周敬東,黃 英,嚴(yán)明霞,林立軍,劉光亞

摘 要:針對水循環(huán)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì),利用圖形化可視虛擬儀器軟件LabVIEW 為軟件開發(fā)平臺(tái),通過溫度傳感器監(jiān)測溫度變化,實(shí)現(xiàn)對溫度數(shù)據(jù)自動(dòng)實(shí)時(shí)采集、分析、處理、顯示與控制。由于大量使用虛擬儀器技術(shù)開發(fā)和設(shè)計(jì),該系統(tǒng)具有硬件設(shè)計(jì)簡單,軟件實(shí)現(xiàn)方便,界面友好,參數(shù)調(diào)節(jié)靈活及顯示結(jié)果直觀準(zhǔn)確等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞:LabVIEW;虛擬儀器;溫度測量;數(shù)據(jù)采集

中圖分類號(hào):TP368.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2009)19-113-03

Design of Water-Cycle Temperature Controlling System Based on Virtual Instrument

ZHOU Jingdong1,HUANG Ying1,YAN Mingxia1,LIN Lijun2,LIU Guangya1

(1.Center of Vehicle Noise & Vibration Control Hubei,Hubei University of Technology,Wuhan,430068,China;

2.Hubei Institute of Measurement and Testing Technology,Wuhan,430071,China)

Abstract:A novel approach is proposed to design a water-cycle temperature controlling system,which using LabView as developing platform to achieve the temperature data sampling,analysis,disposing,displaying and controlling automatically.With the using of the technology of Virtual instrument,the whole developing and designing process is simply,and easy to realize.In prototype system,the characteristic of low-priced hardware,friendly interface,flexible parameter setting and visual result displaying is equipped comparing traditional designing.

Keywords:LabVIEW;virtual instrument;temperature measurement;data sampling

0 引 言

隨著PC、半導(dǎo)體和軟件功能的進(jìn)一步更新,虛擬儀器的功能和性能已被不斷地提高,未來虛擬儀器技術(shù)以其在測量和控制方面的強(qiáng)大功能和靈活性為測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供一個(gè)極佳的模式,在許多應(yīng)用中已成為傳統(tǒng)儀器的主要替代方式[1-3]。

本文以水循環(huán)系統(tǒng)為研究對象,針對水循環(huán)的溫度,在比較研究不同控制策略的基礎(chǔ)上,建立精確的數(shù)學(xué)模型,對水循環(huán)溫度控制進(jìn)行了研究。通過數(shù)據(jù)采集卡對溫度信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集,并由軟件平臺(tái)對采集的信號(hào)進(jìn)行分析,然后用數(shù)學(xué)模型控制算法處理輸出,以使當(dāng)前溫度逼近設(shè)定值,從而達(dá)到溫控目的,最后將采集數(shù)據(jù)保存記錄,以備日后讀取分析。利用虛擬儀器的巨大優(yōu)越性改善水循環(huán)溫度的控制品質(zhì),提高控制效果。

1 水循環(huán)溫度控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立

1.1 水循環(huán)溫控系統(tǒng)介紹

水循環(huán)溫控系統(tǒng)由儲(chǔ)水箱、水泵、傳感器、散熱器和電加熱裝置組成,水循環(huán)原理圖如圖1所示。由于本系統(tǒng)對溫度要求較高,要保證水管環(huán)境溫度保持在20 ℃,故需建立合理的數(shù)學(xué)模型及控制算法,將溫度傳感器PT100采樣性能通過散熱器及電加熱器的動(dòng)態(tài)溫度值模擬出來,最終達(dá)到高精度控制溫度的作用。

圖1 水循環(huán)原理圖

1.2 水循環(huán)溫控系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立

水循環(huán)溫控系統(tǒng)各個(gè)部分的溫度因管道、散熱裝置和加熱裝置的原因會(huì)產(chǎn)生很大的變化。為了表達(dá)清楚達(dá)到預(yù)想的結(jié)果,就需要建立正確的數(shù)學(xué)模型。本設(shè)計(jì)根據(jù)實(shí)際情況,選擇了幾個(gè)特殊的點(diǎn)來建立模型。如圖1所示,A,B,C,D,E,F六個(gè)點(diǎn)的溫度,將引起變化的原因全部考慮進(jìn)去,列出函數(shù)關(guān)系式,然后借助LabVIEW編程,由程序控制溫度。

(1) B點(diǎn)的溫度函數(shù)關(guān)系式

B點(diǎn)為采樣點(diǎn),B點(diǎn)的溫度跟A點(diǎn)的溫度因中間隔水箱會(huì)有一個(gè)延時(shí)K1,取在A點(diǎn)第N個(gè)采樣值經(jīng)過K1延時(shí)之后的平均值為B點(diǎn)的溫度,它的溫度函數(shù)關(guān)系為:

TB(N)=1K1[TA(N-1)+TA(N-2)+

…+TA(N-K1)]

(1)

式中:K1=V1qT,TA(N-1),TA(N-2),…,TA(N-K1)分別為A點(diǎn)第N-1,N-2,…,N-K1個(gè)采樣時(shí)的溫度值;V1為水箱的容積,V1=5 L;q為泵流量,q=0083 L/s;T為采樣周期,T=1 s;

K1:為注滿水箱需要的時(shí)間,即延時(shí)周期,通過計(jì)算K1=60 s。

(2) A點(diǎn)的溫度函數(shù)關(guān)系式

A點(diǎn)的溫度與D點(diǎn)的溫度因水管而有個(gè)延時(shí),故A點(diǎn)的溫度函數(shù)關(guān)系如式(2)所示:

TA(N)=TD(N-K3)

(2)

式中:K3=V3qT;TD(N-K3)為D點(diǎn)第N-K3個(gè)采樣點(diǎn)的溫度;

V3為D點(diǎn)到A點(diǎn)水管的容積,V3=0.5 L;

K3為從D點(diǎn)到A點(diǎn)的延時(shí)周期,通過計(jì)算K3=6 s。

(3) D點(diǎn)的溫度函數(shù)值

D點(diǎn)的溫度與C點(diǎn)溫度相比,不僅僅是水管的散失而延時(shí),還與電加熱裝置有關(guān),函數(shù)關(guān)系如式(3)所示:

TD(N)=TC(N-K2)+ΔTP′

(3)

式中:K2=V22qT;ΔT=PCq;TC(N-K2)為C點(diǎn)第N- K2個(gè)采樣點(diǎn)的溫度;

P為電加熱器的功率,P=1 kW;C為水的比熱容,C=4.18 kJ/kg?℃;

ΔT為電熱前后的溫度變化,通過計(jì)算ΔT=3 ℃;

P′為采樣占控比,通過驗(yàn)證P′=1或0;

V2為C點(diǎn)與D點(diǎn)間水管的容積,V2=1 L;

K2為從C點(diǎn)到D點(diǎn)的延時(shí)周期,通過計(jì)算K2=6 s。

(4) C點(diǎn)的溫度函數(shù)關(guān)系式

C點(diǎn)的溫度與F點(diǎn)的溫度相近,就是F點(diǎn)延時(shí)的某一個(gè)溫度值,它的函數(shù)關(guān)系如式(4)所示。

TC(N)=TF(N-K5)

(4)

式中:K5=V5qT;TF(N-K5)為F點(diǎn)第N- K5個(gè)采樣點(diǎn)的溫度;

V5為F點(diǎn)到C點(diǎn)水管的容積,V5=0.5 L;

K5為從F點(diǎn)到C點(diǎn)的延時(shí)周期,通過計(jì)算K5=6 s。

(5) F點(diǎn)的溫度函數(shù)關(guān)系式

F點(diǎn)與E點(diǎn)相比,因?yàn)樯崞骱退艿耐瑫r(shí)作用,溫度也相差很大,該點(diǎn)的溫度函數(shù)關(guān)系如式(5)所示:

TF(N)=(1-K)TE(N-K4)+KT0

(5)

式中:K4=V4qT;TE(N-K4)為E點(diǎn)第N-K4個(gè)采樣點(diǎn)的溫度;

K為制冷系數(shù),K=0.3;T0為環(huán)境溫度,T0=20 ℃;

V4為E點(diǎn)到F點(diǎn)水管的容積,V4=1 L;

K4為從F點(diǎn)到E點(diǎn)的延時(shí)周期,通過計(jì)算K4=12 s。

(6) E點(diǎn)的溫度函數(shù)關(guān)系式

E點(diǎn)的溫度與B點(diǎn)的溫度相比也有個(gè)延時(shí),該點(diǎn)的溫度函數(shù)關(guān)系如式(6)所示:

TE(N)=TB(N-K6)

(6)

式中:K6=V6qT;TB(N-K6)為B點(diǎn)第N-K6個(gè)采樣點(diǎn)的溫度;

V6為B點(diǎn)到E點(diǎn)的水管的容積,V6=0.5 L;

K6為從B點(diǎn)到E點(diǎn)的延時(shí)周期,通過計(jì)算K6=6 s。

綜上所述,A,B,C,D,E,F六個(gè)點(diǎn)的函數(shù)關(guān)系式及相互聯(lián)系已經(jīng)表達(dá)清楚,通過LabVIEW建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。

2 水循環(huán)溫度控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)通過數(shù)據(jù)采集卡對溫度傳感器傳感信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集[4],并由軟件平臺(tái)LabVIEW對采集的信號(hào)進(jìn)行分析,采用上述的數(shù)學(xué)模型控制算法處理輸出,使當(dāng)前溫度以零穩(wěn)態(tài)誤差逼近設(shè)定值,達(dá)到精確控溫目的。根據(jù)水循環(huán)溫度控制系統(tǒng)的基本要求,系統(tǒng)劃分為五個(gè)功能模塊[5,6],即:用戶登錄模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、參數(shù)計(jì)算模塊、控制算法模塊等,系統(tǒng)的控制模塊框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)的控制模塊框圖

2.1 主控模塊

系統(tǒng)的主控模塊提供了溫度控制功能。它通過與其他模塊的通訊來完成數(shù)據(jù)采集與處理、數(shù)據(jù)的保存等功能[7,8]。根據(jù)模塊化的編程思想,用LabVIEW圖形化編程語言,可以方便地寫出溫度控制系統(tǒng)的程序代碼。

2.2 參數(shù)計(jì)算模塊

由前面建立的數(shù)據(jù)模型,通過計(jì)算分別可以算出每個(gè)點(diǎn)的延時(shí)周期K,再由延時(shí)周期找到每個(gè)點(diǎn)的溫度采樣值,如圖3參數(shù)計(jì)算程序框圖所示。

2.3 控制算法模塊

根據(jù)前面建立的數(shù)學(xué)模型,本設(shè)計(jì)提供了兩個(gè)算法模塊,以供主程序調(diào)用。第一個(gè)模塊是為了計(jì)算函數(shù)關(guān)系式:TY(m)=TX(m-k),因?yàn)樵O(shè)的幾個(gè)點(diǎn)的溫度采樣值都因?yàn)樗苎訒r(shí)滯后。第二個(gè)是計(jì)算函數(shù)關(guān)系式:

TB(m)=[TA(m-1)+TA(m-2)+

…TA(m-K1)]/K1

式中:B點(diǎn)為采樣點(diǎn),該點(diǎn)的溫度采樣值是A點(diǎn)溫度采樣值延時(shí)之后的所有采樣值的平均值,該算法程序框圖如圖4所示。

圖3 參數(shù)計(jì)算程序框圖

圖4 采樣值延時(shí)算法程序框圖

2.4 數(shù)據(jù)采集模塊

該模塊通過調(diào)節(jié)控制占空比,進(jìn)而改變采樣占空比[9],調(diào)節(jié)控制系統(tǒng),提高控制質(zhì)量,如圖5所示。

圖5 采樣占空比程序框圖

3 程序調(diào)試

通過調(diào)試各個(gè)模塊,并將所有功能聯(lián)系起來,實(shí)現(xiàn)水循環(huán)自動(dòng)溫度控制系統(tǒng)。調(diào)試結(jié)果如圖6所示。A點(diǎn)和D點(diǎn),C點(diǎn)和F點(diǎn),E點(diǎn)和B點(diǎn)溫度曲線相近;A點(diǎn)和B點(diǎn),C點(diǎn)和D點(diǎn),E點(diǎn)和F點(diǎn)溫度曲線相差大,并且采樣點(diǎn)B溫度波動(dòng)值僅為0.75 ℃,較為穩(wěn)定,從而表明本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的控制方案合理可行,精度達(dá)到原設(shè)計(jì)的技術(shù)要求,可預(yù)見該系統(tǒng)設(shè)計(jì)在今后的工業(yè)控制實(shí)驗(yàn)中具有廣闊的應(yīng)用前景。

圖6 采樣點(diǎn)溫度變化曲線

4 結(jié) 語

在本設(shè)計(jì)中,利用 LabVIEW 軟件平臺(tái)構(gòu)建溫度控制系統(tǒng),具有設(shè)計(jì)時(shí)間短,參數(shù)調(diào)整靈活,系統(tǒng)仿真結(jié)果直觀、準(zhǔn)確、穩(wěn)定等特點(diǎn)。同運(yùn)用傳統(tǒng)儀器構(gòu)建系統(tǒng)的方法相比,采用虛擬儀器的方法效率要高得多,且性能好,控制靈活方便。實(shí)踐證明,在 LabVIEW 環(huán)境下能夠開發(fā)出各種功能強(qiáng)大,開放性好的虛擬儀器軟件,構(gòu)造出經(jīng)濟(jì)實(shí)用的計(jì)算機(jī)輔助測試、分析與控制系統(tǒng)[10]。

參考文獻(xiàn)

[1]袁淵,古軍,習(xí)友寶,等.虛擬儀器基礎(chǔ)教程[M].成都:電子科技大學(xué)出版社,2002.

[2]楊樂平,李海濤,楊磊.LabVIEW程序設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2005.

[3]張易知,肖嘯,張喜斌,等.虛擬儀器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2002.

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

[5]湯江龍,楊曉京,李強(qiáng).基于LabVIEW的溫濕度測控仿真[J].現(xiàn)代制造工程,2006(6):92-93.

[6]江偉.LabVIEW環(huán)境下溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].國外電子測量技術(shù),2004(3):8-10.

[7]呂飛龍,陳照章,黃永紅.基于LabVIEW的虛擬儀器溫度檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息,2007,23(1):170-171.

[8]張林,丁健,宋寅,等.基于虛擬儀器技術(shù)的溫度測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī),2007,20(3):30-31,52.

[9]劉君華.虛擬儀器圖形化編程語言LabVIEW教程[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2001.

[10]侯國屏,葉齊鑫.LabVIEW 7.1編程與虛擬儀器設(shè)計(jì)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2005.