馬 平，梁 薇，李 珍

(華北電力大學(xué) 自動(dòng)化系，河北 保定 071003)

基于LABVIEW的實(shí)驗(yàn)室過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

馬 平，梁 薇，李 珍

(華北電力大學(xué) 自動(dòng)化系，河北 保定 071003)

針對(duì)實(shí)驗(yàn)室過程控制系統(tǒng)中MATLAB軟件不能充分體現(xiàn)系統(tǒng)的工藝流程且界面操作不靈活及曲線分析性不強(qiáng)等問題，提出了一種基于LABVIEW為操作界面的過程控制系統(tǒng)；此系統(tǒng)將LABVIEW虛擬儀器與MATLAB軟件相結(jié)合，充分發(fā)揮了LABVIEW軟件操作簡單便捷及控制界面友好的特點(diǎn)與MATLAB軟件平臺(tái)強(qiáng)大的計(jì)算功能；并針對(duì)系統(tǒng)中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)電動(dòng)閥存在死區(qū)，使得系統(tǒng)存在死區(qū)振蕩這一問題，將系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)由電動(dòng)閥更換為變頻器，避免了死區(qū)振蕩；研究過程中，在YC-SX多變量過程控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并以單容水箱液位控制系統(tǒng)為例進(jìn)行調(diào)節(jié)與控制；實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，此系統(tǒng)數(shù)據(jù)運(yùn)算、處理能力以及簡易化程度極高，操作靈活且具有友好的圖形界面，達(dá)到了設(shè)計(jì)目的。

LABVIEWMATLAB; 過程控制

0 引言

過程控制實(shí)驗(yàn)可以再現(xiàn)實(shí)際的物理過程，同樣也可以將各類控制技術(shù)、控制方法及控制理論應(yīng)用到實(shí)踐中去，讓我們深入了解整個(gè)控制系統(tǒng)的每個(gè)環(huán)節(jié)，并對(duì)其設(shè)計(jì)與控制思路有更全面的認(rèn)識(shí)。過程控制實(shí)驗(yàn)對(duì)實(shí)際控制系統(tǒng)有著實(shí)際的指導(dǎo)意義，推動(dòng)了過程控制的不斷向前發(fā)展。

以往的過程控制實(shí)驗(yàn)依賴于MATLAB軟件進(jìn)行仿真，此軟件具有強(qiáng)大的計(jì)算功能，并且可以使用不同的算法對(duì)同一問題進(jìn)行分析求解，但現(xiàn)有的MATLAB界面不能將系統(tǒng)的工藝流程充分體現(xiàn)，且操作不靈活，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比度不高。針對(duì)已有的實(shí)驗(yàn)室過程控制系統(tǒng)的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于LABVIEW的實(shí)驗(yàn)室過程控制系統(tǒng)，使用LABVIEW虛擬儀器對(duì)控制過程進(jìn)行編輯實(shí)驗(yàn)，使得系統(tǒng)的工藝流程直觀清晰，界面操作靈活方便，且實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示簡潔明了。用變頻器代替實(shí)驗(yàn)過程中的電動(dòng)閥作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，有效地解決了電動(dòng)閥存在死區(qū)，導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生死區(qū)振蕩的問題。

本文利用YC-SX多變量過程控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)作為物理模型，針對(duì)實(shí)驗(yàn)室控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)以單容水箱的液位控制系統(tǒng)為例，通過對(duì)單容水箱的液位控制實(shí)驗(yàn)表明，設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期目的。

1 基于LabVIEW的實(shí)驗(yàn)室過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)室過程控制系統(tǒng)是將YC-SX多變量過程控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)作為物理模型，利用RS-485通信串口將PXI-PCI多功能采集卡與計(jì)算機(jī)連接起來，以計(jì)算機(jī)為主要操作平臺(tái)，在計(jì)算機(jī)中的LABVIEW操作界面上對(duì)實(shí)際物理設(shè)備進(jìn)行控制。此實(shí)驗(yàn)室過程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

LABVIEW是實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器集成環(huán)境的簡稱，是目前應(yīng)用最廣、發(fā)展最快、功能最強(qiáng)的圖形化軟件開發(fā)集成環(huán)境。

本設(shè)計(jì)中所有的LabVIEW應(yīng)用程序主要由前面板、程序框圖、圖標(biāo)和連接端口三部分組成。前面板是圖形用戶界面，由輸入控件和顯示控件組成；程序框圖提供VI的圖形化源程序，在程序框圖中通過對(duì)VI編程來控制與操作定義在前面板上的輸入和輸出功能，同時(shí)程序框圖中還包括函數(shù)、結(jié)構(gòu)及連接線等；VI具有層次和和結(jié)構(gòu)化的特征，一個(gè)VI可以作為子程序(即為子VI)別其他VI調(diào)用，圖標(biāo)與連接器在這里相當(dāng)于圖形化的參數(shù)。

本文旨在針對(duì)已有實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的不足之處，設(shè)計(jì)出既能充分體現(xiàn)系統(tǒng)工藝流程，又能使操作人員靈活操作且對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線進(jìn)行便捷分析的系統(tǒng)。

1.1 LabVIEW前面板設(shè)計(jì)

LabVIEW的最大特點(diǎn)是提供了很多外觀與傳統(tǒng)儀器類似的控件，如指示燈、示波器、萬用表、各類開關(guān)閥門等控件，可用來方便地創(chuàng)建用戶界面，稱為前面板。

以單容水箱液位控制為例，以YC-SX多變量過程控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為物理平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。工藝流程如圖2所示。

圖2 單容水箱液位控制系統(tǒng)工藝流程圖

在LabVIEW前面板上，將圖1所示的單容水箱液位控制系統(tǒng)工業(yè)流程圖還原于圖3(a)所示的前面板上。此前面板將水箱、水箱進(jìn)出水閥門、磁力泵、調(diào)節(jié)器、水槽等之間的關(guān)系進(jìn)行了清晰地描述，可以將當(dāng)前液位值顯示于上水箱模塊及其液位值顯示模塊上；當(dāng)系統(tǒng)處于自動(dòng)狀態(tài)時(shí)，液位給定值與實(shí)際值之間的差值直接顯示在前面板上，直觀地表現(xiàn)了調(diào)節(jié)器的控制作用，更加明了地表現(xiàn)出單容水箱液位的控制過程。由兩個(gè)示波器可以清楚直觀地看到實(shí)時(shí)液位、液位給定值以及控制器輸出值的顯示曲線。

圖3 LABVIEW前面板與MATLAB前面板

通過圖3所示的LabVIEW與MATLAB面板的對(duì)比圖可以清晰地看出，基于LabVIEW的實(shí)驗(yàn)室過程控制系統(tǒng)比以MATLAB為平臺(tái)的控制系統(tǒng)存在以下幾個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)。

1)工藝流程圖展示：在MATLAB軟件提供的前面板中，不能將系統(tǒng)工藝流程圖明確地顯示，但LabVIEW虛擬儀器提供了很多外觀與傳統(tǒng)儀器類似的控件，如各類開關(guān)、按鈕、顯示器等，將其連接，使得在LabVIEW界面上的系統(tǒng)流程展示與實(shí)際物理平臺(tái)相一致，可通過LabVIEW前面板直接了解實(shí)際物理平臺(tái)的結(jié)構(gòu)。以液位控制系統(tǒng)為例，通過前面板上的“水箱”模塊可觀察液位變化，方便直觀，基于LabVIEW的過程控制系統(tǒng)比傳統(tǒng)的過程控制系統(tǒng)能更好地展示其動(dòng)態(tài)效果。

2)前面板操作：已有的MATLAB面板只有一個(gè)，其上分布著多種顯示單元和操作單元，容易導(dǎo)致許多識(shí)別與操作錯(cuò)誤。而基于LabVIEW虛擬儀器的系統(tǒng)可以通過在幾個(gè)分面板上的操作來實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的功能。變頻器前面板、控制器參數(shù)設(shè)定前面板都是通過點(diǎn)擊相對(duì)應(yīng)的模塊直接彈出。如圖2(a)所示，點(diǎn)擊LAVBIEW前面板中的“變頻器”模塊彈出變頻器前面板，在此前面板中可以通過全局變量“數(shù)組”中的液位給定值及全局變量“上水箱液位”直接顯示系統(tǒng)給定值與實(shí)時(shí)值并將兩者直觀地進(jìn)行比較，控制器輸出可通過“儀表”及“數(shù)值顯示”模塊顯示。并且可以完成手自動(dòng)切換，自動(dòng)狀態(tài)下，變頻器前面板上的指示燈亮。點(diǎn)擊變頻器前面板中的“設(shè)置”模塊彈出控制器參數(shù)設(shè)置前面板，在此面板上進(jìn)行控制器參數(shù)的設(shè)置。這樣在每個(gè)分面板上就實(shí)現(xiàn)了功能操作的單純化與面板布置的簡捷化，從而提高操作的正確性與便捷性。

3)實(shí)驗(yàn)曲線顯示：在MATLAB軟件平臺(tái)上顯示出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線，實(shí)時(shí)值、給定值及控制器輸出值曲線分布在不同的顯示圖中，觀察極其不方便。對(duì)此，基于LabVIEW的實(shí)驗(yàn)室過程控制系統(tǒng)在前面板的顯示中，將實(shí)時(shí)值與給定值顯示在同一示波器模塊中，且當(dāng)系統(tǒng)從手動(dòng)狀態(tài)切換到自動(dòng)狀態(tài)時(shí)，水位給定值能很好地跟蹤實(shí)時(shí)值，使得曲線對(duì)比更為明顯。

1.2 LabVIEW與MATLAB接口設(shè)計(jì)

LabVIEW虛擬軟件提供了條件結(jié)構(gòu)、數(shù)組大小、數(shù)組插入、數(shù)值加減、MATLAB Script node等模塊。在系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)下，全局變量“數(shù)組”(由上水箱液位給定值、PID參數(shù)組成的數(shù)組)經(jīng)過數(shù)組大小、數(shù)組插入、數(shù)值加減等模塊的計(jì)算將得到的結(jié)果輸入到MATLAB Script node模塊中，作為其輸入變量，通過此模塊與MATLAB進(jìn)行通信，利用LabVIEW直觀簡單的模塊及MATLAB強(qiáng)大的運(yùn)算能力，實(shí)現(xiàn)控制器的設(shè)計(jì)，具體程序如圖4所示。

MATLAB Script node節(jié)點(diǎn)具有多輸入、多輸出的特點(diǎn)，MATLAB腳本可以在MATLAB軟件中調(diào)試無誤后倒入此節(jié)點(diǎn)中。MATLAB Script node節(jié)點(diǎn)對(duì)輸入輸出數(shù)據(jù)的類型有明確要求，只有LabVIEW中的數(shù)據(jù)類型與MATLAB中的數(shù)據(jù)類型相匹配時(shí)，才能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。LabVIEW使用Active技術(shù)執(zhí)行MATLAB腳本節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)模塊如圖5所示。

圖5 MATLAB Script node

MATLAB Script node模塊中所添加的程序不僅可以為簡單的PID參數(shù)計(jì)算程序，也可以是多種更為復(fù)雜的控制算法，如預(yù)測(cè)控制、模糊控制等。同樣也可以在此基礎(chǔ)上建立復(fù)雜的控制系統(tǒng)。更加方便地對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展，并應(yīng)用于不同的控制對(duì)象，研究更多的控制算法，使設(shè)計(jì)更為靈活。

2 實(shí)驗(yàn)過程與結(jié)果分析

以單容水箱液位控制系統(tǒng)為例，將實(shí)驗(yàn)平臺(tái)按照?qǐng)D1所示流程圖進(jìn)行調(diào)試，利用RS-485通信串口將PXI-PCI多功能采集卡與計(jì)算機(jī)連接起來，打開YC-SX多變量過程控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上的總電源和PXI-PCI多功能采集卡上的電源，打開并運(yùn)行計(jì)算機(jī)中LabVIEW中的單容水箱液位控制實(shí)驗(yàn)程序。

因?yàn)槭褂秒妱?dòng)閥存在著電動(dòng)閥死區(qū)的問題，會(huì)使得系統(tǒng)存在死區(qū)振蕩，所以在此處將執(zhí)行結(jié)構(gòu)由電動(dòng)閥更換為變頻器，通過PID調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)變頻器的頻率，使其達(dá)到與電動(dòng)閥同樣的效果，并且消除了死區(qū)帶來的影響。調(diào)節(jié)器的輸出是4～20 mA的電流信號(hào)，輸入到變頻器當(dāng)中，控制變頻器頻率的大小。變頻器頻率增大，管道流量增大，上水箱水位上漲；變頻器頻率減小，管道流量減小，上水箱水位下降。調(diào)節(jié)器通過不斷改變變頻器頻率最終使水位穩(wěn)定在給定值上。

將磁力閥設(shè)置為合適的開度，待上水箱水位穩(wěn)定后給出其水位的設(shè)定值，利用經(jīng)驗(yàn)試湊法對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行初步整定，觀察其控制效果并記錄數(shù)據(jù)。根據(jù)控制效果調(diào)整PID參數(shù)直至使效果最優(yōu)。多次整定后得到的控制器參數(shù)為：kp=0.016,ki=0.000 56，在此參數(shù)下進(jìn)行給定值擾動(dòng)，控制效果如圖6所示。

圖6 控制效果圖

從圖6所示的控制效果可以看出，實(shí)時(shí)值與給定值顯示在同一示波器模塊中，將控制效果更加清楚地表現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)曲線中。且當(dāng)系統(tǒng)從手動(dòng)狀態(tài)切入自動(dòng)狀態(tài)時(shí)，水位給定值能夠很好地跟蹤實(shí)時(shí)值，直觀明了。將電動(dòng)閥更換為變頻器后，解決了電動(dòng)閥存在死區(qū)導(dǎo)致水位的微小偏差不能夠通過及時(shí)動(dòng)作來消除這一問題。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，此系統(tǒng)數(shù)據(jù)運(yùn)算、處理能力以及簡易化程度極高，操作靈活且具有友好的圖形界面，達(dá)到了設(shè)計(jì)目的。

3 總結(jié)

本文將LabVIEW虛擬儀器與MATLAB軟件各自的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，不僅發(fā)揮了MATLAB軟件強(qiáng)大的運(yùn)算功能，并且在MATLAB軟件的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)了LabVIEW虛擬軟件界面，相對(duì)于傳統(tǒng)的MATLAB界面而言，此界面更為友好。不僅充分體現(xiàn)了整個(gè)系統(tǒng)的工藝流程，可以真正掌握實(shí)際物理平臺(tái)的實(shí)際控制過程，還使得界面操作更加靈活，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示直觀明了。此外，用變頻器代替了原有的電動(dòng)閥，避免了電動(dòng)閥死區(qū)造成的死區(qū)振蕩。

基于LabVIEW的實(shí)驗(yàn)室過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)液位控制，還可以對(duì)溫度、流量、壓力等過程控制中的參數(shù)進(jìn)行控制。在MATLABScriptnode模塊中的調(diào)節(jié)器參數(shù)計(jì)算程序也可以隨意更改為其他更為復(fù)雜的算法。整個(gè)軟件的系統(tǒng)模塊化可以任意更換控制策略，提高了開發(fā)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率，必將廣泛地應(yīng)用于諸多工程領(lǐng)域。

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DesignofLaboratoryProcessControlSystemBasedonLabVIEW

MaPing,LiangWei,LiZhen

(Hebei Engineering Research Center of Simulation and Optimized Control for Power Generation, North China Electric
Power University, Baoding 071003,China)

In this system, MATLAB software can not fully reflect the process of the system and the operating performance of the interface is not flexible and curve analysis is not strong. This paper presents a kind of process control system based on LabVIEW. This system combines the LabVIEW virtual instrument and MATLAB software, give full play to the characteristics of the LabVIEW software, such as flexible operation and friendly control interface and powerful computing capabilities of the MATLAB software platform. And the electric valve has a dead zone, which causes the system to have the problem such as the dead zone oscillation. In this research, the actuator of the system is replaced by the electric valve to the frequency converter, which avoids the problem of the dead zone oscillation. In the course of study, the experiment was carried out on the YC-SX multiple variables process control experiment platform. Taking the liquid level control system of a single tank as an example to adjust and control. The experimental result shows that this system has a high degree of data operation, processing ability and a high degree of simplicity, and has a friendly visual interface.

LabVIEW;MATLAB; process control

2016-10-21；

2016-11-17。

馬 平(1961-)，女，湖南長沙人，教授，碩士研究生導(dǎo)師，主要從事過程控制、火電廠單元機(jī)組控制和優(yōu)化、計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用。

1671-4598(2017)04-0044-03DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp

TP

A