基于LabVIEW的液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張文碩，張井崗，趙志誠(chéng)

(太原科技大學(xué)電子信息工程學(xué)院，山西太原 030024)

0 引言

THSA-1型過(guò)控綜合自動(dòng)化控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置是根據(jù)過(guò)程控制自動(dòng)化及相關(guān)專業(yè)教學(xué)特點(diǎn)開(kāi)發(fā)的一套實(shí)驗(yàn)裝置。該裝置可對(duì)液位、溫度、壓力和流量等熱工參數(shù)實(shí)現(xiàn)單回路控制和串級(jí)控制等多種控制［1，2］。我們可以在該實(shí)驗(yàn)裝置上設(shè)計(jì)PLC控制、AI智能儀表控制和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集控制等多種控制系統(tǒng)，加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，提高其動(dòng)手能力［3-5］。但該實(shí)驗(yàn)的控制算法均為 PID控制，沒(méi)有提供其它控制算法，這對(duì)學(xué)生深入理解不同控制算法及應(yīng)用仍有一定的局限性。

利用LabVIEW能夠快速搭建控制系統(tǒng)的圖形用戶界面，與傳統(tǒng)的文本式編程語(yǔ)言相比，可以提高工作效率，縮短開(kāi)發(fā)周期［6］。另外，LabVIEW還提供了實(shí)現(xiàn)儀器編程和數(shù)據(jù)采集的途徑，結(jié)合NI公司數(shù)據(jù)采集板卡，通過(guò)在 Measurement＆Automation(MAX)軟件上簡(jiǎn)單設(shè)置即可實(shí)現(xiàn)兩者之間相互數(shù)據(jù)傳輸，快捷方便［7］。

本文利用LabVIEW開(kāi)發(fā)環(huán)境和NI公司數(shù)據(jù)采集板卡在THSA-1型實(shí)驗(yàn)裝置上建立液位控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可以靈活地設(shè)計(jì)不同的控制算法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，擴(kuò)展了過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)裝置的功能。文中設(shè)計(jì)的控制器已取得了預(yù)期的控制效果。

1 液位控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

1.1 控制系統(tǒng)硬件

在液位控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)硬件包括如下三部分。

(1)PCI-6024E數(shù)據(jù)采集板卡—板卡具有16路單端或8路差分模擬量輸入(AI)通道，2路模擬量輸出(AO)通道，輸入輸出信號(hào)均為-10～10V(DC)。內(nèi)置12位A/D和D/A轉(zhuǎn)換器，8路數(shù)字I/O，2通道定時(shí)/計(jì)數(shù)器I/O。采樣頻率最高可達(dá)200kS/s，分辨率為16位，其控制精度可滿足液位控制要求。

(2)BNC-2120接線盒—該設(shè)備具有8路模擬量差分輸入通道、2路模擬量輸出通道和8路數(shù)字I/O。它通過(guò)68引腳I/O端口與NI公司數(shù)據(jù)采集板卡相連接。

(3)HD22型全隔離信號(hào)變送器—該信號(hào)變送器是一種信號(hào)調(diào)理模塊，可將-10～10V(DC)信號(hào)轉(zhuǎn)換成4～20mA(DC)信號(hào)，具有一定的抗干擾能力，準(zhǔn)確度高。

1.2 雙容液位控制系統(tǒng)

雙容液位控制系統(tǒng)是一個(gè)單閉環(huán)控制系統(tǒng)，在工業(yè)過(guò)程控制中有著廣泛的應(yīng)用，其原理結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，被控過(guò)程由上水箱和下水箱串聯(lián)組成，被控參數(shù)為下水箱的液位值，可通過(guò)測(cè)量變送器LT進(jìn)行測(cè)量。利用液位控制器LC的輸出來(lái)調(diào)節(jié)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，改變?nèi)胨髁?，?shí)現(xiàn)液位定值控制。另外，閥門1為上水箱旁路進(jìn)水閥門，閥門2為下水箱的出水閥門。

圖1 雙容液位系統(tǒng)原理

1.3 液位控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由被控過(guò)程、測(cè)量變送裝置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、接口模塊和工控機(jī)等組成。其中，被控過(guò)程為實(shí)驗(yàn)裝置中的雙容過(guò)程。測(cè)量變送裝置包括壓力傳感器和變送器，可實(shí)現(xiàn)對(duì)下水箱液位的測(cè)量。執(zhí)行機(jī)構(gòu)為智能直行程電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，其控制信號(hào)為4～20mA(DC)。接口模塊由HD22型信號(hào)調(diào)理模塊、BNC-2120接線盒以及PCI-6024E數(shù)據(jù)采集板卡組成。工控機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)水箱液位數(shù)據(jù)的分析、處理及顯示。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 雙容液位控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 LabVIEW控制軟件

LabVIEW軟件由前面板、框圖程序和圖標(biāo)/連接器三部分構(gòu)成。前面板是LabVIEW的監(jiān)控界面，包括輸入控件和顯示控件，可以對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，如圖3所示?？驁D程序采用圖形化的編程語(yǔ)言編寫(xiě)，相當(dāng)于文本式編程語(yǔ)言的程序語(yǔ)句。圖標(biāo)/連接器可以將LabVIEW軟件編寫(xiě)的程序(VI)生成可以供其它VI調(diào)用的子VI。

圖3 LabVIEW的前面板

LabVIEW軟件包含所有NI公司數(shù)據(jù)采集板卡的驅(qū)動(dòng)程序(DAQmx)，用戶可以根據(jù)需要直接調(diào)用DAQmx進(jìn)行編程。DAQmx全部位于框圖程序中的All Functions/NI Measurements/DAQmx--Data Acquisition函數(shù)模板中。本文在多次實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上選取的采樣周期 T=0.1s。

3 控制算法

3.1 PID 控制

PID控制是一種比例、積分和微分控制。連續(xù)PID控制的算式為

離散PID控制算式為［7］

式中，e(t)和e(k)為給定值與實(shí)際值之間的差值，u(k)為k時(shí)刻控制器的輸出值，Kc為比例系數(shù)，Ti和Td分別為積分和微分時(shí)間常數(shù)(單位為min)，Ki和Kd為積分和微分系數(shù)，y(k)為k時(shí)刻實(shí)際值。

LabVIEW提供了PID.VI模塊、數(shù)值運(yùn)算模塊以及循環(huán)語(yǔ)句模塊。通過(guò)調(diào)用這些模塊，可以快速設(shè)計(jì)控制器。圖4為PID控制器的程序。

圖4 PID控制器的程序

3.2 單神經(jīng)元PID控制

單神經(jīng)元PID控制是通過(guò)對(duì)加權(quán)系數(shù)的調(diào)整來(lái)實(shí)現(xiàn)自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)功能的，加權(quán)系數(shù)的調(diào)整是通過(guò)結(jié)合有監(jiān)督的Hebb和Widow-Hoff學(xué)習(xí)規(guī)則實(shí)現(xiàn)的。單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制器結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 單神經(jīng)元PID控制器結(jié)構(gòu)

控制算法以及學(xué)習(xí)規(guī)則為

式中，K為單神經(jīng)元的比例系數(shù);u(k)為k時(shí)刻神經(jīng)元的輸出值;wi(k)為對(duì)應(yīng)于輸入狀態(tài)Xi(k)的加權(quán)值;r(k)為給定值;ηP，ηI，ηD分別為比例、積分、微分學(xué)習(xí)速率，對(duì)比例P、積分I和微分D部分分別采用了不同的學(xué)習(xí)速率，以便對(duì)不同的加權(quán)系數(shù)分別進(jìn)行調(diào)整。

為了使單神經(jīng)元PID控制具有PID特性，取

在單神經(jīng)元PID控制算法中，K值的選擇非常重要。K越大，則快速性越好，但容易引起超調(diào)，甚至造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。如果K值選擇過(guò)小，會(huì)使系統(tǒng)的快速性變差，系統(tǒng)響應(yīng)速度慢［8］。圖6為基于LabVIEW的單神經(jīng)元PID控制器的程序。

圖6 單神經(jīng)元PID控制器的程序

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其分析

本文針對(duì)雙容液位控制系統(tǒng)分別采用PID控制器和單神經(jīng)元PID控制器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。圖7(a)為采用PID控制器時(shí)液位實(shí)時(shí)響應(yīng)曲線。本文采用了衰減曲線法對(duì)PID控制器的參數(shù)進(jìn)行整定，其中Kc=42，Ki=1.4，Kd=25.2，液位設(shè)定值為 8cm。圖7(b)為采用單神經(jīng)元PID控制器時(shí)液位響應(yīng)曲線。其中，單神經(jīng)元PID控制器的初始權(quán)值采用傳統(tǒng)PID參數(shù)整定后的結(jié)果，即:w1(0)=1.4，w2(0)=42，w3(0)=25.2，K=45，學(xué)習(xí)速率:ηP=0.5，ηI=0.02，ηD=0.01。

圖7 液位響應(yīng)曲線

將下水箱閥門2的開(kāi)度減少20%，改變被控過(guò)程的系統(tǒng)特性，控制器參數(shù)不發(fā)生變化，得到響應(yīng)曲線如圖8所示。

圖8 液位(閥門2開(kāi)度減少20%)響應(yīng)曲線

在控制器參數(shù)不改變的情況下，只調(diào)節(jié)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的旁路閥門1，使閥門1的開(kāi)度為15%，同樣改變被控過(guò)程的系統(tǒng)特性，得到系統(tǒng)響應(yīng)曲線如圖9所示。

圖9 液位(閥門1開(kāi)度為15%)響應(yīng)曲線

通過(guò)以上三組實(shí)驗(yàn)可以看出，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)控制系統(tǒng)的目標(biāo)值跟隨特性、魯棒性和自適應(yīng)能力的實(shí)驗(yàn)，過(guò)程簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)靈活。從系統(tǒng)響應(yīng)曲線來(lái)看，PID控制上升速度快、超調(diào)量小，具有較好的穩(wěn)態(tài)性能。單神經(jīng)元PID控制能夠在線整定PID參數(shù)，具有較強(qiáng)的魯棒性和自適應(yīng)能力。

5 結(jié)語(yǔ)

LabVIEW圖形化的編程語(yǔ)言結(jié)合NI公司數(shù)據(jù)采集板卡，可以快速設(shè)計(jì)控制器，擴(kuò)展了過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)裝置的功能，具有設(shè)計(jì)靈活，開(kāi)發(fā)周期短，人機(jī)交互界面良好的特點(diǎn)。在該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上也可以進(jìn)行其它控制算法(如模糊控制、模糊PID控制)和復(fù)雜控制系統(tǒng)(雙回路控制系統(tǒng)、前饋—反饋控制系統(tǒng)、比值控制系統(tǒng))的實(shí)際應(yīng)用，有助于相關(guān)專業(yè)的學(xué)生深化對(duì)不同控制算法性能的理解，可以提高實(shí)際動(dòng)手能力。

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