基于LabVIEW的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計

1、基于labview的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計王春杰，王鐵錚（天津理工大學(xué) 自動化學(xué)院 天津 300384）摘要：為了實現(xiàn)過程控制中對溫度的穩(wěn)定控制，針對模糊和pid算法的優(yōu)缺點，設(shè)計了基于labview平臺實現(xiàn)模糊控制器與pid控制器切換，并實現(xiàn)高低限報警和報表等功能。硬件應(yīng)用數(shù)據(jù)采集卡實現(xiàn)對現(xiàn)場信號的采集。實驗結(jié)果表明，基于labview靈活的在線編程與控制，使模糊控制與pid結(jié)合應(yīng)用到工業(yè)控制中，系統(tǒng)控制精度高且有較強(qiáng)的魯棒性。關(guān)鍵詞：模糊控制；pid；labview；溫度控制引言在化工生產(chǎn)過程中，溫度是一個需要控制的重要參數(shù)，一般會采用pid控制，傳統(tǒng)pid線性控制器根據(jù)被控對象的不同,適當(dāng)調(diào)

2、整pid參數(shù),可獲得較滿意的控制效果。然而,傳統(tǒng)pid控制器的線性特性只有在工作點附近才能獲得較理想的效果,當(dāng)偏離工作點較遠(yuǎn)時由于控制對象的非線性,系統(tǒng)的性能會變差,甚至不穩(wěn)定。而模糊控制方法無須建立被控對象的數(shù)學(xué)模型,在偏離工作點的區(qū)域可明顯改善控制的動態(tài)性能,同時對噪聲也有較強(qiáng)的抑制能力,魯棒性較好。但模糊控制器本質(zhì)上屬于非線性控制方法,消除系統(tǒng)誤差的性能較差,難以達(dá)到較高的控制精度。單純采用pid控制和fuzzy控制都不會取得較好的控制效果,本文以某化工廠的一個化學(xué)反應(yīng)過程為例，介紹了一種基于labview的模糊pid自動切換控制器，即根據(jù)誤差的大小來切換控制算法：當(dāng)誤差絕對值大于設(shè)定的

3、最大值時，采用動態(tài)響應(yīng)快的模糊控制進(jìn)行快速調(diào)節(jié)；當(dāng)誤差絕對值小于最小值時，可以采用穩(wěn)態(tài)控制精度高的pid控制以達(dá)到精確的定位，從而克服積分飽和以及超調(diào)等問題。1 被控對象分析該化學(xué)反應(yīng)生產(chǎn)過程是：首先將幾種化工原料按一定比例混合，制成一種混合料，放入反應(yīng)容器中，再向其中加入另一種化工原料x并加熱，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成所需的產(chǎn)品。為保證產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量，要保證工藝控制的最佳溫度。由于是放熱反應(yīng)，所以反應(yīng)過程是非線性、時滯的，這種反應(yīng)過程溫度控制十分復(fù)雜，需要較強(qiáng)的魯棒性的控制器進(jìn)行控制。2 系統(tǒng)原理本文設(shè)計的化學(xué)反應(yīng)溫度控制系統(tǒng)是以研華pic1711l數(shù)據(jù)采集卡和美國ni公司的labview8.6軟

4、件平臺構(gòu)建的，其系統(tǒng)組成如圖1所示，反應(yīng)過程的溫度變化由溫度變送器感知，并將溫度信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，作為數(shù)據(jù)采集的輸入信號送入計算機(jī)，經(jīng)過線性比例換算，可以得到電壓與溫度的關(guān)系。將當(dāng)前溫度與期望溫度進(jìn)行比較獲得偏差，采用labview軟件的pid工具包可得到控制量，該控制量由數(shù)據(jù)采集卡輸出，經(jīng)過信號調(diào)理電路，得到加熱閥開關(guān)占空比，從而達(dá)到控制的目的。該系統(tǒng)的主要功能有：實時采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)和趨勢圖顯示，實現(xiàn)系統(tǒng)報警和報表生成，系統(tǒng)實時控制和數(shù)據(jù)存儲。 圖12.1 控制算法原理2.1.1 pid控制算法原理pid控制是從比例、積分和微分三個環(huán)節(jié)來實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制，pid控制器是一種線性控制器，。 常

5、規(guī)增量式數(shù)字pid控制算式為： 式中,u為控制增量;u(k),e(k)分別為控制器k時刻的輸出和偏差;kp為比例系數(shù),可加快響應(yīng)速度,提高調(diào)節(jié)精度,但是系統(tǒng)振蕩次數(shù)會增多,甚至導(dǎo)致超調(diào)過大;ki為積分系數(shù),可消除靜差,提高系統(tǒng)無差度,但如果ki過大,系統(tǒng)將不穩(wěn)定,振蕩次數(shù)較多,超調(diào)過大;kd為微分系數(shù),可改善系統(tǒng)動態(tài)性能,加速系統(tǒng)動作速度,減少調(diào)節(jié)時間,提高控制精度,但無論kd偏大還是偏小,都會導(dǎo)致超調(diào)過大。2.1.2模糊控制算法原理本為利用labview軟件里的pid control toolkit工具包，建立模糊控制隸屬度函數(shù)，通過在線修改模糊規(guī)則即可快速得到模糊控制表。由于模糊控制的控制

6、作用較粗糙，使得穩(wěn)態(tài)控制精度較低，改善動態(tài)偏差和降低穩(wěn)態(tài)偏差構(gòu)成矛盾。在上面模糊控制器設(shè)計中，將e轉(zhuǎn)化為模糊論域上的點，如誤差信號，e0=int(kle+0.5)，若e0=0，則，因n=6，所以<0.5/6emax=8%emax，也就是說，在誤差量程最大值的8%以內(nèi)時，模糊控制器已將其作為0對待，因此e=8%emax的穩(wěn)態(tài)誤差模糊控制器無法消除，這是模糊控制器控制的盲點和死區(qū)。而常規(guī)的是精確控制可以有效的調(diào)節(jié)靜態(tài)特性，為此設(shè)計一個控制開關(guān)，使誤差在某一閥值以外時，采用模糊控制，以獲得較好的瞬態(tài)性能，當(dāng)誤差落在閥值以內(nèi)的范圍時，采用常規(guī)的pid控制，以改善靜態(tài)特性。（1）當(dāng)溫度誤差絕對值大

7、于10°時，采用模糊控制。在這里采用的是二維模糊控制器，是以誤差和誤差變化率作為模糊控制器的輸入，輸出為控制增量值u,則可以得到新的控制輸出量。（2）將輸入量的模糊狀態(tài)論域分為7個模糊子集：正大（pb）、正中（pm）、正?。╬s）、零（ze）、負(fù)小（ns）、負(fù)中（nm）、負(fù)大（nb）；輸出量的模糊狀態(tài)論域分為7個模糊子集：大（pb）、正中（pm）、正小（ps）、零（ze）、負(fù)?。╪s）、負(fù)中（nm）、負(fù)大（nb）；設(shè)各模糊子集的隸屬度函數(shù)為三角分布。模糊規(guī)則如圖2所示：ueecnbnmnszepspmpbnbpbpbpbpmpmpszenmpbpbpmpmpszensnspmpmpm

8、pszensnmzepmpmpszensnmnmpspmpszensnmnmnmpmpszensnmnmnbnbpbzensnmnmnbnbnb 圖24 labview主程序設(shè)計綜合模糊以及pid算法可以得到基于labview的模糊pid控制切換程序圖。其主要功能有：調(diào)用模糊算法子vi求得模糊控制表，接收由數(shù)據(jù)采集卡發(fā)來的數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度波形顯示，再求得溫度誤差和誤差變化率，應(yīng)用到模糊以及pid控制算法中得到控制增量發(fā)到數(shù)據(jù)采集卡中，還可以實現(xiàn)在線修改模糊規(guī)則以及pid參數(shù)等參量，以快速得到最佳控制方案。總體設(shè)計圖如圖3所示：圖35 數(shù)據(jù)采集的實現(xiàn)在measurement&automati

9、on explore中進(jìn)行通道配置，建立一個模擬量輸入通道（analog input）和數(shù)字量輸出通道（digital output）,并將通道命名，在以后的編程中可以直接用這個名稱來指示所用通道。在labview的data acquisition模板中選取相應(yīng)節(jié)點來完成。6 系統(tǒng)特點（1）利用labview平臺可以很方便靈活地在線編程設(shè)計模糊、pid控制器，修改模糊規(guī)則或pid相應(yīng)的參數(shù)得出最佳的控制方案。（2）labview編程提高了控制處理速度，利用數(shù)據(jù)采集卡，采集速度快，控制精度高，大大提高了工作效率。（3）模糊控制與pid切換控制不僅結(jié)合了模糊控制魯棒性強(qiáng)、響應(yīng)速度快和pid控制精度

10、高等特點，還克服了震蕩、超調(diào)以及積分飽和的缺點，得到了很好的控制效果。7 系統(tǒng)測試與分析 實驗結(jié)果經(jīng)過試驗得出模糊pid切換控制不僅響應(yīng)速度快（約2.4s穩(wěn)定）、精度高（誤差在0.05°以內(nèi)），還不會出現(xiàn)震蕩、超調(diào)以及積分飽和。通過誤差值的大小來進(jìn)行模糊與pid算法的切換控制，當(dāng)誤差較大時，系統(tǒng)采用模糊控制，系統(tǒng)的響應(yīng)速度快，當(dāng)誤差較小的時候，用pid來控制，控制精度高并且算法切換可以使得在響應(yīng)速度變化時超調(diào)量盡可能的小。由于應(yīng)用pid算法的時候，誤差已經(jīng)很小，可以時比例系數(shù)不必太大，積分系數(shù)大一些，微分系數(shù)小一些，這樣可以加快調(diào)節(jié)過程，減小靜態(tài)誤差，克服震蕩，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。8 結(jié)

11、論 本文介紹了基于labview的自動控制原理虛擬儀器調(diào)節(jié)與仿真，該試驗系統(tǒng)人機(jī)界面友好，使用方便，改變了常規(guī)模擬pid調(diào)節(jié)器涉及硬件電路的復(fù)雜過程，縮短了系統(tǒng)的開發(fā)時間，而且由于labview強(qiáng)大的、易于實現(xiàn)的軟硬件集成功能，使得本系統(tǒng)不僅在算法上出色，而且在實際設(shè)計和現(xiàn)場操作都極具可行性。參考文獻(xiàn)：1袁梅,董登峰,梁鈞臺,等.基于虛擬儀器的同步伺服系統(tǒng)pid模糊控制器設(shè)計j.測控技術(shù), 2007, 26(7): 39-442 李漢舟,楊世超.基于模糊pid的直流力矩電機(jī)轉(zhuǎn)速控j.中國慣性技術(shù)學(xué)報, 2004, 12(6): 79-83.3 靖蘇銅，趙福堂. 基于 labview 的熱電偶溫

12、度測量系統(tǒng)j. 儀器儀表標(biāo)準(zhǔn)化與計量，2005(12): 37-394 阮奇楨. 我和 labviewm. 北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2009: 1-5.5 羅澤文，羅鈞，廖紅華. 多模模糊 pid 控制j. 重慶大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2005(2):20-22.6 park tae-hyoung,kim hwa-jungpath planning of automatic optical inspection machines for pcb assembly systems cieee international symposium on computational intellige

13、nce in robotics and automationespoo,finland:ieee computer society press2005:249254design of temperature control system based on labviewwang chun-jie wang tie-zheng(school of info.eng.,tian jin university of technology,tianjin 300384,china)abstract: in order to achieve stable control of temperature i

14、n the process control , for the advantages and disadvantages of fuzzy and pid algorithm, a system based on labview platform was designed that can achieve switch between fuzzy controller and pid controller , and to achieve high and low limit alarms and reporting functions.data acquisition hardware is used to achieve field signal acquisition. experimental results show that, the flexible online programming and control based on labview , enables the industrial application of combination of fuzzy control and pid control , the control system is