基于NILabVIEW和DAQ卡的液位控制系统

21211 阶跃试验与实时建模
图 1 控制系统硬件结构图
图 4 阶跃试验V I 的前面板
图 2 DAQ 板卡安装配置步骤
212 软件部分
L abV IEW 程序称为虚拟仪器程序, 简称 V I; 一个
最基本的V I 由 3 个部分组
成: 前面板 (Panel)、框图程
序 (D iagram P rogramm e) 和
第 25 卷第 4 期增刊
仪 器 仪 表 学 报
2004 年 8 月
基于 N I LabV IEW 和 DAQ 卡的液位控制系统
谢建君 薛平贞
(武汉大学自动化系 武汉 430072)
摘要 介绍了一种基于 N I DAQ 板卡和 L abV IEW 软件的液位控制系统, 在 HM I 人机界面实现了水箱液位的监控、阶跃响 应曲线试验和系统的实时建模。 通过M atlab 仿真求取 P ID 控制参数, 经过反复测试, 最终获得了满意的控制参数和控制过 程。 实验结果表明: 系统达到了预期的设计目标, 为先进的控制算法的研究和实际应用提供了非常好的试验研究平台。 关键词 L abV IEW DAQ 卡 HM I 界面 实时建模 P ID
图 标 连 接 端 口 ( Icon T er2
m inal)。 前面板就是图形化
用户界面; 框图程序用图形
化编程语言编写; 图标 连接
端口可以把已存在的V I 变
成 一 个 对 象 ( SubV I, 即 V I
图 3 主程序框图
子程序) , 然后像子程序一样 可 在 其 他 V I 中 调 用; 连 接
控制器采用了防积分饱和增量式 P ID 算法[4]: ∃u (k) = kp∃e (k) + kie (k) + kd [ ∃e (k) - ∃e (k- 1) ] ki= kpT T i, kd= Kp T d T u (k) = u (k- 1) + ∃u (0≤u (k) ≤60)
P ID 试验实现了水位的监控、报警和数据的查询 及保存; 根据阶跃试验中求取的对象传递函数, 在
L iqu id- level Con trol System Ba sed on N I LabV IEW and DAQ Board
X ie J ian jun Xue P ingzhen
(A u tom a tion D ep a rtm en t, W uhan U n iv ersity , W uhan 430072, C h ina)
水位高度的目的。 其中输入通道由 CY3011A 投入式 液位变送器将水箱液位 h ( t) (0～ 600mm ) 转换为 4～
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仪 器 仪 表 学 报 第 2 5 卷
20mA 的电流信号, 并利用一个串联电阻将其转换为 电压信号采用差分输入方式(以减少 A D 转换的共模 干扰) 送入 I O 接线的 A I 端口; 输出通道通过 DAQ 板卡将上位机的控制量转换为 0～ 10V 的电压信号并 通过 I O 接线模块的 AO 端口输出至 DV 707 型交流 变频器 F ( t) (0～ 60H z) , 以改变水泵的转速。
第 4 期增刊
基于 N I L abV IEW 和 DAQ 卡的液位控制系统
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图 4 所示为当 SP 值从 25H z 变为 30H z 进行阶跃
试验结束时的画面; 由画面显示的参数值可得水箱系
统的传递函数为:
G (s) =
4166 1+ 293
se-
49s
(2)
21212 P ID 控制试验
参考文献
1 杨乐平, 等. L abV IEW 程序设计与应用. 北京: 电子工业 出版社, 2001. 7.
2 DAQ 6023E 6024E 6025E u ser m anua l. N a tiona l In2 strum en ts Co rpo ra tion, 2000, 11.
道, 两个精度达 12 位 的 模 拟 输 出 通 道, 8 通 道 数 字 与实测值的偏差, 并根据控制算法计算出控制量以调
I O , 2 通道定时 计数器 I O , 具有支持 DAQ 功能的 节变频器的频率与电压, 控制水泵转速进而达到控制
Bu s2M aster 能力, 可直接将采集卡上采集的数据直接 传送至计算机内存 (RAM ) , 与 CPU 并行工作保证了
不熟悉被控对象就谈不上控制, 子 V I—Eval. vi 就是用来实时建立系统的模型, 采用方程式(1) 的时域 方程式 y= K [ 1- exp (- (t- Σ) T ) ]作为函数原型, 使 用非线性最小二乘法, 利用阶跃试验的数据来计算并 显示参数 K、Σ、T 的最佳估计值, 并同时输出拟合曲线 及其与试验曲线的均方差(M SE) ; 原型函数中 K 实际 为估计参数 K ∃SP (SP 为设定值)。
பைடு நூலகம்
图 5 阶跃试验V I 的框图程序
阶跃试验 HM I 界面及程序如图 4、图 5 所示。 试 验的被控对象可通过布尔按钮选择单容 双容 ( single doub le) 水箱, 这里选用双容水箱; pow er 按键用来控 制变频器调节作用的加入与否; 整个采样程序用 do— w h ile 循环来实现, 利用延时子 V I—w ait. vi 来控制对 被控变量循环采样的节奏, F ilter. vi 对每秒采集到的 1000 个数据进行巴特沃斯低通数字滤波并输出平均 值; start stop 按键控制采样程序的运行 停止, 采样程 序结束时将采集到的数据分别送入子V I—H istD ata. vi 和 Eval. vi 中; H istD ata. vi 的作用是在实验结束时 把实验数据显示在前面板, 同时利用 DD E 通讯方式将 数据存入M icro soft Ecxel 文档中。
图 6 P ID 试验V I 的前面板
图 8 P ID 阶跃响应仿真
由于仿真中调节器采 P、I、D 控制相互独立的方法, 故 超调量较大; 将M atlab 中求取的整定参数代入实验系 统中, 得到如图 6 所示的 P ID 调节效果; 由于实验中采 用了增量式的 P ID 算法并采取了防积分饱和措施, 所 以取得了较好的调节效果。
3 F. G. Sh in skey. P rocess & con tro l System [M ], Fou rth Ed ition. 1996.
4 何克忠, 等. 计算机控制系统. 北京: 清华大学出版社, 2002. 3.
5 何衍庆, 等. 控制系统分析、设计和应用. 北京: 化学工业 出版社, 2003. 1.
A ll these show that the system has m et w ith the an t icip an t design target and also has p rovided a very u sefu l p lat2
fo rm , on w h ich w e can study m any advanced con t ro l ru les and test their effect s in p ract ice. Key words L abV IEW DAQ board HM I R eal2t im e m odeling P ID
本文以双容水箱为被控对象, 在 L abV IEW 中实 现了通讯、测量、建模与监控的一体化, 并达到了预期 的实验效果, 为系统的建模与控制提供了良好的试验 平台; 将虚拟仪器技术应用于实验室科研教学中, 使教 学更为生动、实验的设计更加灵活, 能够紧跟当前科技 发展的趋势, 构建出集成度高、适应性强的实验室虚拟 仪器系统。
211 硬件部分 以纯迟延环节加双容水箱作为被控对象, 可模拟
大多数工业过程 控 制; 基 于 N I L abV IEW 和 PC I6024E DAQ 板所开发的液位控制系统结构如图 1 所 示。
析库和便捷的快速程序设计, 为过程测量控制及实验 室研究和自动化应用提供了一个直觉式的环境[1]; 选 用 N I 公司生产的 12 位基于 PC I 总线 E 系列数据采 集板卡来完成动态数据的实时采集任务, 通道采样频 率可达 200kS s, 有 16 个单端或 8 个差分模拟输入通
基于虚拟仪器的labview软件是一个高效的图形化程序设计环境它结合了简单易用的图形化开发环境与强大的硬件驱动图形显示能力高级数学分析库和便捷的快速程序设计为过程测量控制及实验室研究和自动化应用提供了一个直觉式的环境公司生产的12位基于pci总线e系列数据采集板卡来完成动态数据的实时采集任务通道采样频率可达200kss有16两个精度达12位的模拟输出通道具有支持daq功能的bus2master能力可直接将采集卡上采集的数据直接传送至计算机内存ram与cpu并行工作保证了数据采集的连续性2系统组成211硬件部分以纯迟延环节加双容水箱作为被控对象可模拟大多数工业过程控制
Abstract It in t roduces a flu id2level con t ro l system u sing N I L abV IEW and DAQ board. O n the HM I, w ater2
level sup ervision and con t ro l can be realized and p aram eters of the con t ro lled variab le m odel can be est im ated ac2
co rding to step respon se test. T he P ID con t ro l p aram eters can be calcu lated w ith M at lab sim u lat ion and then ap 2
p lied on the system. W ith a great m any of exp erim en t s, w e finally had a sat isfying liqu id level con t ro l system.
安装 DAQ 板卡的驱动程序后, 可在 L abV IEW 6i 光 盘 附 带 的 开 发 软 件 M A E (M easu re&A u tom ation Exp lo rer) 中完成 DAQ 板卡的基本配置和变送器量程 的线性变换; 在 L abV IEW 环境中通过配置调用 DAQ 模板的 A I 子模板程序采集水位值, 计算水位设定值
数据采集的连续性[ 2 ]。
1 引 言
虚拟仪器 V I (V isual In strum en t) 正在成为当今
2 系统组成
世界流行的一种仪器构成方案, 它把计算机平台与具 有标准接口的硬件模块及开发测试软件结合起来构成 系统; 基于虚拟仪器的 L abV IEW 软件是一个高效的 图形化程序设计环境, 它结合了简单易用的图形化开 发环境与强大的硬件驱动、图形显示能力、高级数学分
M atlab 中采用编写 m 文件与 Sim u link 相结合的方 式, 根据 Z- N 反应曲线法[5] 进行控制器参数的整定; 将阶跃试验中得出的对象的传递函数式(2) 代入M at2 lab 程序中求得 P ID 整定参数为:
Kp = 1165; T i= 9717; T d= 2414 进行 Sim u link 仿真得阶跃响应曲线如图 8 所示。
3 结束语
图 7 P ID 试验 V I 的程序框图
P ID 控制试验的 HM I 界面及程序如图 6、图 7 所 示。 控制程序主要由两个 do2w h ile 循环组成, 大的循 环实现试验数据的采集滤波及 P ID 调节和数据的保 存, 在循环结束时进行超调量(Ρ% ) 的计算。 小的循环 同步实现过程数据文件的读取显示。
端口表示该 SubV I 与外部进行数据交换的输入输出
口, 就像传统编程语言子程序的参数入口。
双容水箱对象的数学模型可用一阶惯性加迟延环
节等效[ 3 ]:
G (s) =
K 1+ T
s
e-
Σs
(1)
其中的参数 K、T、Σ取决于水箱的容积、管道的阻
力和泵的流量等因素。
主程序的参数初始化包括了对A I、AO、DO 等通 讯子模块程序的初始化, 可以通过人机界面设置采样 速率和采样周期, 定时循环调用如图 3 所示的主程序。