在LabVIEW軟件構建PID控制器的遠程監(jiān)控系統(tǒng)

1 、引言

工業(yè)現場中大部分的控制系統(tǒng)的控制器是PID控制器，其PID參數的整定需要一定的控制理論知識和豐富的經驗。對于現場缺乏自動化技術人員的企業(yè)，其PID參數往往遠離最優(yōu)值。PID參數的優(yōu)劣直接影響著生產質量。為了改變生產中的這種不利狀況，開發(fā)一個遠程PID參數整定系統(tǒng)，顯得非常必要。在實驗室中并不具備靈活的可變的控制對象，故本系統(tǒng)的開發(fā)選用了NI虛擬儀器LabVIEW軟件構建控制對象。在實驗室中，以構建一個PID控制器的遠程監(jiān)控系統(tǒng)為例，在LabVIEW上的實驗對象進行仿真實驗，研究控制效果。

2 、遠程監(jiān)控系統(tǒng)簡介

系統(tǒng)中PID控制器作為下位機，并通過其自帶的串口通信功能連接到上位機，即工控計算機的COM口上。PID控制器的輸出接到DAQ采集卡上，把控制信號傳入工控計算機中，作用于虛擬儀器LabVIEW中的虛擬對象。經過計算，將虛擬對象的響應，即反饋信號通過DAQ采集卡輸出到PID控制器中，如此在實驗室中形成簡單閉環(huán)控制系統(tǒng)。在圖1中，具體表現為AI518PID控制器通過串口聯接到計算機上，控制器的輸出和輸入分別通過CompactDAQ進行采集和反饋提供。遠程監(jiān)控實驗基于該控制平臺進行。

工控計算機連接到互聯網，通過TCP／IP協(xié)議，由WEB版組態(tài)王將控制界面發(fā)布到INTERNET上。在客戶端可以通過互聯網，在瀏覽器中遠程訪問組態(tài)王控制工程（需下載并安裝相關JAVA插件），觀測數據變化曲線，并可根據控制狀態(tài)，實時修改PID參數。本系統(tǒng)同時提供報警功能，及歷史控制相關曲線的查詢功能，力求遠程客戶端能夠方便，直觀地掌握現場相關信息。

3 、遠程監(jiān)控系統(tǒng)構成

3．1 硬件平臺的搭建

系統(tǒng)采用廈門宇光公司出品的AI518智能溫度PID控制器作為下位機，其自帶有串口通信功能，為了滿足工業(yè)現場遠距離傳輸需要，使用RS485傳輸協(xié)議連接，通過RS485／RS232的轉接器連接到上位機（工控計算機）。

DAQ采集卡采用NI公司CompactDAQ數據采集卡。PID控制器的輸出為4mA～20mA的電流，通過250歐電阻的轉換為1V~5V的電壓后輸入到DAO采集卡的其中一個輸入通道口中，而反饋信號從DAQ的一個輸出通道口引出，連接到PID控制器的輸入口中，形成閉環(huán)控制。

硬件平臺示意圖如圖l所示，其中工控計算機中虛線框為連接對應的控制軟件。

3．2 軟件設計

系統(tǒng)采用組態(tài)王6．5l作為組態(tài)開發(fā)軟件。以下簡述組態(tài)軟件開發(fā)關鍵過程。

（1）在組態(tài)王中生成A1518系列PID控制器。由于組態(tài)王配備對應的驅動，故無須另行開發(fā)驅動，只需按照向導便可以在組態(tài)王的工程中生成該設備。在組態(tài)王中，設備的參數應與控制器內部參數一致。使用軟件中的設備測試功能，讀取PID控制器的內部寄存器，從而判斷組態(tài)王軟件是否已經與PID控制器正常通信。

（2）在數據詞典中設置好各關鍵變量，開發(fā)相關控制畫面，并建立設定值、響應值，控制器輸出值的動畫連接，以生成各種對應的變化曲線。設定值、系統(tǒng)響應值和控制器輸出值設為歷史記錄變量，從而生成歷史曲線。

（3）設置基本網絡參數。在組態(tài)王網絡參數設置頁中將本機設置成聯網，并定義節(jié)點名稱。在節(jié)點類型設置頁中，“√”選“本機是IO服務器”，“本機是登錄服務器”，“進行歷史備份”，保證網絡及歷史記錄功能的正常工作。

（4）網絡發(fā)布設置。新建實時工程“Remotecontrol“和歷史曲線“History”兩個發(fā)布組。實時工程“Remotecontrol”發(fā)布組用于在客戶端上對PID參數進行實時控制。畫面包括實時設定值、系統(tǒng)響應值和控制器輸出值的實時數據及其變化曲線，以及控制器作用于控制對象的PID參數，同時提供設定值和控制器PID參數的實時修改功能。具體畫面如圖2所示。歷史曲線“Histoiy”發(fā)布組提供設定值、系統(tǒng)響應值和控制器輸出值的歷史曲線，通過對大時間跨度的曲線觀察有利于控制對象特性的掌握。由于系統(tǒng)中存在兩個發(fā)布組一分別為實時工程和歷史曲線，故在“WEB”選項卡中，“√”選“顯示發(fā)布組列表”。當從客戶端訪問時，根據實際需要在發(fā)布組列表中選擇。

完善其他相關軟件開發(fā)細節(jié)后，該工程便可順利發(fā)布到網絡上。需要注意，單機版的組態(tài)王加密狗并不支持遠程發(fā)布功能。

4 、遠程監(jiān)控實驗

4．1 遠程監(jiān)控系統(tǒng)的登錄

組態(tài)王使用B／S模式進行遠程發(fā)布，無須另行安裝專用軟件，在客戶端計算機中安裝相關的JRE（JAVA runtime environment）plugging程序，便可在客戶端瀏覽器上遠程訪問工程并進行調節(jié)控制。在客戶端計算機的瀏覽器中，輸入以下地址“Http：／／202．38．214．9：2000／Remotecontrol”訪問工程。其中“Http：／／”不能省略，與其他網址直接輸入IP地址即可訪問不同。

4．2 遠程監(jiān)控實驗

（1）實驗對象

在實驗室中不具備靈活可變的實物控制對象，故系統(tǒng)設計的時候采用了虛擬儀器軟件的仿真對象，選用的具體軟件是NI公司的LabVIEW虛擬儀器軟件。通過對對象的開環(huán)響應曲線的研究，可發(fā)現大多數工業(yè)過程都能用一階慣性加純滯后（First OrderPlusDelay Time）模型來近似描述，簡記為FOPDT模型?；谶@一點，最小模型假設上業(yè)對象模型的傳遞函數為：

實驗時，被控對象的放大倍數K取0．5，T（時間常數）取20s；τ（時滯）=5s。即對象為：

在LabVIEW的仿真程序中和組態(tài)王的工程中均可獲得實時曲線，但并不能符合具體的實驗要求，故本系統(tǒng)提取LabVIEW記錄的lvm文件中的數據，使用Matlab軟件繪制輸出曲線和對象響應曲線。

（2）監(jiān)控實驗

客戶端登錄遠程監(jiān)控系統(tǒng)后，遠程修改PID參數，并完成一個完整的響應過程。結果顯示：控制效果良好，整體顯示效果良好。

多次觀察在客戶端進行修改，在服務器上觀察反應時間，發(fā)現在正常網速下，作用基本同步，證明可以達到遠程修改PID參數進行控制的需要。

為了仔細驗證該系統(tǒng)的遠程參數整定性能，進行了以下有關實驗。圖3為非周期過程響應曲線。選取三個典型的響應曲線作為實驗內容，并提取服務器數據記錄，用Matlab將響應曲線繪制出來。

（1）非周期過程響應曲線（見圖3）

PID參數具體情況如下：P=2；I=25；D=0。

（2）等幅振蕩響應曲線（見圖4）

PID參數具體情況如下：P=1000；I=200；D=O。

由上述曲線可以看出，遠程實時修改PID參數是完全可行的。

5 、結語

在工業(yè)生產中，各種PID控制器PID參數的整定十分重要，往往需要專業(yè)人員對生產過程進行深入了解后才能整定出合理的參數。對于一些缺乏自動化技術人員的企業(yè)，其許多PID控制器往往沒有運行在最佳狀態(tài)，從而影響了控制質量。本文通過開發(fā)一種遠程PID參數整定系統(tǒng)，實現了專業(yè)技術人員在異地能方便地訪問生產現場的PID控制器，了解控制系統(tǒng)的運行狀況，改變PID參數值，使其運行在最佳狀態(tài)。該遠程監(jiān)控系統(tǒng)使得專業(yè)人員資源能夠得到最大化的利用，可以減少大量現場整定PID參數的時間，大大提高效率，節(jié)省企業(yè)成本，是一種值得提倡的PID參數整定模式。

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