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

        2016-09-07 07:11:15吳育聲李錦記新會(huì)食品有限公司廣東江門(mén)529156
        山東工業(yè)技術(shù) 2016年14期
        關(guān)鍵詞:混合器采集卡虛擬儀器

        吳育聲(李錦記(新會(huì))食品有限公司,廣東 江門(mén) 529156)

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

        吳育聲
        (李錦記(新會(huì))食品有限公司,廣東 江門(mén) 529156)

        水溫是工業(yè)上常見(jiàn)的控制對(duì)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(lái)將會(huì)有一定困難?;旌掀魉疁乜刂葡到y(tǒng)以虛擬儀器開(kāi)發(fā)工具LabVIEW作為開(kāi)發(fā)平臺(tái),采用專(zhuān)家PID控制算法對(duì)水溫進(jìn)行控制,控制結(jié)果表明基于LabVIEW水溫專(zhuān)家PID控制具有良好的控制效果。

        LabVIEW;混合器水溫;專(zhuān)家PID控制

        1 LabVIEW概述

        LabVIEW是美國(guó)國(guó)家儀器公司(NATIONAL INSTRUMETS,簡(jiǎn)稱(chēng)NI)開(kāi)發(fā)的一款具有圖形化編程特點(diǎn)的軟件,全稱(chēng)是Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench(中文名稱(chēng):實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工程平臺(tái))。由于LabVIEW采用數(shù)據(jù)流圖編程,與其它文本編程語(yǔ)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(jiǎn)單、快捷,同時(shí)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(jiǎn)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(duì)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(hào)及輸出電壓信號(hào)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(zhuān)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(jiǎn)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(hào);TI積分時(shí)間常數(shù);TD微分時(shí)間常數(shù)?;谔揕abVIEW的控制是一種采樣控制,因此還需對(duì)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(gè)采樣時(shí)刻的輸出控制值;k為采樣序號(hào),k=1,2,....;e(k)為第k個(gè)采樣時(shí)刻的偏差信號(hào);KI=KPT/TI積分系數(shù);KD=KPT/TD微分系數(shù)。

        3.2專(zhuān)家PID控制原理與算法

        專(zhuān)家PID控制實(shí)質(zhì)是利用專(zhuān)家的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)來(lái)設(shè)計(jì)PID參數(shù),以實(shí)現(xiàn)對(duì)控制對(duì)象的最優(yōu)控制。對(duì)混合器水溫控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō),首先分析對(duì)熱水泵專(zhuān)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(duì)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(duì)于混合器水溫控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō),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(shí)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(méi)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(zhuān)家PID控制程序與控制界面設(shè)計(jì)

        根據(jù)上面專(zhuān)家PID控制算法,通過(guò)調(diào)用LabVIEW的公式節(jié)點(diǎn),將專(zhuān)家PID控制的程序代碼寫(xiě)入即可。如圖2所示是專(zhuān)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(jiàn)基于LabVIEW水溫專(zhuān)家PID控制具有良好的控制效果。

        4 結(jié)語(yǔ)

        混合器水溫控制系統(tǒng)以虛擬儀器開(kāi)發(fā)工具LabVIEW作為開(kāi)發(fā)平臺(tái),采用專(zhuān)家PID控制算法對(duì)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(cè)控領(lǐng)域具有極大的優(yōu)勢(shì),可為廣大工程技術(shù)人員帶來(lái)更簡(jiǎn)單、快捷、高效的程序開(kāi)發(fā)環(huán)境,同時(shí)也能對(duì)控制系統(tǒng)的質(zhì)量有所改善。

        圖2 專(zhuān)家PID控制總程序圖

        [1]周求湛,錢(qián)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。

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