基于LabVIEW的温度控制系统的设计

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1、基于LabVIEW的温度控制系统的设计王春杰，王铁铮（天津理工大学 自动化学院 天津 300384）摘要：为了实现过程控制中对温度的稳定控制，针对模糊和PID算法的优缺点，设计了基于labVIEW平台实现模糊控制器与PID控制器切换，并实现高低限报警和报表等功能。硬件应用数据采集卡实现对现场信号的采集。实验结果表明，基于LabVIEW灵活的在线编程与控制，使模糊控制与PID结合应用到工业控制中，系统控制精度高且有较强的鲁棒性。关键词：模糊控制；PID；LabVIEW；温度控制引言在化工生产过程中，温度是一个需要控制的重要参数，一般会采用PID控制，传统PID线性控制器根据被控对象的不同,适当调

2、整PID参数,可获得较满意的控制效果。然而,传统PID控制器的线性特性只有在工作点附近才能获得较理想的效果,当偏离工作点较远时由于控制对象的非线性,系统的性能会变差,甚至不稳定。而模糊控制方法无须建立被控对象的数学模型,在偏离工作点的区域可明显改善控制的动态性能,同时对噪声也有较强的抑制能力,鲁棒性较好。但模糊控制器本质上属于非线性控制方法,消除系统误差的性能较差,难以达到较高的控制精度。单纯采用PID控制和Fuzzy控制都不会取得较好的控制效果,本文以某化工厂的一个化学反应过程为例，介绍了一种基于LabVIEW的模糊PID自动切换控制器，即根据误差的大小来切换控制算法：当误差绝对值大于设定的

3、最大值时，采用动态响应快的模糊控制进行快速调节；当误差绝对值小于最小值时，可以采用稳态控制精度高的PID控制以达到精确的定位，从而克服积分饱和以及超调等问题。1 被控对象分析该化学反应生产过程是：首先将几种化工原料按一定比例混合，制成一种混合料，放入反应容器中，再向其中加入另一种化工原料X并加热，发生化学反应生成所需的产品。为保证产品的质量和产量，要保证工艺控制的最佳温度。由于是放热反应，所以反应过程是非线性、时滞的，这种反应过程温度控制十分复杂，需要较强的鲁棒性的控制器进行控制。2 系统原理本文设计的化学反应温度控制系统是以研华PIC1711L数据采集卡和美国NI公司的LabVIEW8.6软

4、件平台构建的，其系统组成如图1所示，反应过程的温度变化由温度变送器感知，并将温度信号转换为电压信号，作为数据采集的输入信号送入计算机，经过线性比例换算，可以得到电压与温度的关系。将当前温度与期望温度进行比较获得偏差，采用LabVIEW软件的PID工具包可得到控制量，该控制量由数据采集卡输出，经过信号调理电路，得到加热阀开关占空比，从而达到控制的目的。该系统的主要功能有：实时采集系统数据和趋势图显示，实现系统报警和报表生成，系统实时控制和数据存储。 图12.1 控制算法原理2.1.1 PID控制算法原理PID控制是从比例、积分和微分三个环节来实现对系统的控制，PID控制器是一种线性控制器，。 常

5、规增量式数字PID控制算式为： 式中,u为控制增量;u(k),e(k)分别为控制器k时刻的输出和偏差;Kp为比例系数,可加快响应速度,提高调节精度,但是系统振荡次数会增多,甚至导致超调过大;Ki为积分系数,可消除静差,提高系统无差度,但如果Ki过大,系统将不稳定,振荡次数较多,超调过大;Kd为微分系数,可改善系统动态性能,加速系统动作速度,减少调节时间,提高控制精度,但无论Kd偏大还是偏小,都会导致超调过大。2.1.2模糊控制算法原理本为利用LabVIEW软件里的PID Control Toolkit工具包，建立模糊控制隶属度函数，通过在线修改模糊规则即可快速得到模糊控制表。由于模糊控制的控制

6、作用较粗糙，使得稳态控制精度较低，改善动态偏差和降低稳态偏差构成矛盾。在上面模糊控制器设计中，将e转化为模糊论域上的点，如误差信号，e0=INT(kle+0.5)，若e0=0，则，因n=6，所以0.5/6emax=8%emax，也就是说，在误差量程最大值的8%以内时，模糊控制器已将其作为0对待，因此e=8%emax的稳态误差模糊控制器无法消除，这是模糊控制器控制的盲点和死区。而常规的是精确控制可以有效的调节静态特性，为此设计一个控制开关，使误差在某一阀值以外时，采用模糊控制，以获得较好的瞬态性能，当误差落在阀值以内的范围时，采用常规的PID控制，以改善静态特性。（1）当温度误差绝对值大于10时

7、，采用模糊控制。在这里采用的是二维模糊控制器，是以误差和误差变化率作为模糊控制器的输入，输出为控制增量值U,则可以得到新的控制输出量。（2）将输入量的模糊状态论域分为7个模糊子集：正大（PB）、正中（PM）、正小（PS）、零（ZE）、负小（NS）、负中（NM）、负大（NB）；输出量的模糊状态论域分为7个模糊子集：大（PB）、正中（PM）、正小（PS）、零（ZE）、负小（NS）、负中（NM）、负大（NB）；设各模糊子集的隶属度函数为三角分布。模糊规则如图2所示：UEECNBNMNSZEPSPMPBNBPBPBPBPMPMPSZENMPBPBPMPMPSZENSNSPMPMPMPSZENSNMZE

8、PMPMPSZENSNMNMPSPMPSZENSNMNMNMPMPSZENSNMNMNBNBPBZENSNMNMNBNBNB 图24 LabVIEW主程序设计综合模糊以及PID算法可以得到基于LabVIEW的模糊PID控制切换程序图。其主要功能有：调用模糊算法子VI求得模糊控制表，接收由数据采集卡发来的数据进行温度波形显示，再求得温度误差和误差变化率，应用到模糊以及PID控制算法中得到控制增量发到数据采集卡中，还可以实现在线修改模糊规则以及PID参数等参量，以快速得到最佳控制方案。总体设计图如图3所示：图35 数据采集的实现在Measurement&Automation Explore中进行通

9、道配置，建立一个模拟量输入通道（Analog Input）和数字量输出通道（Digital Output）,并将通道命名，在以后的编程中可以直接用这个名称来指示所用通道。在LabVIEW的Data Acquisition模板中选取相应节点来完成。6 系统特点（1）利用LabVIEW平台可以很方便灵活地在线编程设计模糊、PID控制器，修改模糊规则或PID相应的参数得出最佳的控制方案。（2）LabVIEW编程提高了控制处理速度，利用数据采集卡，采集速度快，控制精度高，大大提高了工作效率。（3）模糊控制与PID切换控制不仅结合了模糊控制鲁棒性强、响应速度快和PID控制精度高等特点，还克服了震荡、超调

10、以及积分饱和的缺点，得到了很好的控制效果。7 系统测试与分析 实验结果经过试验得出模糊PID切换控制不仅响应速度快（约2.4s稳定）、精度高（误差在0.05以内），还不会出现震荡、超调以及积分饱和。通过误差值的大小来进行模糊与PID算法的切换控制，当误差较大时，系统采用模糊控制，系统的响应速度快，当误差较小的时候，用PID来控制，控制精度高并且算法切换可以使得在响应速度变化时超调量尽可能的小。由于应用PID算法的时候，误差已经很小，可以时比例系数不必太大，积分系数大一些，微分系数小一些，这样可以加快调节过程，减小静态误差，克服震荡，使系统趋于稳定。8 结论 本文介绍了基于LabVIEW的自动控

11、制原理虚拟仪器调节与仿真，该试验系统人机界面友好，使用方便，改变了常规模拟PID调节器涉及硬件电路的复杂过程，缩短了系统的开发时间，而且由于LabVIEW强大的、易于实现的软硬件集成功能，使得本系统不仅在算法上出色，而且在实际设计和现场操作都极具可行性。参考文献：1袁梅,董登峰,梁钧台,等.基于虚拟仪器的同步伺服系统PID模糊控制器设计J.测控技术, 2007, 26(7): 39-442 李汉舟,杨世超.基于模糊PID的直流力矩电机转速控J.中国惯性技术学报, 2004, 12(6): 79-83.3 靖苏铜，赵福堂. 基于 LabVIEW 的热电偶温度测量系统J. 仪器仪表标准化与计量，2

12、005(12): 37-394 阮奇桢. 我和 LabVIEWM. 北京:北京航空航天大学出版社，2009: 1-5.5 罗泽文，罗钧，廖红华. 多模模糊 PID 控制J. 重庆大学学报:自然科学版，2005(2):20-22.6 Park Tae-hyoung,Kim Hwa-jungPath planning of automatic optical inspection machines for PCB assembly systems CIEEE International Symposium on Computational Intelligence in Robotics and

13、AutomationEspoo,Finland:IEEE Computer Society Press2005:249254Design of temperature control system based on LabVIEWWang Chun-jie Wang Tie-zheng(School of Info.Eng.,Tian jin University of Technology,Tianjin 300384,China)Abstract: In order to achieve stable control of temperature in the process contro

14、l , for the advantages and disadvantages of fuzzy and PID algorithm, a system based on LabVIEW platform was designed that can achieve switch between fuzzy controller and PID controller , and to achieve high and low limit alarms and reporting functions.Data acquisition hardware is used to achieve fie

15、ld signal acquisition. Experimental results show that, the flexible online programming and control based on LabVIEW , enables the industrial application of combination of fuzzy control and PID control , the control system is of high precision and strong robustness .Key words: fuzzy control; PID; LabVIEW; temperature control作者简介王铁铮，天津理工大学在读研究生，研究方向为控制工程。出生于1988年1月29日，汉族地址：天津市南开区红旗南路延长线天津理工大学邮编：300384电话：13672160226E-mail：13672160226王春杰（导师），研究方向为控制理论与控制工程。