基于NI LabVIEW平臺(tái)實(shí)現(xiàn)液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、引言

人們生活以及工業(yè)生產(chǎn)經(jīng)常涉及到液位和流量的控制問題，例如飲料、食品加工，居民生活用水的供應(yīng)，溶液過濾，污水處理，化工生產(chǎn)等多種行業(yè)的生產(chǎn)加工過程， 通常要使用蓄液池。蓄液池中的液位需要維持合適的高度，太滿容易溢出造成浪費(fèi)，過少則無法滿足需求。因此，需要設(shè)計(jì)合適的控制器自動(dòng)調(diào)整蓄液池的進(jìn)出流量，使得蓄液池內(nèi)液位保持正常水平，以保證產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效益。這些不同背景的實(shí)際問題都可以簡(jiǎn)化為某種水箱的液位控制問題。因此液位是工業(yè)控制過程中一個(gè)重要的參數(shù)。特別是在動(dòng)態(tài)的狀態(tài)下，采用適合的方法對(duì)液位進(jìn)行檢測(cè)、控制，能收到很好的生產(chǎn)效果。

傳統(tǒng)的液位控制系統(tǒng)大多采用PLC和組態(tài)軟件來實(shí)現(xiàn)，也有用單片機(jī)控制的系統(tǒng)，是所謂的實(shí)時(shí)測(cè)控系統(tǒng)。但是在實(shí)際生產(chǎn)中，絕大多數(shù)的工業(yè)對(duì)象的時(shí)間常數(shù)通常在秒級(jí)到分鐘級(jí)的范圍內(nèi)。因此除了少數(shù)小時(shí)間常數(shù)的對(duì)象外，可以由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來直接安全、有效地完成連續(xù)生產(chǎn)中的過程自動(dòng)控制任務(wù)。

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，沖擊著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，也引起了測(cè)量?jī)x器和測(cè)試技術(shù)的巨大變革。自從1986年美國(guó)國(guó)家儀器公司（National Instruments Corp，簡(jiǎn)稱NI）提出虛擬儀器的概念以后，虛擬儀器由于其性價(jià)比、開放性等優(yōu)勢(shì)迅速地占領(lǐng)了市場(chǎng)。虛擬儀器技術(shù)最核心的思想，就是利用計(jì)算機(jī)的硬/軟件資源，使本來需要硬件實(shí)現(xiàn)的技術(shù)軟件化（虛擬化），以便最大限度地降低系統(tǒng)成本，增強(qiáng)系統(tǒng)的功能與靈活性?；谲浖赩I系統(tǒng)中的重要作用，NI提出了“軟件就是儀器（The software is the instrument）”的口號(hào)。本文利用美國(guó)NI公司的LabVIEW開發(fā)的液位控制系統(tǒng)已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室條件下對(duì)單容液位對(duì)象實(shí)施了自動(dòng)控制，取得了較好的調(diào)節(jié)效果。

2、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 控制對(duì)象

該系統(tǒng)為FESTO緊湊型過程控制實(shí)驗(yàn)裝置。水箱B102為控制對(duì)象，水箱B101用于儲(chǔ)水，執(zhí)行裝置是泵P101。

圖1 液位控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

2.2 控制原理

系統(tǒng)采用的數(shù)據(jù)采集卡為NI公司M系列的PCI6221多功能數(shù)據(jù)采集卡，具有16路單端輸入通道或8路差分輸入通道，采集速度最高為250K/s，分辨率為16位，兩路模擬輸出通道，最高轉(zhuǎn)換速率為833K/s，分辨率為16位。此外還有兩個(gè)32位的定時(shí)計(jì)數(shù)器，24路數(shù)字量輸入輸出通道，滿足系統(tǒng)的控制要求。

利用超聲傳感器把液位信號(hào)變?yōu)?-10v的電壓信號(hào)，經(jīng)NI-6221數(shù)據(jù)采集卡的模擬輸入通道采集到計(jì)算機(jī)，由LabVIEW編寫的控制器根據(jù)實(shí)測(cè)信號(hào)和設(shè)定值發(fā)出控制信號(hào)，經(jīng)NI-6221數(shù)據(jù)采集卡的模擬輸出通道輸出0-10v的信號(hào)控制泵的驅(qū)動(dòng)器，從而改變泵的轉(zhuǎn)速，達(dá)到控制液位的目的，系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)的主要功能有：實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和顯示，實(shí)時(shí)PID及其它算法控制和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

3、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

NI公司的LabVIEW是一種非常優(yōu)秀的面向?qū)ο蟮膱D形化編程語言，是一個(gè)開放型的開發(fā)環(huán)境，它使用圖標(biāo)代替文本代碼創(chuàng)建應(yīng)用程序，擁有大量與其它應(yīng)用程序通信的VI庫。作為目前國(guó)際上主流的基于數(shù)據(jù)流的編譯型圖形編程環(huán)境，它可以把復(fù)雜、煩瑣、費(fèi)時(shí)的語言編程簡(jiǎn)化成用簡(jiǎn)單或圖標(biāo)提示的方法選擇功能（圖形），并用線條把各種圖形連接起來的簡(jiǎn)單圖形編程方式，使得不熟悉編程的工程技術(shù)人員都可以按照測(cè)試要求和任務(wù)快速設(shè)計(jì)出自己的程序和儀器面板，這大大提高了工作效率，減輕了科研和工程技術(shù)人員的工作量。因此本設(shè)計(jì)選用LabVIEW作為開發(fā)語言。

3.1 軟件結(jié)構(gòu)

軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，共分為7個(gè)模塊：用戶管理模塊，參數(shù)設(shè)置模塊，數(shù)據(jù)采集模塊，工藝流程模塊，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目模塊，數(shù)據(jù)保存回放模塊以及幫助模塊。主要完成以下功能：

1）顯示水箱的液位實(shí)時(shí)變化；

2）數(shù)據(jù)保存及歷史數(shù)據(jù)分析；

3）液位的兩點(diǎn)控制；

4）參數(shù)設(shè)置及修改；

5）測(cè)量并繪制水箱的階躍相應(yīng)曲線；

6）PID控制器以及濾波器的設(shè)計(jì)。

3.2 兩點(diǎn)控制

當(dāng)液位低于下限值時(shí)，泵開始工作，液位上升；當(dāng)液位高于上限值時(shí)，泵停止工作，液位下降，使得液位一直處于一定的范圍之內(nèi)。液位的測(cè)量范圍在20mm－300mm。

3.3 PID控制

常規(guī)的PID控制是從比例、積分、微分三個(gè)環(huán)節(jié)來實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制的。PID控制模塊采用PID工具包，利用它可以在LabVIEW環(huán)境下通過界面進(jìn)行交互式的PID控制器的設(shè)計(jì)，充分利用了LabVIEW和NI的硬件無縫連接的特點(diǎn)，可以迅速搭建所需的控制系統(tǒng)。

圖3 PID模塊的程序框圖

4、實(shí)驗(yàn)控制結(jié)果及分析

4.1 兩點(diǎn)控制結(jié)果

對(duì)液位進(jìn)行兩點(diǎn)控制試驗(yàn)結(jié)果，較好的滿足了控制的要求。

圖4 兩點(diǎn)控制實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.2 PID控制結(jié)果

由于液位控制系統(tǒng)的滯后效應(yīng)較小，所以采用比例調(diào)節(jié)或比例積分調(diào)節(jié)兩種調(diào)節(jié)規(guī)律。對(duì)于控制參數(shù)的選取，利用階躍響應(yīng)曲線法得到傳遞函數(shù)，結(jié)合MATLAB仿真得到控制參數(shù)指導(dǎo)試驗(yàn)。經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)在設(shè)定值為90mm-180mm范圍內(nèi)，最佳的參數(shù)為，結(jié)果優(yōu)于系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)要求。

圖5 實(shí)際的PID控制曲線

5、結(jié)論

設(shè)計(jì)的虛擬儀器系統(tǒng)具有友好的人機(jī)界面，經(jīng)過實(shí)際測(cè)試系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，控制響應(yīng)速度快，曲線變化平穩(wěn)，完全滿足了液位控制要求，充分體現(xiàn)了虛擬儀器的特點(diǎn)。尤其是其擴(kuò)展性很好，可以隨時(shí)添加更加先進(jìn)的控制算法以及其它如流量、壓力控制功能，而且開發(fā)周期很短。本文設(shè)計(jì)的液位控制系統(tǒng)已經(jīng)成功的應(yīng)用于教學(xué)和實(shí)驗(yàn)中，取得了良好的調(diào)節(jié)效果。因此，該系統(tǒng)具有推廣使用價(jià)值。

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