基于LabVIEW的增壓艙控制系統設計*

郭全民 夏 興

(西安工業大學電子信息工程學院 西安 710000)

基于LabVIEW的增壓艙控制系統設計*

郭全民 夏 興

(西安工業大學電子信息工程學院 西安 710000)

為了解決PLC作為增壓艙控制器時,PLC編程軟件開發增壓艙控制系統與算法較為復雜的問題。提出采用上位機與下位機相結合的兩級控制模式。利用上位機軟件LabVIEW的圖形化語言以及自帶的各種軟件包,開發增壓艙控制系統軟件,并設計了一套模糊自適應PID算法。實現上位機作為系統的核心控制器,使系統具有數據處理、命令發送、數據存儲和界面監視的功能。試驗表明,與傳統控制結構相比該種結構設計降低了軟件開發的難度,提高了系統的響應速度。

增壓艙; PLC; 工控機; LabVIEW; 自適應模糊PID

1 引言

增壓艙是通過改變艙體內的壓力來模擬一定的水深環境,可以在艙體內進行各種壓力試驗。增壓艙控制系統主要由艙體、壓力系統、控制系統組成。在壓力系統中,空壓機將壓縮的空氣注入到儲氣罐中,在艙體和儲氣罐之間通過管道連接,在管道上安裝有電磁閥和電動調節閥。通過控制電磁閥的通斷和電動調節閥的開度來實現對增壓艙內壓力的控制。增壓艙結構圖如圖1所示。

對于增壓艙內壓力的控制,傳統的方法是通過帶有一套算法的PLC作為核心控制器,調節電動閥門來實現的。但是利用PLC編程軟件開發這種邏輯性較為復雜的增壓艙控制系統及算法較為困難,實現較為復雜,并且PLC編程軟件無法為用戶提供數據存儲功能和可視化的監控界面[1]。針對PLC在以上方面的不足,又考慮到LabVIEW作為上位機編程軟件,它自身帶有各種功能的軟件包以及開發界面的控件,本文提出了采用以工控機作為上位機,PLC作為下位機的工作方式。利用LabVIEW開發上位機軟件和控制算法,降低了軟件的開發難度,使控制系統的功能更加完善,同時圖形化的監控界面簡化了系統的操作難度[2]。

圖1 增壓艙結構圖

2 系統的控制結構和原理

增壓艙控制系統以電磁閥與電動調節閥為控制對象,一方面利用上位機對控制系統進行運行管理和輸入、輸出參數的控制和調節,給增壓艙的運行創造良好的條件。另一方面,上位機通過數據采集、處理和分析,將檢測結果以圖表、曲線或者文件的形式輸出。

增壓艙設計有手動/自動兩種控制方式。手動控制方式下:通過旋轉操作臺上的電位計改變電壓輸入信號(-10V～10V),變送器將電壓信號轉變成4mA～20mA的標準電流信號傳給電動調節閥,經過伺服放大器對信號的放大,驅動調節閥;自動控制方式下:增倉艙的壓力信號、液位信號、氧濃度信號、管道內氣體流量信號經過傳感器轉換成電壓信號,由PLC模擬量輸入模塊進行數據采集,經過A/D轉化,將數據傳入放到PLC寄存器內,由上位機讀取數據并對數據進行處理和分析,并將數據以運動曲線的形式繪制出來[3]。

增壓艙控制系統主要是通過開發一個上位機監控平臺,利用傳感器對增壓艙內的各個技術指標參數進行數據采集,并將這些采集到的信號通過PLC傳給上位機,上位機將這些信號進行處理、計算、分析和保存,然后再將控制信號傳給PLC,通過PLC去控制電磁閥的通斷和電動調節閥的開度[4]。

在增壓艙控制系統中工控機與PLC之間采用基于Modbus協議的雙絞線進行數據傳輸,傳感器采集的數據信號與反饋信號通過PLC傳入工控機進行數據處理。PLC與網絡儀表之間采用RS-485串行接口將進行連接,PLC將處理好的數據通過網絡儀表進行實時數據顯示。所以系統硬件部分主要包括工控機、傳感器、PLC、系統供電線路與控制信號輸入/輸出線路、電磁閥與電動調節閥等,它們主要用來完成對信號的采集、處理分析和通訊的任務[5]。從硬件角度看,控制結構圖如圖2所示。

圖2 控制結構圖

3 模糊自適應PID控制器的設計

圖3 模糊自適應PID控制器結構原理圖

定義模糊控制器的輸入量偏差e、偏差變化率ec的論域為:{-3,-2,-1,0,1,2,3,},其模糊子集分別為{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB},同時模糊控制器的三個輸出量輸出ΔKP,ΔKI,ΔKD的論域分別為{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6},{-0.12,-1,-0.08,-0.06,-0.04,-0.02,0,0.02,0.04,0.06,0.08,1,0.12},{-0.06,-0.04,-0.02,0,0.02,0.04,0.06},子集為{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB},輸入與輸出量的子集各元素均表示為負大、負中、負小、零、正小、正中、正大,它們均服從三角形隸屬函數曲線分布。以電動調節閥為控制對象的模糊控制器是典型的多輸入多輸出的模糊控制器,其模糊控制規則的形式表示為:“IFe…… andec…… thenΔKP…… andΔKI…… andΔKD……”[7]。根據試驗經驗所得的模糊控制規則表如表1～3所示。

表1 ΔKP模糊規則推理

表2 ΔKI模糊規則推理

表3 ΔKD模糊規則推理

根據控制系統通過模糊控制規則表,查出模糊控制器輸出的三個參數ΔKP,ΔKI,ΔKD的值,將值帶入下式中,計算出PID的三個參數,實現參數的自整定[8]。

KP=ΔKP+{e+ec}p

Ki=ΔKi+{e+ec}i

Kd=ΔKd+{e+ec}d

4 上位機軟件設計

增壓艙控制系統軟件部分基于工控機,利用LabVIEW軟件作為開發工具,主要完成增壓艙內的數據采集與分析,波形曲線的設定,模擬水深、升降速率等參數的設定,數據顯示與存儲,設備狀態顯示,登錄權限設置等功能。工控機對采集上來的數據進行處理、分析,將數據以曲線的形式顯示出來,處理好的數據儲存到Access數據庫中,如需要數據可以打印出來[9]。軟件從功能上可分為數據采集模塊、數據傳輸模塊、界面管理模塊、數據處理與文檔保存模塊,增壓艙控制系統功能圖如圖4所示。

圖4 增壓艙控制系統功能圖

在控制系統設計的過程中,根據增壓艙系統的特點,在WINDOWS環境下利用LabVIEW 2013軟件對增壓艙系統進行開發。在主界面中包括:工藝流程圖、試驗艙自動控制、數據查詢、程序退出等內容[10]。增壓艙監控系統的主界面如圖5所示。

圖5 增壓艙控制系統主界面

設定增壓艙模擬水深為30m,點擊“開始”按鈕運行程序,從圖6中可以看出實時模擬水深曲線(實線)在控制信號的作用下(虛線),逐漸向設定模擬水深曲線(虛線)靠攏,最終實時水深曲線和設定水深曲線趨于一致。根據增壓艙控制系統的要求,超調量不能超過設定水深的3%。試驗表明,與采用傳統PID算法相比,自適應模糊PID算法能夠在系統運行的過程中,通過不斷調節PID三個參數KP、KI、KD,實現系統平穩的運行,使系統從震蕩到穩定時的調節時間縮短5s左右,系統產生的超調非常小,不超過0.2m,滿足增壓艙技術指標要求,提高了系統可靠性。另外,上位機軟件LabVIEW為用戶提供了清晰的可視化監控界面,便于用戶對實時數據做出快速判斷,LabVIEW軟件對試驗數據以Access數據庫的形式予以保存,如有需要,可以隨時打印出來[11]。系統運行圖如圖6所示。

圖6 系統運行圖

5 結語

本文通過對于增壓艙的控制,設計了上位機與下位機相結合的控制方式,又運用上位機軟件LabVIEW開發了模糊自適應PID算法和增壓艙控制系統,現場試驗表明,工控機與PLC的兩級控制模式與PLC的單級控制模式相比,兩級控制模式為用戶提供了可視化的監控界面,使整個控制系統變得更加的人性化,方便用戶操作,并且兩級控制模式給予工控機與PLC不同的工作,提高了系統的運行效率。模糊自適應PID算法對于增壓艙內壓力的控制效果要好于傳統PID算法,提高了系統的響應速率,減小了超調量,使系統運行更加穩定,該控制結構滿足設計要求。

[1] 湯永健.基于微機在高壓氧艙中的應用[J].中華航海醫學與高氣壓,2001,27(12):56-59. TANG Yongjian. Based on the microcomputer application in the hyperbaric oxygen chamber[J]. The Nautical Medicine and High Pressure,2001,27(12):56-59.

[2] 陳真,王延江,王釗.基于LabVIEW的遠程數據采集系統開發[J].儀表技術與傳感器,2006,23(6):27-29. CHEN Zhen, WANG Yanjiang, WANG Zhao. Development of Remote Data Acquisition System Based on LabVIEW[J]. Instrumentation Technology and Sensor,2006,23(6):27-29.

[3] 李達,魏學哲,孫澤昌.LabVIEW數據采集系統的設計與實現[J].中國儀器儀表,2007,10(1):49-52. LI Da, WEI Xuezhe, SUN Zechang. Design and Realization of LabVIEW Data Acquisition System[J]. Chinese Instrument,2007,10(1):49-52.

[4] 張茜,雷勇,王明.基于虛擬儀器技術的網絡化遠程實驗室系統[J].實驗室研究與探索,2013,30(9):90-93. ZHANG Qian, LEI Yong, WANG Ming. Networked Remote Lab System Based on Virtual Instrument Technology[J]. Research and Exploration in Laboratory,2013,30(9):90-93.

[5] 尹一鳴.基于LabVIEW與PLC的過程控制系統的設計[J].儀表技術與傳感器,2010,11(3):39-41. YING Yiming. Design of Process Control System Based on LabVIEW and PLC[J]. Instrumentation Technology and Sensor,2010,11(3):39-41.

[6] 陳寬于,唐皮城.一種用于主動磁軸承不平衡補償的自調節模糊PID型控制器設計[J].模糊系統仿真,2009,36(4):60-70. CHEN Kuanyu, TANG Picheng. A self-tuning fuzzy PID-type controller design for unbalance compensation in an active magnetic bearing[J]. Fuzzy System Simulation,2009,36(4):60-70.

[7] 喬五志,水原.PID型模糊控制器和參數自適應方法[J].模糊設置與系統,1996,18(1):23-35. QIAO Wuzhi, Masaharu Mizumoto. PID type fuzzy controller and parameters adaptive method[J]. Fuzzy Sets and Systems,1996,18(1):23-35.

[8] 侯勇嚴,孫瑜,郭文強.一種自適應模糊PID控制器的仿真研究[J].陜西科技大學學報,2004,4(22):48-52. HOU Yongyan, SUN Yu, GUO Wenqiang. Simulation Study of an Adaptive Fuzzy PID Controller[J]. Journal of Shaanxi University of Science and Technology,2004,4(22):48-52.

[9] 譚杰文.高壓氧設備維護數據庫系統的設計[J].計算機與數字工程,2002,31(3):231-235. TAN Jiewen. Design of Maintenance Database System for Hyperbaric Oxygen[J]. Computer and Digital Engineering,2002,31(3):231-235.

[10] 趙建軍.高壓氧艙自動監控系統的設計與開發[J].計算機工程與設計,2005,19(1):132-135. ZHAN Jianjun. Design and Development of Automatic Monitoring System for Hyperbaric Oxygen Chamber[J]. Computer Engineering and Design,2005,19(1):132-135.

[11] 吳曉東.高壓氧艙計算機控制基本原理及典型故障處理[J].儀器原理工科,2004,23(3):96-100. WU Xiaodong. The Basic Principle and Typical Fault Treatment of Hyperbaric Oxygen Chamber Computer Control[J]. Instrument Principle Engineering,2004,23(3):96-100.

Design of Cabin Pressurization Control System Based on LabVIEW

GUO Quanmin XIA Xing

(School of Electrical Information Engineering, Xi’an Technological University, Xi’an 710000)

In order to solve the problem when the PLC as the pressurized cabin controller, PLC programming software developing pressurized chamber control system and algorithm are complex, the two-step control mode of combining with the host computer and slave computer is come up with. The graphical language and a variety of software packages of host computer software LabVIEW are used to develop the pressurized cabin control system software and a fuzzy self-adaptive PID algorithm is designed. The host computer is realized as the core controller of the system, So that the system has data processing, command sending, data storage and interface monitoring functions. Tests show that, compared with the traditional control structure, this kind of structure reduces the difficulty of software development and improves the response speed of the system.

pressurized cabin, PLC, the host computer, LabVIEW, fuzzy self-adaptive PID Class Number TP391

2016年10月17日,

2016年11月23日

陜西省自然科學基礎研究計劃項目“基于變結構函數型鏈接神經網絡的工程參數軟測量模型研究”(編號:2014JM2-6112)資助。

郭全民,男,博士,副教授,研究方向:計算機測控技術、圖像處理與機器視覺、智能傳感與信息融合等。夏興,男,碩士,研究方向:自動控制。

TP391

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.04.018