基于LabVIEW的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

劉凱++初光勇+黃海松

摘 要： 針對(duì)傳統(tǒng)溫度精確控制系統(tǒng)需要在散熱率低、干擾小的情況下運(yùn)行的缺陷。采用LabVIEW軟件，設(shè)計(jì)開發(fā)了一款基于PID+PWM的溫度控制系統(tǒng)。該溫度控制系統(tǒng)在硬件上由NI?6008采集卡、溫度傳感器、溫度變送器、固態(tài)繼電器等構(gòu)成；在軟件上以PID+PWM算法為核心，回溫預(yù)熱系統(tǒng)為補(bǔ)充，最終形成一個(gè)完整的溫度控制系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以在散熱率較高以及干擾較大的環(huán)境下實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的精確控制，溫度波動(dòng)范圍在±0.3 ℃。

關(guān)鍵詞： LabVIEW； 溫度控制系統(tǒng)； PID； PWM； NI?6008采集卡

中圖分類號(hào)： TN964?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）18?0164?04

Design of temperature control system based on LabVIEW

LIU Kai1， CHU Guangyong2， HUANG Haisong1

（1. MOE Key Laboratory of Advanced Manufacturing Technology， Guizhou University， Guiyang 550025， China；

2. Tongren Polytechnic College， Tongren 554300， China）

Abstract： Since the traditional temperature accurate control system needs to run under the conditions of low heat dissipation rate and weak interference， the LabVIEW software is used to design and develop a temperature control system based on PID+PWM. The hardware of the temperature control system is composed of NI?6008 acquisition card， temperature sensor， temperature transmitter， solid?state relay， etc. PID+PWM algorithm is taken as the core of the system software， and temperature returning and preheating system is taken as the supplement to form a complete temperature control system. Experimental results show that the system can control the temperature accurately in the environment of high heat dissipation rate and powerful interference， and temperature fluctuation range is within ±0.3 ℃.

Keywords： LabVIEW； temperature control system； PID； PWM； NI?6008 acquisition card

0 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和測(cè)試水平的提高，人們對(duì)溫度的控制精度要求越來(lái)越高[1]。溫度控制具有大滯后、大慣性、時(shí)變性、升溫單向性等特點(diǎn)，因此傳統(tǒng)的控制不能實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜環(huán)境下對(duì)溫度的有效控制[2]。目前對(duì)溫度控制系統(tǒng)的研究有宋智罡等人利用LabVIEW做的模糊控制器[3]，趙宇等人設(shè)計(jì)的溫度采集系統(tǒng)[4]，但并沒(méi)有考慮到實(shí)際情況對(duì)溫度影響的復(fù)雜性。本文將PID控制的理論與PWM脈寬調(diào)節(jié)相結(jié)合，并且加入了回溫預(yù)熱系統(tǒng)。利用LabVIEW編程實(shí)現(xiàn)在散熱率較高以及干擾較強(qiáng)環(huán)境下對(duì)溫度的精準(zhǔn)控制。

1 溫度控制系統(tǒng)的工作原理

本文所設(shè)計(jì)的溫度控制系統(tǒng)如圖1所示。

其工作原理為，溫度傳感器感知溫度并將信號(hào)傳送給溫度變送器，溫度變送器將收到的信號(hào)放大并轉(zhuǎn)變成0～5 V的電壓傳送給采集卡。

采集卡獲得的信息通過(guò)數(shù)據(jù)線傳送給上位機(jī)。上位機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理后通過(guò)采集卡控制繼電器的開關(guān)，進(jìn)而控制加熱裝置。

2 溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的溫度控制系統(tǒng)主要用于干擾多、散熱率大的場(chǎng)合，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。結(jié)合使用要求，硬件選型如下：

（1） 溫度采集選用DS18B20傳感器，測(cè)量的溫度范圍為-55～125 ℃。

（2） 溫度變送器采用J型熱電偶。在溫度變化時(shí)將傳來(lái)的電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為0～5 V電壓信號(hào)并將信號(hào)傳送給NI采集卡[5]。

（3） 考慮到散熱率高所以加熱設(shè)備采用加熱功率為1 500 W的加熱鍋。

（4） 采集卡選用NIUSB?6008。這個(gè)采集卡可提供8個(gè)模擬輸入（AI）通道、2個(gè)模擬輸出（AO）通道、12個(gè)數(shù)字輸入/輸出（DIO）通道以及一個(gè)帶全速USB接口的32位計(jì)數(shù)器[6]。

（5） 繼電器選擇DELIXI ELECTRIC的固態(tài)繼電器。

3 溫度控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)溫度控制系統(tǒng)軟件包括系統(tǒng)前面板設(shè)計(jì)和系統(tǒng)后面板設(shè)計(jì)。

3.1 系統(tǒng)前面板設(shè)計(jì)

系統(tǒng)前面板設(shè)計(jì)在LabVIEW里面進(jìn)行，系統(tǒng)前面板包括了常用控制和顯示模塊、溫度控制信號(hào)顯示模塊、PID系數(shù)設(shè)置模塊、溫度數(shù)值顯示模塊等，如圖3所示。endprint

（1） 常用控制和顯示模塊

該模塊包括加熱開關(guān)、采集開關(guān)、時(shí)間顯示框、溫差顯示表以及溫度計(jì)。

（2） 溫度控制信號(hào)顯示框

該模塊顯示當(dāng)前溫度、溫度變化趨勢(shì)以及設(shè)定的溫度值。

（3） PID系數(shù)設(shè)置模塊

此模塊設(shè)置PID三項(xiàng)系數(shù)。

（4） 溫度數(shù)值顯示模塊

每間隔3 s顯示溫度數(shù)值，這樣既可以顯示溫度的具體數(shù)值又可以消除一定的干擾。

3.2 系統(tǒng)后面板設(shè)計(jì)

程序后面板如圖4所示，主要包括數(shù)據(jù)采集模塊、PWM模塊、PID模塊、模擬電壓輸出模塊、數(shù)據(jù)存貯模塊、回溫控制模塊等。本文主要介紹PID模塊、 PWM模塊、回溫控制模塊。

圖4 溫度控制系統(tǒng)后面板

3.2.1 PID模塊

在LabVIEW中，PID控制算法為：

[ut=KP?e+KI?0te+KD?dedt]

式中：e為設(shè)定值與實(shí)際返回值的差值；[KP]為比例系數(shù)；[KI]為積分系數(shù)；[KD]為微分系數(shù)。由于實(shí)際的需求，將微分項(xiàng)進(jìn)行變動(dòng)，由設(shè)定溫度與實(shí)際溫度的差值的微分改為相鄰兩次采樣點(diǎn)的差值的微分。這樣的微分項(xiàng)可以控制下面的回溫裝置。考慮到實(shí)際中散熱較大，干擾較多，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證比例系數(shù)、積分系數(shù)、微分系數(shù)分別采用2，0.003，1。其中比例環(huán)節(jié)主要控制加熱系統(tǒng)中間斷加熱的開啟時(shí)間，經(jīng)多次調(diào)整，當(dāng)實(shí)際溫度與設(shè)定溫度相差6 ℃時(shí)開啟間斷加熱。

微分環(huán)節(jié)在溫度下降時(shí)啟用，當(dāng)溫度下降過(guò)快時(shí)啟用預(yù)熱模塊，減緩溫度下降趨勢(shì)。積分環(huán)節(jié)用來(lái)判斷系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)，以及達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間。由于本實(shí)驗(yàn)在干擾較強(qiáng)的環(huán)境下使用，所以控制溫度的波動(dòng)范圍，使系統(tǒng)達(dá)到一個(gè)相對(duì)的穩(wěn)態(tài)。

3.2.2 PWM模塊

脈沖寬度調(diào)制（PWM）模塊作為溫度精確控制系統(tǒng)中最重要的部分，此模塊的性能直接決定溫度控制系統(tǒng)的精度。考慮到加熱受環(huán)境的影響并且過(guò)后具有余熱等因素，該模塊控制采用PWM脈寬控制。通過(guò)借用PID控制中的比例項(xiàng)來(lái)控制加熱系統(tǒng)。

本系統(tǒng)設(shè)置當(dāng)實(shí)際溫度與設(shè)定溫度的差值達(dá)到6 ℃時(shí)，啟動(dòng)間斷加熱。根據(jù)PID控制中的比例項(xiàng)返回不同的值時(shí)，通過(guò)Matlab節(jié)點(diǎn)控制。在不同比例值時(shí)，對(duì)外輸出不同的值。再將這個(gè)值轉(zhuǎn)化為占空比。將占空比輸入到方波發(fā)生器中如圖5所示，產(chǎn)生具有不同占空比的方波。利用這些方波控制繼電器的開啟時(shí)間達(dá)到控制加熱的目的。

圖5 方波發(fā)生器

3.2.3 回溫控制模塊

考慮到溫度下降的持續(xù)性以及檢測(cè)與實(shí)際存在一定的滯后性，為了更為精準(zhǔn)地控制溫度變化的范圍，在本系統(tǒng)中加入了回溫模塊。每隔3 s采集測(cè)量的溫度值，通過(guò)Matlab節(jié)點(diǎn)計(jì)算出相鄰溫度差值的微分，這就是前文說(shuō)的PID中的微分項(xiàng)，計(jì)算出這段時(shí)間內(nèi)的溫度變化情況。由于誤差的存在本模塊采用4個(gè)點(diǎn)、3個(gè)微分結(jié)果控制回溫系統(tǒng)的啟動(dòng)。如果結(jié)果都為負(fù)值，啟動(dòng)回溫模塊。為了避免出現(xiàn)過(guò)加熱，通過(guò)PWM模塊控制加熱時(shí)間。輸出具有較小的占空比的方波，控制加熱時(shí)間。這樣的回溫控制模塊可以控制溫度變化的下限。

4 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

本次實(shí)驗(yàn)以功率為1 500 W的加熱鍋對(duì)300 mL的水進(jìn)行溫度控制試驗(yàn)，試驗(yàn)的初始溫度為35 ℃，目標(biāo)設(shè)定溫度為38 ℃。圖6和圖7分別是未用PWM的溫度變化曲線和采用PWM的溫度變化曲線。

圖6 未用PWM的溫度變化曲線

圖7 采用PWM的溫度變化曲線

通過(guò)圖6的溫度變化曲線可以得出，由于加熱裝置的余熱和溫度采集的滯后性的影響，導(dǎo)致溫度上升過(guò)多，偏差較大。當(dāng)采用了PWM模塊，溫度變化曲線如圖7所示。通過(guò)對(duì)比圖6、圖7可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)采用PWM模塊，可以有效地消除加熱裝置的余熱以及環(huán)境中的干擾。進(jìn)而可以控制溫度變化范圍的上限，達(dá)到對(duì)溫度波動(dòng)上限的精確控制。

圖8和圖9分別是未采用回溫控制模塊的溫度變化曲線和采用回溫控制模塊的溫度變化曲線，通過(guò)分析未采用回溫控制模塊的溫度變化曲線得出，由于加熱的延遲性和環(huán)境的干擾導(dǎo)致溫度下降速率過(guò)快，下降量過(guò)大，達(dá)不到對(duì)溫度下限的精準(zhǔn)控制。通過(guò)圖8、圖9對(duì)比可以得出：由于采用了回溫控制模塊可以對(duì)加熱裝置進(jìn)行預(yù)熱，減緩溫度下降的趨勢(shì)，達(dá)到對(duì)溫度下限的精確控制。

圖8 未采用回溫控制模塊的溫度變化曲線

通過(guò)圖6～圖9可以清晰地看出，采用PID+PWM可以有效地控制溫度變化的上限，這樣不僅節(jié)省能源的消耗而且可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的精準(zhǔn)控制。采用預(yù)熱模塊，可以有效地控制溫度下降的趨勢(shì)，進(jìn)而控制溫度變化的下限。PID+PWM與回溫控制兩個(gè)控制的有效結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度上下限的有效控制，范圍為-0.3～0.3 ℃。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文基于PID+PWM算法，采用了回溫控制技術(shù)，設(shè)計(jì)出一款可以在復(fù)雜環(huán)境下運(yùn)行的溫度精確控制系統(tǒng)，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的溫度控制系統(tǒng)能夠完成對(duì)溫度的精確控制，控制范圍為±0.3 ℃。該系統(tǒng)具有良好的通用特性，只需要通過(guò)修改一些占空比及PWM控制啟動(dòng)上下限，就可以達(dá)到在不同環(huán)境和要求下的溫度精確控制。

參考文獻(xiàn)

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