基于LabVIEW的PID水溫控制系統(tǒng)

王振帥　陳明　李超超

摘要：針對實驗室化學(xué)類儀器儀表需對參與反應(yīng)的混合溶液進行恒溫控制的需求，設(shè)計了實驗室水溫控制系統(tǒng)。該水溫控制系統(tǒng)以DS18b20傳感器為溫度測量工具，51單片機為處理器，LabVIEW語言為上位機設(shè)計語言。實驗結(jié)果表明該系統(tǒng)達到了預(yù)期的溫度控制效果，可快速確定當前環(huán)境下的P、I、D參數(shù)，實現(xiàn)了參數(shù)的整定。系統(tǒng)充分發(fā)揮了上位機和下位機的優(yōu)勢，可觀測實時采集數(shù)據(jù)結(jié)果，便于對結(jié)果進行分析，相比傳統(tǒng)的單片機控制更加簡便高效。

關(guān)鍵詞：恒溫控制；LabVIEW語言；參數(shù)整定；實時采集

DOIDOI：10.11907/rjdk.172447

中圖分類號：TP319

文獻標識碼：A文章編號文章編號：16727800（2018）003013903

英文摘要Abstract：Aiming at the chemical instrumetation which need thermostatical control for reactions in the lab，designed Laboratory water temperature control system.This control system take DS18b20 sensor as temperature measurement tool，51 singlechip as processor，LabVIEW as the upper monitor designed language.Multiple experiment results showed the designed temperature control system achieved expected temperature control effect，at the same time， it is able to confirm P、I、D parameters suitable for current environment，realized parameters setting.This designed system makes full use of advantages of the upper monitor and the lower monitor， it is able to collect real data results， it is convenient for results analysis ，more simple and efficient than traditional singlechip.

英文關(guān)鍵詞Key Words：thermostatical control； LabVIEW language； parameters setting； realtime collect

0引言

溫度控制在日常生活中應(yīng)用廣泛，分類較多，控制方法不盡相同，其中以PID控制法最為常見。PID控制具有原理簡單、易于實現(xiàn)、適應(yīng)性強等諸多優(yōu)點。傳統(tǒng)的設(shè)計一般是將PID算法寫入MCU中，通過按鍵調(diào)節(jié)PID參數(shù)來改變控制效果，步驟繁瑣、耗時耗力，需要經(jīng)驗豐富的工程技術(shù)人員完成。本系統(tǒng)將PID算法集成在LabVIEW上位機中，簡單高效；實時溫度數(shù)據(jù)以曲線的形式顯示在前端界面，直觀形象；通過設(shè)置不同參數(shù)得到相互間的溫度對比曲線，初步實現(xiàn)PID參數(shù)的整定。MCU（下位機）經(jīng)溫度傳感器采集溫度數(shù)據(jù)，通過USB串口傳輸至上位機。系統(tǒng)將上位機的“指揮”作用和下位機的“執(zhí)行”作用結(jié)合起來，充分發(fā)揮了上、下位機的優(yōu)勢。系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

1溫度數(shù)據(jù)采集

1.1MCU溫度數(shù)據(jù)獲取

采用DS18b20數(shù)字溫度傳感器測量水溫。該傳感器具有體積小、硬件開銷低、抗干擾能力強、精度高等特點[1]。DS18B20采用一根I/O總線讀寫數(shù)據(jù)[2]，抗干擾能力強，適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量，使用方便。外部供電模式下單只DS18b20電路連接如圖2所示。

DS18b20對讀寫數(shù)據(jù)位有嚴格的時序要求[3]，完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過3個步驟，每一次讀寫之前都要對DS18B20進行復(fù)位操作，復(fù)位成功后發(fā)送一條ROM指令，最后發(fā)送RAM指令，這樣才能對DS18B20進行預(yù)定操作。MCU代碼實現(xiàn)如下：

void ReadTemperature（）

{

Initial_DS18B20（）；

writechar（0xcc）；

writechar（0x44）；

delay（125）；

Initial_DS18B20（）；

writechar（0xcc）；

writechar（0xbe）；

tempL=ReadOneChar（）；

tempH=ReadOneChar（）；

zheng=tempL/16+tempH*16；

xiaoshu1=（tempL&0x0f）*10/16；

xiaoshu2=（tempH&0x0f）*100/16%10；

xiaoshu=xiaoshu1*10+xiaoshu2；

}

1.2上位機數(shù)據(jù)獲取

MCU啟動后，程序初始化，然后“被動”地等待來自上位機的數(shù)據(jù)采集命令。當上位機向MCU發(fā)送指令時，程序產(chǎn)生中斷，進入中斷服務(wù)函數(shù)，在中斷函數(shù)中判斷所接收的指令是否為數(shù)據(jù)采集指令。若是，MCU啟動溫度采集程序，從溫度傳感器讀取當前溫度數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集完成后通過USB串口將結(jié)果傳送至上位機；若中斷指令不是采集指令，則跳出中斷或執(zhí)行其它操作，數(shù)據(jù)采集周期完成，其過程如圖3所示。

2PID算法設(shè)計

PID控制即比例、積分、微分控制，具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、易于調(diào)節(jié)等優(yōu)點[4]。PID控制核心是PID算法設(shè)計，實際應(yīng)用中先將PID模擬控制規(guī)律離散化轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字控制規(guī)律，然后通過編程完成。

如圖4所示，模擬PID控制器的數(shù)學(xué)表達式[5]為

u（t）=Kp[e（t）+1Ti∫t0e（τ）dτ+Tdde（t）dt]（1）

式（1）中，e（t）為系統(tǒng)偏差量，e（t）= r（t）- c（t），Kp為比例系數(shù)，Ti為積分時間常數(shù)，Td為微分時間常數(shù)。將式（1）進行離散化，可作如下近似處理：

u（t）=u（k）

e（t）=e（k）

∫t0e（t）dt≈∑kj=0Te（j）

de（t）dt≈e（k）-e（k-1）T

其中：T為采樣時間，K為序號。替換后得到數(shù)字型PID算法：

u（k）=Kp[e（k）+TTi∑kj=0e（j）+Tde（k）-e（k-1）T]（2）

式（2）整理變形得：

u（k）=Kpe（k）+Ki∑kj=0e（j）+Kd[e（k）-e（k-1）]（3）

式（3）中，Ki=Kp/Ti，Kd=KpTd/T

式（3）所示的數(shù)字型PID算法軟件實現(xiàn)流程[6]如圖5所示。

基于LabVIEW的PID算法程序如圖6所示。

3上位機程序設(shè)計

LabVIEW是一種程序開發(fā)環(huán)境，由美國國家儀器（NI）公司研制開發(fā)，使用圖形化編輯語言G編寫程序，程序是框圖形式[7]。

本系統(tǒng)采用LabVIEW設(shè)計上位機，前面板溫度顯示采用XY圖和溫度顯示控件，可直觀顯示溫度當前值和溫度變化曲線[8]。前面板如圖7所示，功能分別為串口選擇、溫度和采集點數(shù)設(shè)置、PID參數(shù)設(shè)置、溫度數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)、圖形保存等。后面板主要實現(xiàn)對下位機控制，包括溫度采集命令、帕爾貼加熱和停止加熱命令、PID算法等。后面板程序?qū)崿F(xiàn)[9]如圖8所示。

4實驗結(jié)果

4.1溫度控制

當設(shè)定溫度為35℃時，得到如圖9所示的溫度曲線，可見最終溫度穩(wěn)定在34.5℃～35.5℃之間，誤差在±0.5℃以內(nèi)，在精度要求不高的情況下可基本滿足控制要求。

4.2參數(shù)整定

PID參數(shù)整定，就是在特定環(huán)境下選擇最適合被控對象的P、I、D參數(shù)，使控制效果達到最佳[10]，本系統(tǒng)通過溫度曲線效果對比的方式達到整定參數(shù)的目的。

溫度設(shè)置為35℃，采集點數(shù)設(shè)置為500次。首先將Kp、Ki、Kd分別設(shè)為2、0.002、0.05。運行程序，點擊“采集數(shù)據(jù)”按鈕，程序開始自動采集數(shù)據(jù)，得到如圖10（a）所示的溫度曲線，采集完成后保存為曲線1。然后修改Ki為0.02，其余參數(shù)不變，重新采集數(shù)據(jù)，得到如圖10（b）所示的溫度曲線，采集完成后保存為曲線2。通過圖10（c）中兩條溫度曲線對比可知，曲線1采集溫度在設(shè)置溫度附近波動，誤差較小，說明P、I、D參數(shù)選擇合理； 曲線2采集溫度超調(diào)量過大，效果不如曲線1好。

從對比曲線可以清晰看到相同條件下不同參數(shù)溫度曲線之間的差異，由此可研究P、I、D參數(shù)對溫度的影響，達到整定參數(shù)的目的。

5結(jié)語

大量實驗證明本文設(shè)計的控制系統(tǒng)實現(xiàn)了水溫的恒定控制，達到了初步整定PID參數(shù)的效果，適用于對溫度精度要求不太嚴格（誤差為±0.5℃）的控制場合。本設(shè)計結(jié)合了上位機LabVIEW和下位機MCU的優(yōu)點，實現(xiàn)簡單、過程清晰、操作方便，可實時觀測采集的溫度數(shù)據(jù)，直觀形象，有助于系統(tǒng)的調(diào)試和分析。

參考文獻參考文獻：

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[10]李國文，趙永建.基于LabVIEW的低速風(fēng)洞風(fēng)速量化PID控制系統(tǒng)設(shè)計[J].自動化儀表，2006，27（8）：2123.

責任編輯（責任編輯：杜能鋼）