基于虛擬儀器的液位控制系統(tǒng)設(shè)計

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。