基于虚拟仪器的液位控制系统设计

目录摘要 (Ⅲ)Abstract ............................................................................................. I V 第一章绪论 . (1)1.1 引言 (1)1.2 课题背景 (1)1.2.1 虚拟仪器技术的国内外发展现状 (1)1.2.2 虚拟仪器技术发展趋势 (2)1.3 虚拟仪器的开发软件 (4)1.3.1 虚拟仪器的开发语言 (4)1.3.2 图形化虚拟仪器开发平台——Labview (5)1.3.3 基于Labview平台的虚拟仪器程序设计 (6)1.4 本设计所做的工作 (7)第二章系统设计理论及硬件平台 (8)2.1 数据采集理论 (8)2.1.1 数据采集技术概论 (8)2.1.2 采集系统的一般组成 (10)2.1.3 传感器 (10)2.1.4 信号调理 (10)2.1.5 输入信号的连接方式 (10)2.1.6 选择合适的测量系统 (12)2.2 PID控制理论 (13)2.2.1 控制规律的选择 (14)2.3 数据采集卡的选择 (17)2.3.1 数据采集卡的主要性能指标 (17)2.3.2 数据采集卡(DAQ卡)的组成 (18)2.3.3 PCI-1710HG数据采集卡 (18)2.4 PC机 (19)2.5 液位控制对象 (20)2.6 本设计的信号流程图 (22)第三章系统软件设计 (24)3.1 程序模块化设计概述 (24)3.1.1 软件系统的模块化设计原则 (24)3.1.2 本设计的软件系统模块划分 (26)3.1.3 系统总体程序流程图 (27)3.1.4 设计过程中的量程变换 (28)3.2 系统各模块应用程序 (28)3.2.1 数据采集与输出程序 (28)3.2.2 PID控制算法程序 (29)3.2.3 数据保存程序 (29)3.2.4 历史数据读取程序 (30)第四章系统软件的具体实现 (31)4.1 系统监控界面 (31)4.2 实验步骤及其调试结果 (31)4.3 历史数据读取 (33)第五章总结 (34)参考文献 (36)致谢 (37)附录 (38)基于虚拟仪器的液位控制系统设计摘要虚拟仪器VI（Visual Instrument）正在成为当今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。

虚拟仪器系统利用了计算机系统的强大功能，大大突破了传统仪器在数据采集、处理、显示、存储等方面的限制，用户可以自由定义，自由组合计算机平台、硬件、软件以及完成系统功能所需的附件，可以方便的对其进行维护、扩展、升级，因此“Soft is Instruments (软件就是仪器)的观念正逐步被人们接受。

本设计采用PCI-1710多功能数据采集卡，运用虚拟仪器进行实验水箱液位控制系统的设计。

该系统具有数据实时采集、采集数据实时显示、存储和对水箱液位进行单回路或串级PID控制，并通过数据采集卡输出控制信号对液位信号实时控制等功能。

本设计是虚拟仪器在测控领域的一次成功尝试。

实践证明虚拟仪器是一种优秀的解决方案，能够高效的实现各种测控任务。

关键字：虚拟仪器，液位控制，PCI-1710，PID，Labviewliquid-level control system design Based on the VisualinstrumentAbstractNowadays the Visual Instrument ( VI ) is becoming a popular scheme of instruments constitution. It combines the computer platform with standard interface hardware modules and develops testing software to form a system. Utilizing the powerful function of computer system, the visual instrument system has dramatically broken through the limitation of traditional instruments in data acquisition, processing, displaying, storage, etc. The user can not only freely define and combine the computer platform, hardware, software and the required accessories to complete system functions, but also make maintenance, expansion and upgrading. Therefore people gradually accept the conception that software is the instrument.This design uses the PCI - 1710 multi-function data- acquisition card and visual instrument to devise the control system of the experimental water tank’s liquid level. This system has the functions of real-time data acquisition, real-time data displaying and storage, a single-loop or cascade PID control of the water tank’s liquid level. Besides, it can output the control signal through the data-acquisition card to a real-time control of the liquid level, etc.This design is a successful attempt of the visual instruments in the testing and controlling field. Practice proves that the Visual Instrument is an excellent solution to efficiently fulfill various testing and controlling tasks.Key words: Visual instrument, Liquid-level control, PCI - 1710, PID, Labview第一章绪论1.1 引言测控技术与仪器实验室有5套液位控制实验装置，但这些控制装置目前都是用传统模拟仪表进行控制。

为了在这些实验装置上进行开展研究性实验，必须先将这些实验装置改造为由计算机进行液位检测和控制。

虚拟仪器VI（Visual Instrument）正在成为当今世界流行的一种一起构成方案，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[1]。

工业液位控制中, 常常用到液位控制。

在这些控制中，最重要的参数是液位，因此有必要对液位控制进行自动的、实时的监控。

过去通用的方法是由工作人员分班定时监测液位计的指示值, 将指示值与规定液位数值比较, 并算出两者的差值, 根据液位变化大小作出判断、控制阀门的开度大小。

其弊端是定时查看缺乏实时性, 不能对系统中的突发事件进行及时地处理; 不能排除人为发生错误的因素, 如记录时的误读和误记等[2]。

所以, 本毕业设计要设计一套实时、自动的液位控制监控系统，并充分引入虚拟仪器的概念, 使所设计的监控系统结构清晰、概念简单。

1.2 课题背景1.2.1虚拟仪器技术的国内外发展现状虚拟仪器VI（Visual Instrument）正在成为当今世界流行的一种一起构成方案，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。

虚拟仪器在国外已经比较成熟了，由于其很强的灵活性，使得该技术适用于现代复杂的测试测量系统中。

近几年，虚拟仪器技术在国内的发展势也越来越受到重视[3] 。

而虚拟仪器系统利用了计算机系统的强大功能，大大突破了传统仪器在数据采集、处理、显示、存储等方面的限制，用户可以自由定义，自由组合计算机平台、硬件、软件以及完成系统功能所需的附件，可以方便的对其进行维护、扩展、升级，因此“Soft is Instruments (软件就是仪器)的观念正逐步被人们接受[3]。

现代计算机技术和信息技术的迅猛发展，也冲击着国民经济的各个领域，也引起了测量仪器和测试技术的巨大变革。

自从1986年美国国家仪器公司(National Instruments Corp，简称NI)提出虚拟仪器的概念以后，虚拟仪器由于其性价比、开放性等优势迅速地占领了市场。

虚拟仪器技术最核心的思想，就是利用计算机的硬/软件资源，使本来需要硬件实现的技术软件化（虚拟化），以便最大限度地降低系统成本，增强系统的功能与灵活性[4]。

1.2.2虚拟仪器技术发展趋势虚拟仪器是微电子、通信、计算机等现代科学技术高速发展的产物。

自从1785年库仑发明静电扭秤，1834年哈里斯提出静电电表结构以来，电测仪表和电子仪器随相关技术的进步、仪器仪表元器件质量的提高和测量理论方法的改进得到飞速发展。

有一种较普遍地说法将测量仪器的发展分为五个阶段，如图1.1所示。

图1. 1测量技术的发展从十九世纪初到二十世纪末，测量仪器经历了模拟仪器、电子仪器、数字仪器、智能仪器等阶段，发展到现在的虚拟仪器。

模拟仪器主要有模拟式电压表、电流表等，这些仪表解决了当时对某些量的测量的需求。

从二十世纪初到五十年代左右，测量仪器的材料性能得到改善出现了电子管，同时测量理论和方法与电子技术、控制技术相结合，出现了以记录仪和示波器为代表的电子仪表五十年代以后随着晶体管和集成电路的出现以及应用电子技术的发展将数字技术成功地应用到测量仪器。

这时电子控制集成电路和计算机技术开始融为一体成为测量仪器的主要特征。

七十年代初第一片微处理器问世，微型计算机技术从此发展迅猛，在其影响下测量仪器呈现出新的活力并取得了长足进步。

伴随微电子技术、计算机技术、网络技术的迅速发展及在电工电子测量技术领域的应用，测量仪器也不断进步和发展，出现了智能仪器。