基于虚拟仪器的温度控制仪表设计
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引言
LabVIEW是NI公司的虚拟仪器集成环境。它发展到现在的LabVIEW8.5版本，已经充分体现了软件就是仪器的概念。使用LabVIEW提供的VISA可以对串行设备、GPIB设备、VXI设备进行控制。而且通过使用这些通信总线可以使计算机测试过程中很好地完成测试仪表的工作,更把计算机在过程控制中运算快、精度高等优势发挥的淋漓尽致。
在现在的LabVIEW版本中，为了配合工业仪器的控制需要,该软件专门提供了一个控制模块。该模块中包含了在工业控制领域广泛使用的、现在比较先进的两大控制模型：PID控制模型和模糊控制模型。其中在PID控制模型中包括了普通PID控制模块、PID增益控制模块、PID超前滞后控制模块、PID输出比例限制模块、高级PID控制模块、PID参数自整定模块等。本文针对虚拟仪器中的PID进行了研究，探讨了虚拟仪器在过程控制中的应用模式。
1 虚拟仪器控制仪表的引入方式
虚拟仪器在过程控制中的应用模式可以分为两种,一种是以虚拟仪器为控制器的方式进行测温系统的闭环过程控制；另一种是利用虚拟仪器辅助常规仪器进行温度系统闭环控制。两种控制模式都釆用基于PID算法的控制方式。
PID控制算法不依赖被控对象的模型参数，也不需要考虑外界施加给系统的干扰，因而具有很强的稳定性，并在过程控制系统中得到了广泛应用。PID的数学模型如下：
式中：P(t)为调节器输出；e(t)是调节器的偏差信号，其值为测量值与给定值之差；KP为调节器比例系数；TI为调节器积分时间；TD为调节器微分时间；
在描述连续系统的微分方程时，应由离散系统的差分方程来代替。用差分方程对(1)式进行处理时,其积分项和微分项可用求和及增量式表示：
将式(2)和式(3)带入式(1),即可得到离散的PID表达式：
式中△t=T1表示采用周期；F3)为第"次采用时计算机的输出；e(”)为第”次采样时的偏差，它等于测量值与给定值之差；e(n—1)为第儿一1次釆样时的偏差。也为采样序号，"=0,1,2,......
通常把式(4)称为PID的位置控制算式。由式(4)可以看出，要想计算P(n),不仅需要本次与上次的偏差信号e(n)和e(n-l)，而且还要把历次的偏差信号e(j)进行相加。
Kp、TI、TD分别为比例、积分、微分的3个参数,通常应在程序初始化或在每次执行PID子程序前设定完成以供调用。积分环节主要用于消除静差，提高系统的无差度。它对误差进行积分，对系统控制有一定的滞后作用，积分作用过强会造成系统超调增大,甚至造成振荡。在常规PID中，为防止积分饱和，常将积分环节分离出来，当偏差减小到一定范围时，才加入积分环节。
2 虚拟仪器作为主控制器的控制模式
在以虚拟仪器为主控制器的方式进行测温系统的闭环过程控制中，通常将下位机的常规仪器作为虚拟仪器的数据采集和数据输出通道，从而使虚拟仪器通过传统仪器连接到整个控制系统中。
为完成上面所述的第一种控制模式，可在PC机中使用LabVIEW编写恒温控制软件。在软件中可使用LabVIEW提供的控制工具包中的PID模块包所提供的PID算法，将采集上来的数据送入PID运算模块。之后，再将该模块的输出转化成可以和PWM占空比对应的时间参数下传给MCU控制系统。再由MUC控制系统根据这个参数产生适合的PWM波形来控制加热装置的加热。其系统框图如图1所示。
3 虚拟仪器辅助常规仪器的控制模式
在使用虚拟仪器辅助常规仪器进行温度控制模式下,可由常规仪器进行温度采集和运算，并根据运算的输出结果确定输出的PWM占空比。在此过程中，要将采集来的数据送入虚拟仪器，由虚拟仪器完成数据的图形化和记录功能，然后由虚拟仪器根据所得到的数据对所使用的PID参数自整定模块对PID参数进行自整定。最后将整定好的参数设置到常规仪器中，再以此方法提高常规仪器的控制功能。系统框图如图2所示。
4 引入虚拟仪器的控制效果对比
在以上两个温控系统模式制作完成后，可以通过试验来对控制效果进行比较。在没有把虚拟仪器引入过程控制的反馈回路中时，使用虚拟仪器记录的曲线如图3所示，其中2个数据点之间的时间间隔为5s,所以，整个控制时间为5000s。
控制过程中所设定的温度为100°C,过冲温度为35°C左右，超调量为0.35%,调节时间1500s。稳态误差3°C。由图2可见，其温度曲线前2000s波动范围较大，存在一定的振铃现象。
将虚拟仪器引入整个控制系统后,使用虚拟仪器作为主控制器模式进行控制，其整个系统的控制精度得到了很大幅度的提升。虚拟仪器所记录的曲线如图4所示，图中2个数据点之间的时间间隔为5s,所以，整个控制时间也为5000s：
该控制过程中所设定的温度为100°C，过冲温度为10笆左右，超调量0.1%,调节时间1000s以下。稳态误差为1.5°C(加热环境开放，加热环境封闭可更精确)。由图4可见,其温度曲线前1000s存在波动,但与图3相比，可以有效抑制振铃现象。
在模式二下，即使用虚拟仪器辅助常规仪器闭环控制工作、记录数据、整定参数后，其常规仪器的控制曲线如图5所示其中2个数据点之间的时间间隔亦为5s,所以，整个控制时间也是5000s)：
该控制过程中所设定的温度为100°C,过冲温度为35°C左右，超调量为0.15%,调节时间为1000s以下。稳态误差为1.7笆(加热环境开放，加热环境封闭可更精确)。温度曲线前1000s有波动，也存在小的振铃现象。但与图3相对比，可以很清晰的看到，在传统的控制仪器中引入了虚拟仪器后，其控制效果得到了不错的提高。以前面所做的控制温度描绘的曲线为例，可以有效的缩短了传统仪器的响应时间和稳态误差。超调量也减小了，同时振铃现象得到了非常有效的抑制。
5 结语
使用MCU组成的传统仪器结构紧凑，编程灵活,设计周期短。而花在加上组合使用虚拟仪器技术所编写的过程控制软件后，又给系统的开发与集成带来了极大的益处，同时大幅度的缩减了开发周期，提高开发质量。通过以上实验结果对比，可以很明显的看出，使用虚拟仪器软件和常规仪器的组合应用可以有效地提升控制精度和调节时间，并在很大程度上减小了过程给整个控温系统带来的温度曲线振铃现象。
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