基于LabVIEW的鍋爐溫度過(guò)程控制系統(tǒng)仿真

宋 鋒 劉瑞歌

(濱洲學(xué)院機(jī)電工程系，山東 濱洲 256603)

控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真是對(duì)復(fù)雜控制系統(tǒng)控制效果的一種檢驗(yàn)手段和方法，是過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中必不可少的環(huán)節(jié)，沒(méi)有經(jīng)過(guò)模擬仿真實(shí)驗(yàn)研究的系統(tǒng)是不能直接投入生產(chǎn)中的[1]。筆者重點(diǎn)介紹以經(jīng)典PID控制算法為理論基礎(chǔ)，利用LabVIEW虛擬儀器開(kāi)發(fā)軟件實(shí)現(xiàn)鍋爐溫度控制系統(tǒng)的仿真，詳細(xì)說(shuō)明了增量式算法的具體實(shí)現(xiàn)方法。

1 PID控制算法①

自20世紀(jì)30年代末期PID控制器出現(xiàn)以來(lái)，無(wú)論是在控制理論方面，還是在控制儀表和設(shè)備方面，都有很大的發(fā)展，它是連續(xù)控制系統(tǒng)中技術(shù)最成熟、應(yīng)用最為廣泛的一種控制器，它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性強(qiáng)、容易實(shí)現(xiàn)、參數(shù)整定方便，并且可以消除穩(wěn)定誤差。在工業(yè)過(guò)程控制中，由于難以建立精確的數(shù)學(xué)模型，系統(tǒng)的參數(shù)經(jīng)常發(fā)生變化，所以常采用PID控制技術(shù)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行在線調(diào)整，在大多數(shù)情況下能夠滿足性能要求，獲得滿意的控制效果[2]。

1.1 模擬PID控制算法

PID是Proportional(比例)、Integral(積分)、Differential(微分)三者的縮寫(xiě)。其調(diào)節(jié)規(guī)律可以組合成P、PI、PID線性控制器，其作用是根據(jù)測(cè)量值與設(shè)定值之間的偏差值，按比例、積分、微分的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行運(yùn)算形成控制量，去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，進(jìn)而影響被控對(duì)象，使對(duì)象輸出趨于設(shè)定值，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定。一般模擬PID的控制原理如圖1所示。

圖1 模擬PID控制原理

控制器的輸出與輸入之間為比例-積分-微分的關(guān)系，即：

(1)

1.2 數(shù)字PID控制算法

計(jì)算機(jī)控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣得到的偏差值來(lái)計(jì)算控制量，而采樣是一拍一拍進(jìn)行的，所以在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，不能直接采用式(1)來(lái)計(jì)算，必須先進(jìn)行離散化處理，得到數(shù)字式PID控制算法。數(shù)字PID控制算法包括位置式和增量式PID，位置式PID的輸出是全量輸出，是執(zhí)行機(jī)構(gòu)所應(yīng)達(dá)到的位置[3]，跟過(guò)去的狀態(tài)有關(guān)，需要對(duì)偏差進(jìn)行累計(jì)，有可能使輸出大幅度地變化，這種情況是生產(chǎn)實(shí)踐中不允許的，為此筆者采用增量式PID控制算法。PID控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 PID控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

與位置式控制算法相比，增量式中偏差不需要累加，計(jì)算機(jī)工作量小，增量?jī)H與最近幾次誤差采樣值有關(guān)，對(duì)控制量的計(jì)算影響較小，容易獲得較好的控制效果，同時(shí)也消除了積分飽和的危險(xiǎn)。增量式算法為：

u(k)=u(k-1)+Δu(k-1)

=u(k-1)+KP[e(k)-e(k-1)]+KIe(k)+

KD[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]

(2)

其中，u(k-1)為上一次的控制量。

2 基于LabVIEW的仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)

LabVIEW是NI公司推出的一種高效的圖形化編程語(yǔ)言，同時(shí)也是著名的虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)，它與C語(yǔ)言、LabWindows/CVI等文本語(yǔ)言的一個(gè)重要區(qū)別是：LabVIEW是基于數(shù)據(jù)流的編譯型圖形編程環(huán)境，開(kāi)發(fā)人員不用掌握太多的計(jì)算機(jī)編程知識(shí)，只需通過(guò)定義和連接代表各種功能模塊的圖標(biāo)，就能方便、迅速地建立起通常只有編程技巧高超的程序員才能編制出的應(yīng)用程序。同時(shí)，LabVIEW可以在不同操作系統(tǒng)下保持兼容，為數(shù)據(jù)的采集、儀器控制、數(shù)據(jù)分析和顯示提供集成的開(kāi)發(fā)工具，是面向測(cè)量與自動(dòng)化領(lǐng)域工程技術(shù)人員的一種優(yōu)秀編程平臺(tái)[4，5]。

2.2 程序框圖的實(shí)現(xiàn)

2.2.1前面板設(shè)計(jì)

筆者模擬了鍋爐溫度控制系統(tǒng)，系統(tǒng)前面板如圖3所示，修改溫度的耗散系數(shù)或者改變鍋爐溫度的給定值都會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生擾動(dòng)，通過(guò)PID自動(dòng)調(diào)節(jié)使鍋爐的溫度穩(wěn)定在給定值上。在前面板界面上可以任意改變PID參數(shù)、點(diǎn)擊仿真開(kāi)關(guān)使其處于ON狀態(tài)，就會(huì)得到不同實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)的仿真曲線。對(duì)于鍋爐溫度控制系統(tǒng)這樣簡(jiǎn)單的過(guò)程控制系統(tǒng)，可以按照簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的整定步驟，找到合適的比例系數(shù)、積分時(shí)間常數(shù)、微分時(shí)間常數(shù)。當(dāng)鍋爐的溫度和設(shè)定值相同時(shí)，系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，點(diǎn)擊仿真開(kāi)關(guān)，關(guān)閉程序，就可以記錄下此時(shí)的工作狀態(tài)，并能實(shí)時(shí)記錄調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)，方便保存和輸出文件，拖動(dòng)進(jìn)度條可以查看歷史調(diào)節(jié)曲線。另外，系統(tǒng)還具有存儲(chǔ)功能，可以隨時(shí)保存記錄各個(gè)時(shí)間點(diǎn)的工作狀態(tài)，方便觀察控制效果。查看時(shí)只需選擇打開(kāi)文件按鈕，就可找到以前存儲(chǔ)的各種工作狀態(tài)的結(jié)果。為了更好地顯示調(diào)節(jié)效果和便于參數(shù)整定，對(duì)給定溫度、實(shí)際溫度、控制信號(hào)3種曲線使用了不同的顏色表示。溫度計(jì)設(shè)定范圍為1～100℃，溫度的高低可以通過(guò)電熱絲的不同顏色來(lái)表示。除此之外，系統(tǒng)還記錄了實(shí)驗(yàn)的實(shí)時(shí)操作時(shí)間，方便管理員管理，同時(shí)也考慮了系統(tǒng)的仿真速度，用戶可以自定義仿真速度。

圖3 鍋爐溫度控制系統(tǒng)前面板

2.2.2增量式算法的實(shí)現(xiàn)

LabVIEW雖為圖形化編程語(yǔ)言，但它并沒(méi)有完全摒棄傳統(tǒng)文本式編程語(yǔ)言的特點(diǎn)，而是與文本語(yǔ)言相結(jié)合，如Mathscript的引入和不斷發(fā)展，就表明LabVIEW與文本式語(yǔ)言相結(jié)合，已經(jīng)進(jìn)入到一個(gè)新階段。文本式編程和圖形式編程相結(jié)合，已經(jīng)成為L(zhǎng)abVIEW編程發(fā)展的趨勢(shì)。公式節(jié)點(diǎn)是LabVIEW內(nèi)嵌的小型工具，主要用于簡(jiǎn)單計(jì)算。公式節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)類(lèi)型、語(yǔ)法和控制結(jié)構(gòu)與C語(yǔ)言是十分相似的。利用LabVIEW中的while循環(huán)、移位寄存器再結(jié)合公式節(jié)點(diǎn)就可以實(shí)現(xiàn)增量式PID控制算法。增量式PID控制算法公式中的e(k-1)、e(k-2)是e(k)分別延時(shí)一個(gè)和兩個(gè)采樣周期得到的，可以在while循環(huán)中添加兩組移位寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)。該增量式PID控制算法運(yùn)行速度快，系統(tǒng)資源占用率低，同時(shí)該控制算法的實(shí)現(xiàn)不用購(gòu)買(mǎi)NI公司的PID Control Toolset工具包，也就不需要NI授權(quán)，有著很強(qiáng)的應(yīng)用性。

2.2.3數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)回放模塊

LabVIEW中提供了豐富的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)函數(shù)，可以根據(jù)需要把數(shù)據(jù)保存成文本文件，如.txt文本或者.xls文件，二進(jìn)制文件或者波形文件。為了便于從文件中查看調(diào)節(jié)效果，本系統(tǒng)采用了波形文件存儲(chǔ)。打開(kāi)運(yùn)行程序，點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕使其處于ON狀態(tài)，根據(jù)給定溫度和實(shí)際溫度之間的偏差，設(shè)計(jì)好合理的比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)，當(dāng)系統(tǒng)處于穩(wěn)定時(shí)，點(diǎn)擊F2即可將生成的調(diào)節(jié)曲線并保存下來(lái)，隨時(shí)可以通過(guò)事先設(shè)計(jì)好的快捷鍵查看此波形，以便于在調(diào)節(jié)過(guò)程中進(jìn)行比較，達(dá)到更好的調(diào)節(jié)效果。另外也可以通過(guò)拖動(dòng)滾動(dòng)條查看歷史調(diào)節(jié)曲線。

3 結(jié)束語(yǔ)

筆者采用增量式算法設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于LabVIEW的鍋爐溫度控制系統(tǒng)的的仿真。該系統(tǒng)具有人機(jī)交互界面友好、易操作和系統(tǒng)功能較齊全的特點(diǎn)。系統(tǒng)既能完成鍋爐控制系統(tǒng)的參數(shù)整定，也能實(shí)時(shí)顯示控制曲線，另外也包括數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和打印，并能形象地通過(guò)金屬絲的顏色變化顯示溫度的變化，能取代傳統(tǒng)儀器進(jìn)行PID控制的參數(shù)整定。該系統(tǒng)給實(shí)際的鍋爐溫度控制系統(tǒng)提供了理論參考，節(jié)省了硬件投資，降低了成本，具有推廣應(yīng)用價(jià)值。

[1] 陳曦，柳國(guó)輝，楊振興，等.基于LabVIEW的過(guò)程控制系統(tǒng)仿真[J].河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，38(5)：77～80.

[2] 范立南，李雪飛.計(jì)算機(jī)控制技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[3] 吳強(qiáng)，韓震宇，李程.基于增量式PID算法的無(wú)刷直流電機(jī)PWM調(diào)速研究[J].機(jī)電工程技術(shù)，2013，42(3)：63～65.

[4] 何光亞.基于PXI總線的QPSK解調(diào)模塊設(shè)計(jì)[D].成都：電子科技大學(xué)，2007.

[5] 祁春.基于虛擬儀器技術(shù)的抽油機(jī)測(cè)試系統(tǒng)研究與開(kāi)發(fā)[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2009.