柯龍章　楊宇卿

摘要：該文以LabVIEW、數(shù)據(jù)采集卡PCL-818L和被控對象溫控爐組成計算機測控系統(tǒng)，利用LabVIEW的編程進行PID控制，實現(xiàn)溫度的測量和控制。實驗證明該測控系統(tǒng)的開發(fā)時間短，靈活性強，性價比高。

關(guān)鍵詞：LabVIEW；數(shù)據(jù)采集；溫控爐；PID控制

中圖分類號：TP311 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2014）35-8561-02

計算機技術(shù)和儀器技術(shù)的高速發(fā)展共同孕育出革命性技術(shù)——虛擬儀器系統(tǒng)，開辟了測控技術(shù)的新紀(jì)元。軟件是虛擬儀器的核心，是集成儀器的基礎(chǔ)；虛擬儀器軟件的一個關(guān)鍵要求是能開發(fā)出可重用的代碼模塊，美國國家儀器公司NI（National Instruments）提出“軟件即是儀器”的概念，推出了LabVIEW直觀的流程圖編程風(fēng)格的軟件開發(fā)和運行平臺，引發(fā)了測控技術(shù)領(lǐng)域的一場重大變革，使得計算機和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)得以長驅(qū)直入儀器領(lǐng)域，開啟了虛擬儀器（VI）的先河。LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench——實驗室虛擬儀器工程平臺）是NI公司（National Instruments Corporation）于1986年推出的一種高效的圖形化軟件開發(fā)環(huán)境。LabVIEW不僅僅是一個開發(fā)環(huán)境，它同時還是為替代常規(guī)的文本式編程語言而開發(fā)的功能強大的編程語言，又被成為G語言（graphical language）。與Microsoft C、QuickBasic或LabWindows/CVI等文本語言的一個重要區(qū)別是：LabVIEW是一種圖形編程語言，技術(shù)人員不用掌握太多的計算機編程知識，只需通過定義和連接代表各種功能模塊的圖標(biāo)，就能方便迅速地建立起通常只有編程技巧高超的程序員才能編制出的高水平應(yīng)用程序。

本文以研華公司的數(shù)據(jù)采集卡PCL-818L以及LabVIEW在如何實現(xiàn)PID控制溫控爐的溫度的設(shè)計。

1 數(shù)據(jù)采集

虛擬儀器的硬件平臺由計算機和I/O接口設(shè)備兩部分組成。I/O接口設(shè)備主要完成信號的輸入采集、放大、模/數(shù)轉(zhuǎn)換任務(wù)。本實驗使用的是PC-DAQ/PCI插卡式虛擬儀器系統(tǒng)。

LABVIEW獲取數(shù)據(jù)的方法是通過對I/O接口設(shè)備的驅(qū)動來完成的。通過數(shù)據(jù)采集卡獲取數(shù)據(jù)是虛擬儀器獲取數(shù)據(jù)的渠道之一，也是構(gòu)成虛擬儀器的最基本方式。通過數(shù)據(jù)采集卡獲取數(shù)據(jù)的虛擬儀器稱為PC-DAQ/PCI卡式儀器。

本系統(tǒng)的設(shè)計采用的是研華公司生產(chǎn)的PCL-818L來進行數(shù)據(jù)采集的，在此做一下簡單介紹。PCL-818L在PCL-818系列中屬于入門級板卡，除了具有40kHz采樣速率及只能接受雙極性輸入外，此卡具有PCL-818系列其它板卡同樣的功能：12位A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換、數(shù)字量輸入、數(shù)字量輸出和計數(shù)器/定時器。

2 溫控爐內(nèi)部工作原理

計算機定時對爐溫進行測量和控制，爐內(nèi)溫度由一半導(dǎo)體熱電阻進行測量，測量信號經(jīng)變換放大后輸出到數(shù)據(jù)采集卡，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字量后，再送入計算機進行運算和判別，由計算機輸出一個控制信號，控制加熱爐電源的接通時間，從而控制電爐的電功率。

如圖1所示為加熱爐內(nèi)部控制電路圖，此電路圖分為兩部分，左邊為測量電路，右邊為控制電路?，F(xiàn)分別分析如下：對于測量電路而言，最左邊的是熱敏電阻，它會隨溫度的變化，阻值做相反的變化，而它兩端的電壓也相應(yīng)變化，當(dāng)溫度升高時，它兩端的電壓降低，經(jīng)起放大作用的三極管，放大后的電壓信號也降低，經(jīng)過起隔離作用的1：1電壓跟隨器和反向器后輸出到接線板上，也就是我們所測得的電壓信號，同時也是模擬量輸入值，圖中的+12V和—12V電壓用來調(diào)節(jié)室溫時的電壓值，起調(diào)零作用，+5V電壓為工作電壓；右邊的電路是控制電路，當(dāng)CONTROL INPUT輸入為低電平時，發(fā)光二極管導(dǎo)通，雙向二極管導(dǎo)通，則電路是通路，電阻絲發(fā)熱，溫控爐內(nèi)溫度升高，相反，當(dāng)CONTROL INPUT輸入為高電平時，發(fā)光二極管、雙向二極管均不導(dǎo)通，則電路不通，電阻絲不工作，溫控爐內(nèi)部溫度隨著熱量的散發(fā)而降低，因此，控制CONTROL INPUT端子的輸入，從而來控制溫控爐內(nèi)部的溫度。

3 PID算法的數(shù)字實現(xiàn)[]

由于DDC（Direct Digital Control）系統(tǒng)是一種時間離散控制系統(tǒng)。因此，因為用微機實現(xiàn)，必須將其離散化，用數(shù)字形式的差分方程來化替連續(xù)系統(tǒng)的微分方程。離散化的PID表達式在第K次采樣PID的輸出式為：

U（k）=U（k-1）+（[Kp]+[Ki]+[Kd]） E（K）-（[Kp]+2[×][Kd]） E（K-1）+[Kd][×]E（K-2） 式（1）

其中，設(shè)： [Kp]――比例常數(shù)

[Ki]=[Kp?TTi]――積分常數(shù)

[Kd]=[Kp?TdT]――微分常數(shù)

4 溫度與電壓關(guān)系的確定

本實驗所用加熱爐是采用熱敏電阻作為感溫器件。熱敏電阻感受溫度變化后，它的電阻值將會發(fā)生改變，從而引起電壓的變化。通過數(shù)據(jù)線將電壓信號送入接線板，進而通過數(shù)據(jù)線被安裝在主機箱內(nèi)的數(shù)據(jù)采集卡PCL-818L所采集，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換為計算機能識別的數(shù)字信號，通過軟件對其進行分析、處理，再通過D/A轉(zhuǎn)換輸出，對溫控爐中的熱敏電阻的工作狀態(tài)進行控制，以達到對爐溫進行控制的目的。

我們所測量的實際是電壓值，而要得到溫度值，還需要知道電壓值與溫度值之間的對應(yīng)關(guān)系，此對應(yīng)關(guān)系通過實驗確定。將溫控爐、接線板間的線連接好，插上電源，對溫控爐進行加熱，并用溫度計對爐內(nèi)氣體溫度進行測量，同時從計算機上讀取指定Analog Input通道的電壓值，測得一組（V，T）數(shù)據(jù)，通過Matlab軟件得到其函數(shù)關(guān)系，如圖2所示。為了能較好的描述二者的函數(shù)關(guān)系，現(xiàn)用Matlab軟件對其進行仿真，以確定其函數(shù)關(guān)系式，通過進行了5次仿真，只有圖3所示最為精確，故通過仿真曲線的對比分析，可確定為四次函數(shù)關(guān)系，其關(guān)系式為

按理論分析，溫度與電壓的關(guān)系應(yīng)該近似為線性關(guān)系，然而由于溫度計測量的是溫控爐內(nèi)空氣的溫度；讀溫度計上的數(shù)據(jù)時產(chǎn)生誤差；計算機上數(shù)據(jù)在某一段時間變化很快，此期間的讀數(shù)會有較大的誤差；讀電壓與溫度的兩個人不同步等等都會造成上述曲線的產(chǎn)生。需要特別說明的是：以上所提及的誤差是不可避免的，只能盡量的減小，而圖3亦是在本組成員反復(fù)測量，盡最大努力減小誤差的情況下測出的。

5 PID參數(shù)的確定

PID控制中最主要的三個常數(shù)是增益常數(shù)K，積分時間常數(shù)TI，微分時間常數(shù)TD。如溫控爐的數(shù)學(xué)模型確定滯后時間τ=80秒，T=160秒，由擴充響應(yīng)曲線的經(jīng)驗公式可計算得到各參數(shù)值，在這里，取控制度為1.2，T0=0.16*t=12.8秒，KP=1.0*T/t=2，TI=1.9*t=152秒，TD=0.55*t=44秒，KI=KP*T/TI=0.17，KD=KP*TD/T=6.8。因為K，TI，TD三個常數(shù)值的大小取決于控制對象的動態(tài)特性，過大和過小都將會使輸出變量產(chǎn)生振蕩，但對于控制目標(biāo)是動態(tài)變化的系統(tǒng)，這三個參數(shù)也應(yīng)該根據(jù)控制目標(biāo)在不同區(qū)間的變化而做適當(dāng)?shù)男Ｕ?，因此上述由?jīng)驗公式計算得到的參數(shù)僅做參考。由PID離散化的數(shù)字表達式可在LabVIEW環(huán)境中設(shè)計PID控制器如圖4所示，參照經(jīng)驗公式計算出的三個參數(shù)值，并經(jīng)過大量的反復(fù)調(diào)試、修改，最終構(gòu)成在LabVIEW中實現(xiàn)用PID控制的恒溫控制系統(tǒng)。

6 總結(jié)

從系統(tǒng)的設(shè)計、實現(xiàn)和測試應(yīng)用等方面 ，同其他方法相比，利用LabVIEW和數(shù)據(jù)采集卡組建基于虛擬儀器信號測試系統(tǒng)具有一定的優(yōu)越性，其開發(fā)時間短，靈活性強、高性價比、技術(shù)更新快、易于網(wǎng)絡(luò)化等，這些都是傳統(tǒng)儀器不可能實現(xiàn)的功能。

參考文獻：

[1] 張凱.LabVIEW虛擬儀器工程設(shè)計與開發(fā)[M].國防工業(yè)出版社，2004.

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