基于虛擬儀器的水循環溫控系統設計

周敬東,黃 英,嚴明霞,林立軍,劉光亞

摘 要:針對水循環溫度控制系統的設計,利用圖形化可視虛擬儀器軟件LabVIEW 為軟件開發平臺,通過溫度傳感器監測溫度變化,實現對溫度數據自動實時采集、分析、處理、顯示與控制。由于大量使用虛擬儀器技術開發和設計,該系統具有硬件設計簡單,軟件實現方便,界面友好,參數調節靈活及顯示結果直觀準確等特點。

關鍵詞:LabVIEW;虛擬儀器;溫度測量;數據采集

中圖分類號:TP368.1文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2009)19-113-03

Design of Water-Cycle Temperature Controlling System Based on Virtual Instrument

ZHOU Jingdong1,HUANG Ying1,YAN Mingxia1,LIN Lijun2,LIU Guangya1

(1.Center of Vehicle Noise & Vibration Control Hubei,Hubei University of Technology,Wuhan,430068,China;

2.Hubei Institute of Measurement and Testing Technology,Wuhan,430071,China)

Abstract:A novel approach is proposed to design a water-cycle temperature controlling system,which using LabView as developing platform to achieve the temperature data sampling,analysis,disposing,displaying and controlling automatically.With the using of the technology of Virtual instrument,the whole developing and designing process is simply,and easy to realize.In prototype system,the characteristic of low-priced hardware,friendly interface,flexible parameter setting and visual result displaying is equipped comparing traditional designing.

Keywords:LabVIEW;virtual instrument;temperature measurement;data sampling

0 引 言

隨著PC、半導體和軟件功能的進一步更新,虛擬儀器的功能和性能已被不斷地提高,未來虛擬儀器技術以其在測量和控制方面的強大功能和靈活性為測試系統的設計提供一個極佳的模式,在許多應用中已成為傳統儀器的主要替代方式[1-3]。

本文以水循環系統為研究對象,針對水循環的溫度,在比較研究不同控制策略的基礎上,建立精確的數學模型,對水循環溫度控制進行了研究。通過數據采集卡對溫度信號進行實時采集,并由軟件平臺對采集的信號進行分析,然后用數學模型控制算法處理輸出,以使當前溫度逼近設定值,從而達到溫控目的,最后將采集數據保存記錄,以備日后讀取分析。利用虛擬儀器的巨大優越性改善水循環溫度的控制品質,提高控制效果。

1 水循環溫度控制系統數學模型的建立

1.1 水循環溫控系統介紹

水循環溫控系統由儲水箱、水泵、傳感器、散熱器和電加熱裝置組成,水循環原理圖如圖1所示。由于本系統對溫度要求較高,要保證水管環境溫度保持在20 ℃,故需建立合理的數學模型及控制算法,將溫度傳感器PT100采樣性能通過散熱器及電加熱器的動態溫度值模擬出來,最終達到高精度控制溫度的作用。

圖1 水循環原理圖

1.2 水循環溫控系統數學模型的建立

水循環溫控系統各個部分的溫度因管道、散熱裝置和加熱裝置的原因會產生很大的變化。為了表達清楚達到預想的結果,就需要建立正確的數學模型。本設計根據實際情況,選擇了幾個特殊的點來建立模型。如圖1所示,A,B,C,D,E,F六個點的溫度,將引起變化的原因全部考慮進去,列出函數關系式,然后借助LabVIEW編程,由程序控制溫度。

(1) B點的溫度函數關系式

B點為采樣點,B點的溫度跟A點的溫度因中間隔水箱會有一個延時K1,取在A點第N個采樣值經過K1延時之后的平均值為B點的溫度,它的溫度函數關系為:

TB(N)=1K1[TA(N-1)+TA(N-2)+

…+TA(N-K1)]

(1)

式中:K1=V1qT,TA(N-1),TA(N-2),…,TA(N-K1)分別為A點第N-1,N-2,…,N-K1個采樣時的溫度值;V1為水箱的容積,V1=5 L;q為泵流量,q=0083 L/s;T為采樣周期,T=1 s;

K1:為注滿水箱需要的時間,即延時周期,通過計算K1=60 s。

(2) A點的溫度函數關系式

A點的溫度與D點的溫度因水管而有個延時,故A點的溫度函數關系如式(2)所示:

TA(N)=TD(N-K3)

(2)

式中:K3=V3qT;TD(N-K3)為D點第N-K3個采樣點的溫度;

V3為D點到A點水管的容積,V3=0.5 L;

K3為從D點到A點的延時周期,通過計算K3=6 s。

(3) D點的溫度函數值

D點的溫度與C點溫度相比,不僅僅是水管的散失而延時,還與電加熱裝置有關,函數關系如式(3)所示:

TD(N)=TC(N-K2)+ΔTP′

(3)

式中:K2=V22qT;ΔT=PCq;TC(N-K2)為C點第N- K2個采樣點的溫度;

P為電加熱器的功率,P=1 kW;C為水的比熱容,C=4.18 kJ/kg?℃;

ΔT為電熱前后的溫度變化,通過計算ΔT=3 ℃;

P′為采樣占控比,通過驗證P′=1或0;

V2為C點與D點間水管的容積,V2=1 L;

K2為從C點到D點的延時周期,通過計算K2=6 s。

(4) C點的溫度函數關系式

C點的溫度與F點的溫度相近,就是F點延時的某一個溫度值,它的函數關系如式(4)所示。

TC(N)=TF(N-K5)

(4)

式中:K5=V5qT;TF(N-K5)為F點第N- K5個采樣點的溫度;

V5為F點到C點水管的容積,V5=0.5 L;

K5為從F點到C點的延時周期,通過計算K5=6 s。

(5) F點的溫度函數關系式

F點與E點相比,因為散熱器和水管的同時作用,溫度也相差很大,該點的溫度函數關系如式(5)所示:

TF(N)=(1-K)TE(N-K4)+KT0

(5)

式中:K4=V4qT;TE(N-K4)為E點第N-K4個采樣點的溫度;

K為制冷系數,K=0.3;T0為環境溫度,T0=20 ℃;

V4為E點到F點水管的容積,V4=1 L;

K4為從F點到E點的延時周期,通過計算K4=12 s。

(6) E點的溫度函數關系式

E點的溫度與B點的溫度相比也有個延時,該點的溫度函數關系如式(6)所示:

TE(N)=TB(N-K6)

(6)

式中:K6=V6qT;TB(N-K6)為B點第N-K6個采樣點的溫度;

V6為B點到E點的水管的容積,V6=0.5 L;

K6為從B點到E點的延時周期,通過計算K6=6 s。

綜上所述,A,B,C,D,E,F六個點的函數關系式及相互聯系已經表達清楚,通過LabVIEW建立相應的數學模型。

2 水循環溫度控制系統的軟件設計

本設計通過數據采集卡對溫度傳感器傳感信號進行實時采集[4],并由軟件平臺LabVIEW對采集的信號進行分析,采用上述的數學模型控制算法處理輸出,使當前溫度以零穩態誤差逼近設定值,達到精確控溫目的。根據水循環溫度控制系統的基本要求,系統劃分為五個功能模塊[5,6],即:用戶登錄模塊、數據存儲模塊、參數計算模塊、控制算法模塊等,系統的控制模塊框圖如圖2所示。

圖2 系統的控制模塊框圖

2.1 主控模塊

系統的主控模塊提供了溫度控制功能。它通過與其他模塊的通訊來完成數據采集與處理、數據的保存等功能[7,8]。根據模塊化的編程思想,用LabVIEW圖形化編程語言,可以方便地寫出溫度控制系統的程序代碼。

2.2 參數計算模塊

由前面建立的數據模型,通過計算分別可以算出每個點的延時周期K,再由延時周期找到每個點的溫度采樣值,如圖3參數計算程序框圖所示。

2.3 控制算法模塊

根據前面建立的數學模型,本設計提供了兩個算法模塊,以供主程序調用。第一個模塊是為了計算函數關系式:TY(m)=TX(m-k),因為設的幾個點的溫度采樣值都因為水管延時滯后。第二個是計算函數關系式:

TB(m)=[TA(m-1)+TA(m-2)+

…TA(m-K1)]/K1

式中:B點為采樣點,該點的溫度采樣值是A點溫度采樣值延時之后的所有采樣值的平均值,該算法程序框圖如圖4所示。

圖3 參數計算程序框圖

圖4 采樣值延時算法程序框圖

2.4 數據采集模塊

該模塊通過調節控制占空比,進而改變采樣占空比[9],調節控制系統,提高控制質量,如圖5所示。

圖5 采樣占空比程序框圖

3 程序調試

通過調試各個模塊,并將所有功能聯系起來,實現水循環自動溫度控制系統。調試結果如圖6所示。A點和D點,C點和F點,E點和B點溫度曲線相近;A點和B點,C點和D點,E點和F點溫度曲線相差大,并且采樣點B溫度波動值僅為0.75 ℃,較為穩定,從而表明本系統設計的控制方案合理可行,精度達到原設計的技術要求,可預見該系統設計在今后的工業控制實驗中具有廣闊的應用前景。

圖6 采樣點溫度變化曲線

4 結 語

在本設計中,利用 LabVIEW 軟件平臺構建溫度控制系統,具有設計時間短,參數調整靈活,系統仿真結果直觀、準確、穩定等特點。同運用傳統儀器構建系統的方法相比,采用虛擬儀器的方法效率要高得多,且性能好,控制靈活方便。實踐證明,在 LabVIEW 環境下能夠開發出各種功能強大,開放性好的虛擬儀器軟件,構造出經濟實用的計算機輔助測試、分析與控制系統[10]。

參考文獻

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