)

Δe(k)=e(k)-e(k-1)

分別為控制量與偏差量的增量;Kp=1/δ為比例增益;Ki=KpT/Ti為積分系數(shù);Kd=KpTd/T為微分系數(shù)。當(dāng)確定好Kp、Ki、Kd后，只需要存儲前3次的測量值，即可求出Δu(k)，具有誤差影響小的優(yōu)點。

3.3MatlabGUI界面設(shè)計

Matlab GUI界面主要包括：①數(shù)據(jù)顯示面板，包括3個水箱的液位高度顯示和進(jìn)行水溫控制實驗時的溫度顯示；②參數(shù)設(shè)置面板，包括液位參數(shù)、溫度實驗的溫度參數(shù)、控制算法參數(shù)及數(shù)據(jù)采集頻率參數(shù)設(shè)置等；③實驗的開始、結(jié)束等控制指令；④實時數(shù)據(jù)曲線顯示和Flash動畫模擬，另外控制界面還添加了液位標(biāo)定等輔助功能。

界面設(shè)計遵循可視化程度高、操作簡潔、布局合理的原則，現(xiàn)設(shè)計如圖4所示。

(1)系統(tǒng)數(shù)據(jù)顯示與參數(shù)設(shè)置模塊。數(shù)據(jù)顯示面板主要是將上位機(jī)采集到的液位信息直觀地顯示在界面中，便于實驗者觀測；參數(shù)設(shè)置面板是整個人機(jī)界面中最重要的部分，該部分包含了液位的設(shè)定及溫度的設(shè)定，可用于溫度控制實驗，數(shù)據(jù)采集頻率的設(shè)定以及控制液位和溫度的兩組PID參數(shù)的調(diào)整。實驗時可以根據(jù)數(shù)據(jù)顯示面板顯示的數(shù)據(jù)和自己觀察到的實驗現(xiàn)象及時地調(diào)整控制參數(shù)。參數(shù)設(shè)置面板設(shè)計完成效果見圖4(右側(cè)欄綠色線框)。

(2)實時曲線繪制模塊。系統(tǒng)采用基于axes控件完成實時曲線繪制[16-17]。在Matlab GUI界面添加axes控件，并開辟一個2B長度的數(shù)組分別存放目標(biāo)液位和實時液位值。通過axes()函數(shù)設(shè)置當(dāng)前曲線繪制坐標(biāo)，再調(diào)用set()函數(shù)完成曲線的繪制。

曲線繪制相關(guān)函數(shù)如下：

m=[m [Real-yewei;val]];

axes(handles.quxian);

axis([x,x+10,-5,300]);

set(p(1),‘XData’,t,‘YData’,m(1,:));

set(p(2),‘XData’,t,‘YData’,m(2,:));

設(shè)計效果見圖4(左下方藍(lán)色線框)。

(3)Flash動畫演示模塊。考慮到在Matlab GUI中實現(xiàn)一個具有立體效果的水箱顯示難度較大，且并不十分必要，故在該系統(tǒng)中采用合適的矩形來代替水箱的效果。實驗過程中，通過向空白矩形中填充以液位為高的藍(lán)色矩形來動態(tài)地模擬液位的變化過程。設(shè)計效果見圖4(左上方紅色線框)。

圖4 三容水箱計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的Matlab GUI界面設(shè)計效果及液位控制實驗結(jié)果

4 系統(tǒng)測試

根據(jù)Matlab GUI界面設(shè)計，在實驗室環(huán)境下進(jìn)行液位控制實驗，實驗系統(tǒng)搭建如圖5(a)所示，其液位控制過程可抽象為如圖5(b)所示結(jié)構(gòu)。首先設(shè)定好水箱球閥的開口度為30%，設(shè)置目標(biāo)液位為200 mL，根據(jù)經(jīng)驗確定P、I、D控制參數(shù)Kp,Ki,Kd值，配置定時器模式，以1 s的采樣頻率讀取當(dāng)前液位，并繪制實時曲線。PID控制算法計算出當(dāng)前水泵控制電壓，根據(jù)Modbus RTU協(xié)議格式向下位機(jī)發(fā)送報文數(shù)據(jù)，調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)液位對設(shè)定值的跟隨。液位的階躍響應(yīng)曲線見圖4(左下方藍(lán)色線框內(nèi))。

(a)實驗系統(tǒng)樣機(jī)(b)液位控制結(jié)構(gòu)圖

圖5 液位控制系統(tǒng)樣機(jī)及控制原理結(jié)構(gòu)簡圖

結(jié)果表明，通過Matlab GUI模塊設(shè)計的計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對液位的控制且實驗過程穩(wěn)定可靠。上位機(jī)采用PID控制算法，以1 s的頻率發(fā)送采集控制指令，使得水位在到達(dá)目標(biāo)液位附近后能夠快速地達(dá)到動態(tài)平衡，驗證了基于Matlab GUI模塊的計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確和操作界面友好的特點。

5 結(jié) 語

本文利用Matlab GUI，開發(fā)計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了對三容水箱液位的實時控制。不同于常用的開發(fā)軟件Delphi、組態(tài)王和C#.NET，本系統(tǒng)的控制算法獨立寫在M文件中，便于實驗者修改和添加其他算法，且GUI組件編程簡單，實驗數(shù)據(jù)處理快速方便，極大地提高了開發(fā)效率。實驗過程也證明了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，并且系統(tǒng)軟件執(zhí)行效率高，界面功能豐富，對于計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)具有重要的借鑒意義。

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ADesignfortheReal-timeLiquidLevelMonitoringSystemBasedonMatlabGUI

ZHUFeiyu1,2,XUZhiyu1,HUANGGuohui3

(1. School of Electronics and Information Engineering, Tongji University, Shanghai 201804, China;2. College of Electrical, Electronic and Information Engineering, University of Bologna, Bologna 40136, Italy; 3. Institute of Energy Utilization & Automation, Hangzhou Dianzi University, Hangzhou 310018, China)

In order to achieve the algorithm diversification portability of the computer monitoring system in the liquid level control, the paper designed a computer monitoring system based on Matlab graphical user interface (GUI). The system uses Matlab’s serial communication API, and uses the RS-485/RS-232 data communication interface to achieve data collection and controlling for the three-tank. Modbus RTU protocol is applied for communication to ensure the accuracy of data transmission. System software has a friendly interface, easy programming, simple operation and other features, users can implant the algorithm to run the system in a variety of modes. Experimental result shows that design of the computer monitoring system can quickly and accurately draw the level response curve, Flash animation can simulate real-time experimental progress based on Matlab GUI.

three-tank water; Matlab GUI; computer monitoring; communication protocol; response curve

TP 273.5

A

1006-7167(2017)09-0083-04

2016-11-20

國家自然科學(xué)基金項目(71401125);教育部博士點科研基金(20130072110045);同濟(jì)大學(xué)實驗教改項目(0800104150)

朱飛宇(1993-)，男，浙江臺州人，碩士生，主要研究方向為智能控制。Tel.:15988993821；E-mail:zhufy2015@163.com

徐志宇(1982-)，男，山西太原人，博士，高級工程師，碩士生導(dǎo)師，現(xiàn)從事智能自動化應(yīng)用研究。Tel.: 021-69584663；E-mail: xuzhiyu@#edu.cn