秦永晉，郭 亮，付力揚

（洛陽LYC軸承有限公司，471003）

基于LabVlEW的溫度采集和控制系統(tǒng)研究

秦永晉，郭 亮，付力揚

（洛陽LYC軸承有限公司，471003）

溫度采集和控制系統(tǒng)在功能上表現(xiàn)出了較大的弊端，即系統(tǒng)功能性滯后，在采集控制過程中呈現(xiàn)非線性特征，在功能表達過程中很難建模。過去用的控制方法為PID法，其在控制輸出的過程中會出現(xiàn)不利于系統(tǒng)運行的問題，如比例沖擊和微變等。因此本文主要研究的是一種基于LabVIEW的控制器，是在傳統(tǒng)PID基礎上發(fā)展形成的，其為FI-FP-FD控制器，又稱為新型模糊PID控制器，其在溫度采集與控制系統(tǒng)中發(fā)揮了較大的作用。

溫度采集和控制系統(tǒng)；LabVIEW；FI-FP-FD控制器

0　引言

溫度采集與控制系統(tǒng)廣泛的應用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)以及人們的日常生活中，隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，人們對于溫度采集控制系統(tǒng)的功能性要求也越來越高。因此，傳統(tǒng)的PUD控制被新型的模糊PID控制取代是大勢所趨。新型模糊PID控制器是時代發(fā)展的產(chǎn)物，其主要依靠LabVIEW作為虛擬器開發(fā)工具，使得控制器在數(shù)據(jù)采集和界面控制等方面表現(xiàn)出了較大的突破與優(yōu)勢。鑒于此，本文對于基于LabVIEW的溫度采集和控制系統(tǒng)的研究具有較大的意義。

圖1　溫度采集與控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1　系統(tǒng)總體設計及工作原理

溫度采集和控制系統(tǒng)在組成上主要包括采集、檢測、控制顯示、執(zhí)行和調(diào)理5部分單元，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)運行的設備核心主要依附于計算機。其具體的結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

由圖1可以看出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的運行主要以計算機設備為主線，在運行之前要通過計算機設置一定的參數(shù)標準，例如干燥箱的電阻絲要預先設置出一個標準的溫度理想值，使得在晶閘管通過主電路對其加熱的過程中得到一定的控制，避免系統(tǒng)運行出現(xiàn)問題。此外，還要在計算機內(nèi)預先設置好控制算法，從而實現(xiàn)后期對溫度信號的控制。溫度采集和控制系統(tǒng)功能實現(xiàn)的基本原理主要包括兩個方面的內(nèi)容，一方面是溫度值到電壓信號的轉(zhuǎn)化，另一方面是電壓信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)化。前者主要是通過電阻絲和K型熱電偶的作用使得電壓信號傳輸?shù)絎P-C803智能數(shù)字顯示控制儀上，電壓信號經(jīng)過濾波處理以后，進入第二個環(huán)節(jié)，即在A/D變換器作用下實現(xiàn)模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)化。

在模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號以后，要繼續(xù)發(fā)生作用，即數(shù)字信號要經(jīng)過CB-68LP非屏蔽I/Q接線盒、NI-DAQ數(shù)據(jù)采集卡PCI-6251等操作處理設備，通過系統(tǒng)的驅(qū)動處理將信號輸入到計算機，從而實現(xiàn)相關(guān)軟件對信號的管理。信號進入到計算機以后，計算機會發(fā)揮其預制功能，通過預先設計好的算法實現(xiàn)對控制量的精確計算，然后進行信號傳輸?shù)目赡娌僮?，將標準的溫度值信號傳輸?shù)诫娮杞z，從而達到控制溫度的目的。

基于LabVIEW的溫度采集和控制系統(tǒng)實現(xiàn)了對傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和功能優(yōu)化，在該系統(tǒng)中具備精準的采集單元和控制機構(gòu)，再加上屏幕讀取顯示等機構(gòu)使得系統(tǒng)逐漸完善。除此之外，該系統(tǒng)中還設置了超溫預警功能，使得在電阻絲溫度過高時發(fā)出預警信號，從而實現(xiàn)對溫度的及時控制。

新型模糊PID控制系統(tǒng)具備良好的適應性，操作起來較為方便且便于打印存檔等操作，在工作運行過程中表現(xiàn)出了較好的靈活性。

2　系統(tǒng)硬件設計

基于LabVIEW的溫度采集與控制系統(tǒng)的硬件組成為該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本組成，即溫度檢測單元溫度傳感器，信號調(diào)理單元智能數(shù)字顯示儀器，數(shù)據(jù)采集單元數(shù)據(jù)采集板卡和控制執(zhí)行單元觸發(fā)器，其具體選擇的硬件名稱如圖1所示。

基于LabVIEW的溫度采集與控制系統(tǒng)在系統(tǒng)硬件組成的選擇過程中要遵循以下基本原則：溫度檢測單元要靈敏，同時要具備較好的抗氧化和腐蝕等特性；信號調(diào)理單元要直觀，反應過程要連續(xù)；數(shù)據(jù)采集單元要保證信號采集的速率以及信號的質(zhì)量；控制執(zhí)行單元要保證多元化、智能化以及便捷化等特征。

3　系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件設計是基于LabVIEW的溫度采集與控制系統(tǒng)的設計難點，同時也是控制過程實施的核心組成部分。其在組成上包括新型FI-FP-FD控制器和模糊控制規(guī)則，即在一定程度上歸于對計算機的設計。

3.1新型FI-FP-FD控制器設計

新型FI-FP-FD控制器在設計過程中其主要目標是為了克服傳統(tǒng)PID控制系統(tǒng)中存在的比例沖擊和微變。因此，在設計過程中對于誤差的計算方式選擇為一般的積分運算，在設置過程參數(shù)時引入比例和微分運算兩種，從而保證不會出現(xiàn)給定值跳躍變化和負載干擾等影響因素。

新型FI-FP-FD控制器又可以分為模糊I控制器、模糊P控制器和模糊D控制器，在設計原理中二者均是在傳統(tǒng)控制系統(tǒng)基礎上發(fā)展起來的。例如模糊I控制器，其傳統(tǒng)的積分輸出可以表示為：在通過變換以后，即從雙線性和z反變換以后得到的表達式為，最后在實現(xiàn)到模糊I控制器的計算時則引入了一定的積分增益，從而實現(xiàn)了從傳統(tǒng)到新型的轉(zhuǎn)變。

在新型FI-FP-FD控制器中需要將模糊比例控制作用于模糊微分控制的增益效果求和，在其基礎上在減去模糊積分控制作用，即表達式為。鑒于其計算過程較為復雜，本文不再一一贅述，直接得到最終結(jié)果。

圖2　的隸屬度函數(shù)圖象

3.2模糊控制規(guī)則設計

在于LabVIEW的溫度采集與控制系統(tǒng)中由于存在3個模糊控制器，且在結(jié)構(gòu)上三者表現(xiàn)出了極大的相似性，因此在輸入語言值時要選取6個變量。如圖2所示，其為變量輸入以后形成的隸屬度函數(shù)圖象。

為了說明系統(tǒng)在執(zhí)行控制功能時的系統(tǒng)操作狀態(tài)，本文給主了不同變量值下對語言值的控制規(guī)則，以輸入變量值為例，得到相應的控制規(guī)則表1。在得到相應輸入變量的控制表以后，要通過模糊推理算法完成對輸出量的計算，最終的控制結(jié)果值是在模糊化的基礎上采用重心法得到的。其推算理論十分復雜，需要建立較多的數(shù)學模型。

表1　控制規(guī)則表

表1　控制規(guī)則表

通過對基于LabVIEW的溫度采集和控制系統(tǒng)軟件設計的分析，可以發(fā)現(xiàn)雖然在功能上新型模糊PID控制系統(tǒng)優(yōu)于傳統(tǒng)PID系統(tǒng)，但是在設計原理上，其明顯比傳統(tǒng)控制系統(tǒng)復雜，尤其表現(xiàn)在推算過程。

4　結(jié)論

綜上所述，本文通過分析基于LabVIEW溫度采集和控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理分析，說明了新型模糊PID控制系統(tǒng)的綜合性能。其不僅改善了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)中存在的弊端，而且在其基礎上實現(xiàn)了功能的強化和增益，使得溫度采集和控制系統(tǒng)可以滿足人們的需求，實現(xiàn)對溫度的穩(wěn)定高效控制。

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Research of temperature acquisition and control system based on LabVIEW

Qin Yongjin，Guo Liang，F(xiàn)u Liyang
（Luoyang LYC Bearing Co.， Ltd.471003）

The temperature acquisition and control system has a great disadvantage in the function，that is，the system lag，in the process of acquisition and control of nonlinear characteristics，it is difficult to model in the process of functional expression.The control method used in the past is PID method， which is not conducive to the operation of the system in the process of control output， such as the proportion of impact and micro change，etc..This paper mainly studies a LabVIEW based controller is developed on the basis of traditional PID，which is also known as the new FI-FP-FD controller，fuzzy PID controller， which played an important role in the temperature acquisition and control system.

temperature acquisition and control system；FI-FP-FD；LabVIEW controller