基于虛擬儀器的液位控制系統(tǒng)設計

1 引言

　　人們生活以及工業(yè)生產經常涉及到液位和流量的控制問題，例如飲料、食品加工，居民生活用水的供應，溶液過濾，污水處理，化工生產等多種行業(yè)的生產加工過程， 通常要使用蓄液池。蓄液池中的液位需要維持合適的高度，太滿容易溢出造成浪費，過少則無法滿足需求。因此，需要設計合適的控制器自動調整蓄液池的進出流量，使得蓄液池內液位保持正常水平，以保證產品的質量和生產效益。這些不同背景的實際問題都可以簡化為某種水箱的液位控制問題。因此液位是工業(yè)控制過程中一個重要的參數(shù)。特別是在動態(tài)的狀態(tài)下，采用適合的方法對液位進行檢測、控制，能收到很好的生產效果。

　　傳統(tǒng)的液位控制系統(tǒng)大多采用PLC和組態(tài)軟件來實現(xiàn)，也有用單片機控制的系統(tǒng)，是所謂的實時測控系統(tǒng)。但是在實際生產中，絕大多數(shù)的工業(yè)對象的時間常數(shù)通常在秒級到分鐘級的范圍內。因此除了少數(shù)小時間常數(shù)的對象外，可以由計算機系統(tǒng)來直接安全、有效地完成連續(xù)生產中的過程自動控制任務。

　　現(xiàn)代計算機技術和信息技術的迅猛發(fā)展，沖擊著國民經濟的各個領域，也引起了測量儀器和測試技術的巨大變革。自從1986年美國國家儀器公司(National Instruments Corp，簡稱NI)提出虛擬儀器的概念以后，虛擬儀器由于其性價比、開放性等優(yōu)勢迅速地占領了市場。虛擬儀器技術最核心的思想，就是利用計算機的硬/軟件資源，使本來需要硬件實現(xiàn)的技術軟件化（虛擬化），以便最大限度地降低系統(tǒng)成本，增強系統(tǒng)的功能與靈活性[1]?；谲浖赩I系統(tǒng)中的重要作用，NI提出了“軟件就是儀器（The software is the instrument）”的口號。本文利用美國NI公司的LabVIEW開發(fā)的液位控制系統(tǒng)已經在實驗室條件下對單容液位對象實施了自動控制，取得了較好的調節(jié)效果。

2 系統(tǒng)結構

2.1 控制對象

　　該系統(tǒng)為FESTO緊湊型過程控制實驗裝置，如圖1所示。水箱B102為控制對象，水箱B101用于儲水，執(zhí)行裝置是泵P101。

圖1 液位控制系統(tǒng)實驗裝置示意圖

2.2 控制原理

　　系統(tǒng)采用的數(shù)據(jù)采集卡為NI公司M系列的PCI6221多功能數(shù)據(jù)采集卡，具有16路單端輸入通道或8路差分輸入通道，采集速度最高為250K/s，分辨率為16位，兩路模擬輸出通道，最高轉換速率為833K/s，分辨率為16位。此外還有兩個32位的定時計數(shù)器，24路數(shù)字量輸入輸出通道，滿足系統(tǒng)的控制要求。

　　利用超聲傳感器把液位信號變?yōu)?-10v的電壓信號，經NI-6221數(shù)據(jù)采集卡的模擬輸入通道采集到計算機，由LabVIEW編寫的控制器根據(jù)實測信號和設定值發(fā)出控制信號，經NI-6221數(shù)據(jù)采集卡的模擬輸出通道輸出0-10v的信號控制泵的驅動器，從而改變泵的轉速，達到控制液位的目的，系統(tǒng)組成結構如圖2所示[2]。該系統(tǒng)的主要功能有：實時數(shù)據(jù)采集和顯示，實時PID及其它算法控制和數(shù)據(jù)存儲。

圖2 計算機液位控制系統(tǒng)組成框圖

3 系統(tǒng)軟件設計

　　NI公司的LabVIEW是一種非常優(yōu)秀的面向對象的圖形化編程語言，是一個開放型的開發(fā)環(huán)境，它使用圖標代替文本代碼創(chuàng)建應用程序，擁有大量與其它應用程序通信的VI庫。作為目前國際上主流的基于數(shù)據(jù)流的編譯型圖形編程環(huán)境，它可以把復雜、煩瑣、費時的語言編程簡化成用簡單或圖標提示的方法選擇功能（圖形），并用線條把各種圖形連接起來的簡單圖形編程方式，使得不熟悉編程的工程技術人員都可以按照測試要求和任務快速設計出自己的程序和儀器面板，這大大提高了工作效率，減輕了科研和工程技術人員的工作量[1]。因此本設計選用LabVIEW作為開發(fā)語言。

3.1 軟件結構

　　軟件采用模塊化設計[3]，共分為7個模塊：用戶管理模塊，參數(shù)設置模塊，數(shù)據(jù)采集模塊，工藝流程模塊，實驗項目模塊，數(shù)據(jù)保存回放模塊以及幫助模塊。主要完成以下功能：

1）顯示水箱的液位實時變化；
2）數(shù)據(jù)保存及歷史數(shù)據(jù)分析；
3）液位的兩點控制；
4）參數(shù)設置及修改；
5）測量并繪制水箱的階躍相應曲線；
6）PID控制器以及濾波器的設計。

3.2 兩點控制

　　當液位低于下限值時，泵開始工作，液位上升；當液位高于上限值時，泵停止工作，液位下降，使得液位一直處于一定的范圍之內。液位的測量范圍在20mm－300mm。

3.3 PID控制

　　常規(guī)的PID控制是從比例、積分、微分三個環(huán)節(jié)來實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制的。PID控制模塊采用PID工具包，利用它可以在LabVIEW環(huán)境下通過界面進行交互式的PID控制器的設計，充分利用了LabVIEW和NI的硬件無縫連接的特點，可以迅速搭建所需的控制系統(tǒng)。PID控制的程序如圖3所示。

圖3 PID模塊的程序框圖

4 實驗控制結果及分析

4.1 兩點控制結果

　　對液位進行兩點控制試驗結果如圖4所示，較好的滿足了控制的要求。

圖4 兩點控制實驗結果

4.2 PID控制結果

　　由于液位控制系統(tǒng)的滯后效應較小，所以采用比例調節(jié)或比例積分調節(jié)兩種調節(jié)規(guī)律。對于控制參數(shù)的選取，利用階躍響應曲線法得到傳遞函數(shù)[5]，結合MATLAB仿真得到控制參數(shù)指導試驗[6]。經過反復試驗在設定值為90mm-180mm范圍內，最佳的參數(shù)為：，控制結果如圖5所示，結果優(yōu)于系統(tǒng)技術指標要求。

圖5 實際的PID控制曲線（）

5 結論

　　設計的虛擬儀器系統(tǒng)具有友好的人機界面，經過實際測試系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，控制響應速度快，曲線變化平穩(wěn)，完全滿足了液位控制要求，充分體現(xiàn)了虛擬儀器的特點。尤其是其擴展性很好，可以隨時添加更加先進的控制算法以及其它如流量、壓力控制功能，而且開發(fā)周期很短。本文設計的液位控制系統(tǒng)已經成功的應用于教學和實驗中，取得了良好的調節(jié)效果。因此，該系統(tǒng)具有推廣使用價值。