基于LabVIEW的太陽能噴射制冷測控系統(tǒng)的開發(fā)
1. 引言
空調系統(tǒng)向新能源發(fā)展、減少電能消耗已經是必然的趨勢。目前，在世界范圍內，對太陽能驅動的噴射式制冷、吸收式制冷及吸附式制冷的研究和應用，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)是眾多研究人員關注的焦點。但是，其設計和運行維護比較復雜，且運行一段時間后，工質的化學穩(wěn)定性下降、系統(tǒng)難以保持高真空等問題會導致系統(tǒng)效率下降。同時，吸收式制冷的初期投資較大，也是其進一步發(fā)展的障礙。因此，近年來，噴射式制冷受到了較多的關注[1]。
但是如果直接利用太陽能做熱源來加熱，易受天氣影響，難以保證實驗過程的穩(wěn)定進行。因此，目前進行的實驗多以電能直接做熱源來進行的。為了保證實驗的精度，必須對水溫進行準確的控制。PID控制器就是一種可以進行方便、精確控溫的控制方式。但此種方法的缺點是需要另外購置PID控制器，且不便于遠程的電腦控制。為此，筆者針對太陽能噴射制冷實驗系統(tǒng)，在labVIEW平臺上開發(fā)了一套測控系統(tǒng)。LabVIEW 是美國National Instrument 公司推出的應用于測控領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)點實現的PID 控制技術和使用其簡便的數據采集方式建立的測控系統(tǒng)。
2. 工作原理
PID控制原理
PID控制是從比例、積分和微分三個環(huán)節(jié)來實現對系統(tǒng)控制的。常規(guī)PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖1 所示。PID控制是一種線性控制方式,它根據給定值r（t）與實際輸出值c（t）構成控制偏差:
e（t）=r（t）-c（t） （1）
對偏差進行比例（P）、積分（I）、微分（D）計算后通過線性組合構成控制量,作用于被控對象,其控制規(guī)律為：
Ti — 積分時間常數
Td — 微分時間常數
比例環(huán)節(jié)成比例的反映控制系統(tǒng)的偏差信號,一旦產生偏差,控制器就產生控制作用,來減少偏差。積分環(huán)節(jié)主要用于消除靜態(tài)誤差, 提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強弱取決于時間常數Ti, Ti越小,積分作用越強。微分環(huán)節(jié)反映偏差信號的變化趨勢,在系統(tǒng)中引入一個有效的提前修正信號,來加快系統(tǒng)的動作速度,縮短調節(jié)時間。
LabVIEW中實現PID控制
LabVIEW提供了PID工具包（PID Toolkit），用以實現對控制對象的PID控制。本文則介紹了一種新的通過公式節(jié)點（formula node）實現PID控制的簡單方法。公式節(jié)點的程序如圖1所示。其中Tset為設定的溫度值，input為實際溫度值，unew為輸出的控制調壓模塊的電壓值。P值、I值和D值分別通過前面板設定。為了防止在系統(tǒng)啟動過程中造成PID運算的積分積累，致使算得的控制量超過電加熱的最大動作范圍，引起系統(tǒng)超調，本系統(tǒng)采用了積分分離PID控制方法。e為設定的閾值，當enew大于e值時，起作用的僅是PD控制，可避免過大的超調，又使系統(tǒng)有較快的響應。當enew小于等于e值時，即偏差較小時，采用PID控制，可保證系統(tǒng)的控制精度。通過公式節(jié)點內的簡短運算，將結果unew以電壓信號的形式輸出至調壓模塊，通過它控制電加熱的功率大小。
圖1. 公式節(jié)點程序
圖2 系統(tǒng)整體框圖
整個系統(tǒng)包括6個HT100型壓力傳感器、8個Pt100溫度傳感器和USB2000A共同完成數據采集功能。USB接口、PC和LabVIEW共同構成了數據接收和顯示單元?？刂乒δ軇t由調壓模塊TY-H380D來完成。系統(tǒng)框如圖2所示。
首先在PC上設定發(fā)生器溫度、P值、I值、D值等所需參數，系統(tǒng)開始運行。傳感器將信號送至數據采集卡USB2000A，經由USB接口送至PC。通過將實際測得的發(fā)生器溫度與設定值比較，PC發(fā)出信號控制調壓模塊調節(jié)加熱量。
3. 系統(tǒng)軟件設計
本系統(tǒng)應用LabVIEW編制了測控軟件，可以方便的實現數據的實時采集、存儲、處理和分析。此外，本程序通過與VC++編寫的仿真計算程序的鏈接，實現了仿真計算和實驗數據的比較。通過這種直觀的比較，可以分析在給定的工況下實驗結果和仿真計算之間的誤差。從而可以對仿真計算方法加以修正，使其更加完善，計算結果能夠更加符合實際的實驗結果。程序前面板通過tab container可以方便的實現系統(tǒng)原理flash展示、實時數據顯示、數據分析之間的切換，如圖3所示。
圖3 程序前面板
數據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、壓力數據按一定順序打包，等待下一步的處理。模塊的主要構成如圖4所示。
數據保存模塊的功能則是將采集模塊得到的數據以電子表格形式保存下來。在數據采集過程中，系統(tǒng)會建立測量的數據文件，以便記錄測量中的數據。該模塊可以將采樣得到的數據和采樣時間轉換為標準電子表格數據，追加在建立的數據文件后。由于數據的寫入是實時的，即沒完成一次采樣，就將數據寫入文件中，所以可以將意外情況對測量系統(tǒng)的影響降至最低。
控制模塊則是針對發(fā)生器的電加熱控制而設計的，該模塊主要通過公式節(jié)點實現電加熱的積分分離PID控制。實驗證明，該控制算法可以很好的滿足控溫精度的要求。
數據分析模塊可以處理和顯示從采樣模塊傳來的數據，并可經過處理，將其在用戶終端上以一個完成的數據表格輸出。同時，該模塊通過LabVIEW提供的CIN節(jié)點實現了與VC++仿真程序的鏈接[2]，可以將仿真計算結果和實驗數據同時顯示出來，方便進行比較和誤差分析。
圖4 數據采集模塊主要構成
利用LabVIEw的強大功能，結合VC++的仿真計算程序，開發(fā)了形象直觀的太陽能噴射制冷系統(tǒng)測控系統(tǒng)?？梢詫嶒炁_進行實時的數據采集、顯示、分析以及控制。該系統(tǒng)簡單可靠、實時性良好，可以為實驗的順利進行提供保障。
參考文獻
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[4] 李志軍，宋豫全，郭軍偉，尚萬峰,基于LabVIEW的筒蓋綜合測控系統(tǒng)設計, 微計算機信息,2005,21（19）:113-116
[5] 王永皓，姜周曙，基于LabVIEW的中央空調計算機輔助測試系統(tǒng)，杭州電子工業(yè)學院學報，2002，（4）：62-66
[6] 宋智罡，郁其祥，王益明，陸殿健，基于LabVIEW的PID參數自適應模糊控制器設計，機械設計與制造，2003（4）：11-13(end)
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