基于LabVIEW的太陽(yáng)能?chē)娚渲评錅y(cè)控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)

1. 引言

空調(diào)系統(tǒng)向新能源發(fā)展、減少電能消耗已經(jīng)是必然的趨勢(shì)。目前，在世界范圍內(nèi)，對(duì)太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的噴射式制冷、吸收式制冷及吸附式制冷的研究和應(yīng)用，已受到普遍重視并取得一定的效果。在早期的研究中，吸收式制冷系統(tǒng)是眾多研究人員關(guān)注的焦點(diǎn)。但是，其設(shè)計(jì)和運(yùn)行維護(hù)比較復(fù)雜，且運(yùn)行一段時(shí)間后，工質(zhì)的化學(xué)穩(wěn)定性下降、系統(tǒng)難以保持高真空等問(wèn)題會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)效率下降。同時(shí)，吸收式制冷的初期投資較大，也是其進(jìn)一步發(fā)展的障礙。因此，近年來(lái)，噴射式制冷受到了較多的關(guān)注[1]。

但是如果直接利用太陽(yáng)能做熱源來(lái)加熱，易受天氣影響，難以保證實(shí)驗(yàn)過(guò)程的穩(wěn)定進(jìn)行。因此，目前進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)多以電能直接做熱源來(lái)進(jìn)行的。為了保證實(shí)驗(yàn)的精度，必須對(duì)水溫進(jìn)行準(zhǔn)確的控制。PID控制器就是一種可以進(jìn)行方便、精確控溫的控制方式。但此種方法的缺點(diǎn)是需要另外購(gòu)置PID控制器，且不便于遠(yuǎn)程的電腦控制。為此，筆者針對(duì)太陽(yáng)能?chē)娚渲评鋵?shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在labVIEW平臺(tái)上開(kāi)發(fā)了一套測(cè)控系統(tǒng)。LabVIEW 是美國(guó)National Instrument 公司推出的應(yīng)用于測(cè)控領(lǐng)域的圖形化編程軟件。本文主要介紹了一種利用LabVIEW的公式節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)的PID 控制技術(shù)和使用其簡(jiǎn)便的數(shù)據(jù)采集方式建立的測(cè)控系統(tǒng)。

2. 工作原理

PID控制原理

PID控制是從比例、積分和微分三個(gè)環(huán)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)控制的。常規(guī)PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖1 所示。PID控制是一種線(xiàn)性控制方式,它根據(jù)給定值r（t）與實(shí)際輸出值c（t）構(gòu)成控制偏差:

e（t）=r（t）-c（t） （1）

對(duì)偏差進(jìn)行比例（P）、積分（I）、微分（D）計(jì)算后通過(guò)線(xiàn)性組合構(gòu)成控制量,作用于被控對(duì)象,其控制規(guī)律為：

表示為傳遞函數(shù)的形式為：

其中kp — 比例系數(shù)

Ti — 積分時(shí)間常數(shù)

Td — 微分時(shí)間常數(shù)

比例環(huán)節(jié)成比例的反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào),一旦產(chǎn)生偏差,控制器就產(chǎn)生控制作用,來(lái)減少偏差。積分環(huán)節(jié)主要用于消除靜態(tài)誤差, 提高系統(tǒng)的無(wú)差度。積分作用的強(qiáng)弱取決于時(shí)間常數(shù)Ti, Ti越小,積分作用越強(qiáng)。微分環(huán)節(jié)反映偏差信號(hào)的變化趨勢(shì),在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的提前修正信號(hào),來(lái)加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度,縮短調(diào)節(jié)時(shí)間。

LabVIEW中實(shí)現(xiàn)PID控制

LabVIEW提供了PID工具包（PID Toolkit），用以實(shí)現(xiàn)對(duì)控制對(duì)象的PID控制。本文則介紹了一種新的通過(guò)公式節(jié)點(diǎn)（formula node）實(shí)現(xiàn)PID控制的簡(jiǎn)單方法。公式節(jié)點(diǎn)的程序如圖1所示。其中Tset為設(shè)定的溫度值，input為實(shí)際溫度值，unew為輸出的控制調(diào)壓模塊的電壓值。P值、I值和D值分別通過(guò)前面板設(shè)定。為了防止在系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程中造成PID運(yùn)算的積分積累，致使算得的控制量超過(guò)電加熱的最大動(dòng)作范圍，引起系統(tǒng)超調(diào)，本系統(tǒng)采用了積分分離PID控制方法。e為設(shè)定的閾值，當(dāng)enew大于e值時(shí)，起作用的僅是PD控制，可避免過(guò)大的超調(diào)，又使系統(tǒng)有較快的響應(yīng)。當(dāng)enew小于等于e值時(shí)，即偏差較小時(shí)，采用PID控制，可保證系統(tǒng)的控制精度。通過(guò)公式節(jié)點(diǎn)內(nèi)的簡(jiǎn)短運(yùn)算，將結(jié)果unew以電壓信號(hào)的形式輸出至調(diào)壓模塊，通過(guò)它控制電加熱的功率大小。

圖1. 公式節(jié)點(diǎn)程序

圖2 系統(tǒng)整體框圖

系統(tǒng)原理

整個(gè)系統(tǒng)包括6個(gè)HT100型壓力傳感器、8個(gè)Pt100溫度傳感器和USB2000A共同完成數(shù)據(jù)采集功能。USB接口、PC和LabVIEW共同構(gòu)成了數(shù)據(jù)接收和顯示單元。控制功能則由調(diào)壓模塊TY-H380D來(lái)完成。系統(tǒng)框如圖2所示。

首先在PC上設(shè)定發(fā)生器溫度、P值、I值、D值等所需參數(shù)，系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行。傳感器將信號(hào)送至數(shù)據(jù)采集卡USB2000A，經(jīng)由USB接口送至PC。通過(guò)將實(shí)際測(cè)得的發(fā)生器溫度與設(shè)定值比較，PC發(fā)出信號(hào)控制調(diào)壓模塊調(diào)節(jié)加熱量。

3. 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)應(yīng)用LabVIEW編制了測(cè)控軟件，可以方便的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、存儲(chǔ)、處理和分析。此外，本程序通過(guò)與VC++編寫(xiě)的仿真計(jì)算程序的鏈接，實(shí)現(xiàn)了仿真計(jì)算和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較。通過(guò)這種直觀的比較，可以分析在給定的工況下實(shí)驗(yàn)結(jié)果和仿真計(jì)算之間的誤差。從而可以對(duì)仿真計(jì)算方法加以修正，使其更加完善，計(jì)算結(jié)果能夠更加符合實(shí)際的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。程序前面板通過(guò)tab container可以方便的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)原理flash展示、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)分析之間的切換，如圖3所示。

圖3 程序前面板

主程序主要數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)保存模塊、控制模塊和數(shù)據(jù)分析模塊組成。

數(shù)據(jù)采集模塊的主要功能是選擇板卡的通道范圍，并將采集的溫度、壓力數(shù)據(jù)按一定順序打包，等待下一步的處理。模塊的主要構(gòu)成如圖4所示。

數(shù)據(jù)保存模塊的功能則是將采集模塊得到的數(shù)據(jù)以電子表格形式保存下來(lái)。在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，系統(tǒng)會(huì)建立測(cè)量的數(shù)據(jù)文件，以便記錄測(cè)量中的數(shù)據(jù)。該模塊可以將采樣得到的數(shù)據(jù)和采樣時(shí)間轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電子表格數(shù)據(jù)，追加在建立的數(shù)據(jù)文件后。由于數(shù)據(jù)的寫(xiě)入是實(shí)時(shí)的，即沒(méi)完成一次采樣，就將數(shù)據(jù)寫(xiě)入文件中，所以可以將意外情況對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的影響降至最低。

控制模塊則是針對(duì)發(fā)生器的電加熱控制而設(shè)計(jì)的，該模塊主要通過(guò)公式節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)電加熱的積分分離PID控制。實(shí)驗(yàn)證明，該控制算法可以很好的滿(mǎn)足控溫精度的要求。

數(shù)據(jù)分析模塊可以處理和顯示從采樣模塊傳來(lái)的數(shù)據(jù)，并可經(jīng)過(guò)處理，將其在用戶(hù)終端上以一個(gè)完成的數(shù)據(jù)表格輸出。同時(shí)，該模塊通過(guò)LabVIEW提供的CIN節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了與VC++仿真程序的鏈接[2]，可以將仿真計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)同時(shí)顯示出來(lái)，方便進(jìn)行比較和誤差分析。

圖4 數(shù)據(jù)采集模塊主要構(gòu)成

4. 總結(jié)

利用LabVIEw的強(qiáng)大功能，結(jié)合VC++的仿真計(jì)算程序，開(kāi)發(fā)了形象直觀的太陽(yáng)能?chē)娚渲评湎到y(tǒng)測(cè)控系統(tǒng)?？梢詫?duì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)采集、顯示、分析以及控制。該系統(tǒng)簡(jiǎn)單可靠、實(shí)時(shí)性良好，可以為實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行提供保障。

參考文獻(xiàn)
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