王 新, 張圓圓， 張將將， 徐保巖， 王書茂

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院, 北京 100083)

基于LabWindows CVI的雙容水箱虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開發(fā)

王 新, 張圓圓， 張將將， 徐保巖， 王書茂

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院, 北京 100083)

根據(jù)虛擬儀器及自動(dòng)控制理論綜合教學(xué)要求,設(shè)計(jì)制作了一種基于LabWindows CVI的雙容水箱模塊化虛擬儀器實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)。該系統(tǒng)不但能夠較好地模擬工業(yè)生產(chǎn)過程,使學(xué)生對實(shí)際工業(yè)應(yīng)用實(shí)例有直觀的了解,還可以讓學(xué)生利用LabWindows CVI虛擬儀器軟件對雙容水箱中的傳感器及執(zhí)行元件進(jìn)行檢測與控制。該系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì),控制方案變化靈活,編程操作簡單易學(xué),受到學(xué)生和實(shí)驗(yàn)教師的好評。

虛擬儀器； 雙容水箱； LabWindows CVI； 實(shí)驗(yàn)教學(xué)

雙容水箱模型由2個(gè)具有自平衡能力的單容水箱上下串聯(lián)而成,通常要求通過對模擬儀表、計(jì)算機(jī)、PLC等單回路控制,實(shí)現(xiàn)下水箱液位的定值控制[1],一般選取上水箱的進(jìn)水流量作為操縱量予以控制。

從工程應(yīng)用角度看,雙容水箱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有很強(qiáng)的代表性和工業(yè)背景,它通過各閥門的開關(guān),可組成各階系統(tǒng)對象及復(fù)雜的控制回路,可模擬隨機(jī)發(fā)生的故障等[2]。雙容水箱實(shí)驗(yàn)為系統(tǒng)辨識(shí)、控制理論及故障診斷等研究提供了典型的控制實(shí)例,尤其是為先進(jìn)控制技術(shù)的應(yīng)用提供了良好的實(shí)踐平臺(tái)[3-5]。

從教學(xué)角度看,雙容水箱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的開發(fā)為工程控制理論的教學(xué)和科研提供了良好的實(shí)驗(yàn)環(huán)境[6]。開發(fā)經(jīng)濟(jì)、實(shí)用并能真實(shí)復(fù)現(xiàn)工業(yè)過程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng),能夠幫助學(xué)生將所學(xué)的知識(shí)應(yīng)用到實(shí)踐中并自主進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)；開發(fā)基于虛擬儀器技術(shù)的雙容水箱實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng),是實(shí)驗(yàn)室資源的合理應(yīng)用和共享的重要舉措,提供系統(tǒng)、開放的教學(xué)、科研平臺(tái),對控制理論的實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有重要的意義。

1 雙容水箱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)組成

雙容水箱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的控制目標(biāo)是水箱液位的自動(dòng)控制,即保證其中一個(gè)水箱的液位在任意指定區(qū)間作周期性變化,同時(shí)控制另一個(gè)水箱的液位保持在給定值。筆者設(shè)計(jì)的基于LabWindows CVI的雙容水箱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由硬件系統(tǒng)、軟件監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等3部分組成[7-9],系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 雙容水箱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

雙容水箱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由水箱主體、液位變送器、電磁閥、無刷直流磁力隔離泵、機(jī)械工程共性參數(shù)測試儀及工控計(jì)算機(jī)構(gòu)成,系統(tǒng)原理如圖2所示。

水箱主體由左右2個(gè)圓柱型有機(jī)玻璃容器(主水箱T1和從水箱T2)、1個(gè)方形有機(jī)玻璃儲(chǔ)水箱T3、1個(gè)連接閥、4個(gè)泄水閥和連接件(PVC和PPR材料)組成。主水箱和從水箱通過一個(gè)連接閥LV5連接。兩個(gè)水箱各裝有2個(gè)泄水閥門(LV4、LV3、LV2和LV1)。整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成了一個(gè)封閉的水循環(huán)回路。兩個(gè)容器底部各裝有一個(gè)液位變送器,它們作為測量元件用來測量液位。變送器輸出信號電流4～20 mA,分別對應(yīng)液位為0～700 mm(主水箱)和0～300 mm(從水箱)。進(jìn)水流量是通過控制無刷直流磁力隔離泵的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)的。

圖2 雙容水箱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理圖

軟件監(jiān)控系統(tǒng)用美國NI公司的LabWindows CVI虛擬儀器軟件開發(fā),具有收發(fā)數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控等功能的操作界面[10-11]。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)從現(xiàn)場采集數(shù)據(jù),通過一定協(xié)議,以USB數(shù)據(jù)通信的方式傳送給系統(tǒng)用戶,并把處理后的 0～5 V電壓信號傳送給執(zhí)行器。系統(tǒng)通過連接閥和泄水閥的不同組合,可以構(gòu)成單容、雙容的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),學(xué)生可以自行設(shè)置控制模型,操作簡單方便。

1.2 需求分析

在雙容水箱測控系統(tǒng)中,主要是根據(jù)對水箱液位和流量閥流量的檢測,實(shí)現(xiàn)對水泵流量以及水流流向的控制與調(diào)節(jié)。經(jīng)分析,在該系統(tǒng)中的檢測參數(shù)有液位高度、流量；控制對象有電磁閥、水泵。其中需要分別檢測2個(gè)水箱的液位高度,并對5個(gè)電磁閥的開閉、2臺(tái)水泵的啟停和泵流量進(jìn)行控制。針對系統(tǒng)中的檢測參數(shù),選用的傳感器如表1所示。

表1 傳感器型號及參數(shù)指標(biāo)

雙容水箱中的電磁閥是SD02型直動(dòng)式膜片電磁閥,控制電壓為DC 12 V。水泵為無刷直流水泵,可以采用PWM或0～5 V模擬電壓信號控制。機(jī)械工程共性參數(shù)測控儀開關(guān)量控制電壓為12 V,模擬量輸出電壓為0～10 V,可以滿足測試任務(wù)需求。根據(jù)上述的任務(wù)分析,至少要選擇3路模擬輸入通道、8路開關(guān)量輸出通道、2路模擬量輸出通道以滿足測試需求。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制作

為了達(dá)到更好的實(shí)驗(yàn)效果,采用Pro/ENGINEER進(jìn)行整體三維設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)臺(tái)的效果圖如圖3所示。

圖3 雙容水箱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)效果圖

通過前期的效果圖設(shè)計(jì)和后期系統(tǒng)的加工制作,整個(gè)系統(tǒng)保持了效果圖的設(shè)計(jì)樣式,在局部有所改進(jìn),以適應(yīng)各種實(shí)際情況。管道的連接部位采用PPR接頭,用生膠帶進(jìn)行密封,以便系統(tǒng)的拆裝和改進(jìn)。在水箱和泵的安裝過程中,螺栓螺母的位置也做了合理安排,充分考慮拆卸替換的方便性。

3 模塊化虛擬儀器教學(xué)軟件設(shè)計(jì)

為使學(xué)生快速掌握LabWindows CVI軟件,開發(fā)了模塊化虛擬儀器教學(xué)軟件供學(xué)生在雙容水箱實(shí)驗(yàn)中使用。該軟件以前文所述的系統(tǒng)組成為基礎(chǔ),以功能模塊作為軟件功能與結(jié)構(gòu)框架,根據(jù)共性參數(shù)思想,為每個(gè)功能模塊預(yù)留了信息輸入接口,包括系統(tǒng)設(shè)置信息輸入接口、參數(shù)配置信息接口、控件屬性信息接口等[12-13]。學(xué)生在編程中,可對每個(gè)接口信息進(jìn)行靈活的選擇與設(shè)置。

利用模塊化虛擬儀器教學(xué)軟件,結(jié)合雙容水箱實(shí)驗(yàn)教學(xué)硬件系統(tǒng),學(xué)生可以自行開發(fā)水箱液位定值控制、主水箱液位區(qū)間控制、雙容水箱液位PID參數(shù)整定等一系列與控制工程基礎(chǔ)相關(guān)的實(shí)驗(yàn),從而實(shí)現(xiàn)了虛擬儀器技術(shù)與自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)的綜合教學(xué)。

3.1 測控參數(shù)配置

對測試系統(tǒng)中的各種測控參數(shù)進(jìn)行配置,包括參數(shù)命名、通道選擇、顯示方式選擇、傳感器標(biāo)定、公式編輯、控制信息選擇等操作。在參數(shù)配置中,根據(jù)對測試任務(wù)的分析,通過參數(shù)配置面板上的信息輸入接口,可以迅速完成參數(shù)配置,配置完成的參數(shù)將會(huì)自動(dòng)記錄到對應(yīng)的參數(shù)配置信息表中。在雙容水箱測控系統(tǒng)中,包含了檢測參數(shù)和控制參數(shù)兩種參數(shù)類型[14-16],兩種參數(shù)配置完成后的配置信息表如圖4所示。

圖4 測控參數(shù)配置界面

3.2 測試界面編輯

參數(shù)配置完成后,點(diǎn)擊“創(chuàng)建界面”按鈕便進(jìn)入測試界面編輯面板。系統(tǒng)自動(dòng)生成的測試界面比較簡單,界面中的控件屬性未經(jīng)過任何修改,全部保留了儀表庫中的控件屬性,并且控件的排列較為死板。因此,需要測試人員根據(jù)測試任務(wù)、自己的操作習(xí)慣和審美特點(diǎn),對測試界面進(jìn)行個(gè)性化編輯。經(jīng)過個(gè)性化編輯后生成的測試界面如圖5所示。

圖5 雙容水箱測試系統(tǒng)界面

3.3 測控軟件生成

測試界面編輯完成后,即可點(diǎn)擊測試界面右側(cè)面板修改區(qū)域中的“保存界面”按鈕,在彈出的保存位置路徑選擇對話框，學(xué)生可以為所編輯的軟件選擇路徑,并將所編輯軟件保存在指定的路徑下,供再次實(shí)驗(yàn)調(diào)用。

4 結(jié)語

基于LabWindows CVI的雙容水箱模塊化虛擬儀器實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng),滿足了自動(dòng)控制理論和虛擬儀器技術(shù)綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需要。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是自動(dòng)控制理論與控制工程研究、虛擬儀器技術(shù)教學(xué)和實(shí)驗(yàn)的綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。學(xué)生可以通過模塊化虛擬儀器軟件,方便地組成多階系統(tǒng)對象,既可通過經(jīng)典的PID控制方式設(shè)計(jì)與調(diào)試,完成控制理論的實(shí)驗(yàn),也可以根據(jù)實(shí)際需要,基于實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)硬件平臺(tái)開發(fā)相關(guān)的自動(dòng)控制驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。整個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、界面美觀、自動(dòng)化程度較高、功能模塊完整、操作簡單、擴(kuò)展性強(qiáng),為自動(dòng)控制理論和虛擬儀器技術(shù)綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了硬件基礎(chǔ)和技術(shù)保障。

References)

[1] 侯濤.神經(jīng)PID控制在雙容水箱液位控制的實(shí)驗(yàn)研究[J].蘭州交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，28(3)：42-45.

[2] 刁俢民,王建.基于LabWindows/CVI的虛擬儀器軟件開發(fā)技術(shù)[J].國外電子測量技術(shù),2003,22(增刊1):73-75.

[3] 朱中銳,蔡志明,郭巖.基于LabWindows/CVI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].電子測量技術(shù),2007,30(1):105-106,118.

[4] 蔣玉強(qiáng),王禹橋,孟凡喜,等.基于虛擬儀器技術(shù)的模塊化測控技術(shù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研制[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2010,27(2):70-73.

[5] 牛玉廣.基于LabVIEW的水箱平臺(tái)設(shè)計(jì)及PID控制特性分析[J].儀表技術(shù)與傳感器,2007,24(7)：26-30.

[6] 張躍勤,王新輝,李云龍.基于數(shù)據(jù)采集的虛擬儀器實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2007,24(11):82-85.

[7] 江丹,黃新春,李娟,等.基于LabVIEW的雙容水箱控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化,2012(5):161-163.

[8] Zankl A, Duncan E L, Leo P J,et al. Vibration Test and Analysis System for Construction Machinery Based on LabWindows/CVI[J].Metrology & Measurement Technique,2008,90(3):494-501.

[9] 段紅.基于Labwindows/CVI的網(wǎng)絡(luò)虛擬化儀器設(shè)計(jì)[J].機(jī)電工程,2003,20(5):41-43.

[10] 方陸軍,楊君,卓放.CVI虛擬儀器技術(shù)在計(jì)算機(jī)控制實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2004,27(2):21-24.

[11] 朱乾坤，李超，崔曉曦.基于虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的教學(xué)模式[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2008,27(6)：84-86.

[12] 陳殿生，王田苗，邵志浩.面向?qū)嶒?yàn)教學(xué)的模塊化可重組數(shù)控工作臺(tái)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2008,25(8):51-53.

[13] 劉繼軍，上官同英.雙容水箱液位改進(jìn)SA-PID控制仿真與研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2015(8)：50-52.

[14] 馬幼捷，安小東，周雪松.基于LabWindows/CVI的虛擬自控實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)[J].天津理工大學(xué)學(xué)報(bào),2007,23(6)：33-35.

[15] 趙劍峰，吳繼平.基于LabVIEW的自動(dòng)控制原理虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào),2007,29(1)：85-87.

[16] 魏衡華,吳漢生.雙容水箱計(jì)算機(jī)控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的研制[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2005,24(1):31-33.

Development of virtual experimental system for double tank based on LabWiondows CVI

Wang Xin, Zhang Yuanyuan, Zhang Jiangjiang, Xu Baoyan, Wang Shumao

(College of Engineering, China Agricultural University, Beijing 100083, China)

According to the comprehensive teaching requirements of the virtual instruments and automatic control theory, a modular virtual instrument experimental teaching system for the double tank based on LabWindows CVI is designed and developed. The system can not only simulate the process of industrial production well to enable the students to get an intuitive understanding of the actual industrial applications, but also let the students use the LabWindows CVI virtual instrument software to detect and control the sensors and actuating elements in the double tank. This system adopts the modular design, the control program changes flexibly, and the programming operation is simple and easy to learn. It is well

by the students and experimental teachers.

virtual instruments; double tank; LabWindows CVI; experimental teaching

TP273; TP391.9

: A

: 1002-4956(2017)09-0113-03

2017-02-02

北京高等學(xué)校教育教學(xué)改革項(xiàng)目(2014-ms043)

王新(1982—),女,山東青島,工學(xué)博士,副教授,主要研究方向?yàn)闄C(jī)電一體化.

E-mail:wangxin117@cau.edu.cn

10.16791/j.cnki.sjg.2017.09.028