基于虛擬儀器的液位控制系統(tǒng)設(shè)計
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1 引言
人們生活以及工業(yè)生產(chǎn)經(jīng)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(yīng),溶液過濾,污水處理,化工生產(chǎn)等多種行業(yè)的生產(chǎn)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(shè)計合適的控制器自動調(diào)整蓄液池的進(jìn)出流量,使得蓄液池內(nèi)液位保持正常水平,以保證產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)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(jìn)行檢測、控制,能收到很好的生產(chǎn)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(jī)控制的系統(tǒng),是所謂的實時測控系統(tǒng)。但是在實際生產(chǎn)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(nèi)。因此除了少數(shù)小時間常數(shù)的對象外,可以由計算機(jī)系統(tǒng)來直接安全、有效地完成連續(xù)生產(chǎn)中的過程自動控制任務(wù)。
現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)的迅猛發(fā)展,沖擊著國民經(jīng)濟(jì)的各個領(lǐng)域,也引起了測量儀器和測試技術(shù)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(lǐng)了市場。虛擬儀器技術(shù)最核心的思想,就是利用計算機(jī)的硬/軟件資源,使本來需要硬件實現(xiàn)的技術(shù)軟件化(虛擬化),以便最大限度地降低系統(tǒng)成本,增強(qiáng)系統(tǒng)的功能與靈活性[1]。基于軟件在VI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(jīng)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(diào)節(jié)效果。
2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
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(zhuǎn)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(jīng)NI-6221數(shù)據(jù)采集卡的模擬輸入通道采集到計算機(jī),由LabVIEW編寫的控制器根據(jù)實測信號和設(shè)定值發(fā)出控制信號,經(jīng)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(qū)動器,從而改變泵的轉(zhuǎn)速,達(dá)到控制液位的目的,系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)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(jī)液位控制系統(tǒng)組成框圖
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
NI公司的LabVIEW是一種非常優(yōu)秀的面向?qū)ο蟮膱D形化編程語言,是一個開放型的開發(fā)環(huán)境,它使用圖標(biāo)代替文本代碼創(chuàng)建應(yīng)用程序,擁有大量與其它應(yīng)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(fù)雜、煩瑣、費時的語言編程簡化成用簡單或圖標(biāo)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(shù)人員都可以按照測試要求和任務(wù)快速設(shè)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(shù)人員的工作量[1]。因此本設(shè)計選用LabVIEW作為開發(fā)語言。
3.1 軟件結(jié)構(gòu)
軟件采用模塊化設(shè)計[3],共分為7個模塊:用戶管理模塊,參數(shù)設(shè)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(shè)置及修改;
5)測量并繪制水箱的階躍相應(yīng)曲線;
6)PID控制器以及濾波器的設(shè)計。
3.2 兩點控制
當(dāng)液位低于下限值時,泵開始工作,液位上升;當(dāng)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(nèi)。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(jìn)行交互式的PID控制器的設(shè)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(jié)果及分析
4.1 兩點控制結(jié)果
對液位進(jìn)行兩點控制試驗結(jié)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(jié)果
4.2 PID控制結(jié)果
由于液位控制系統(tǒng)的滯后效應(yīng)較小,所以采用比例調(diào)節(jié)或比例積分調(diào)節(jié)兩種調(diào)節(jié)規(guī)律。對于控制參數(shù)的選取,利用階躍響應(yīng)曲線法得到傳遞函數(shù)[5],結(jié)合MATLAB仿真得到控制參數(shù)指導(dǎo)試驗[6]。經(jīng)過反復(fù)試驗在設(shè)定值為90mm-180mm范圍內(nèi),最佳的參數(shù)為:,控制結(jié)果如圖5所示,結(jié)果優(yōu)于系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)要求。
圖5 實際的PID控制曲線()
5 結(jié)論
設(shè)計的虛擬儀器系統(tǒng)具有友好的人機(jī)界面,經(jīng)過實際測試系統(tǒng)穩(wěn)定可靠,控制響應(yīng)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(kuò)展性很好,可以隨時添加更加先進(jìn)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(shè)計的液位控制系統(tǒng)已經(jīng)成功的應(yīng)用于教學(xué)和實驗中,取得了良好的調(diào)節(jié)效果。因此,該系統(tǒng)具有推廣使用價值。