基于LabVIEW的水循環(huán)溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引 言

　　隨著虛擬儀器的功能和性能被不斷地提高，在許多應(yīng)用中已成為傳統(tǒng)儀器的主要替代方式。

　　本文以水循環(huán)系統(tǒng)為研究對(duì)象，針對(duì)水循環(huán)的溫度，在比較研究不同控制策略的基礎(chǔ)上，建立精確的數(shù)學(xué)模型，對(duì)水循環(huán)溫度控制進(jìn)行了研究。通過數(shù)據(jù)采集卡對(duì)溫度信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并由軟件平臺(tái)對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行分析，然后用數(shù)學(xué)模型控制算法處理輸出，以使當(dāng)前溫度逼近設(shè)定值，從而達(dá)到溫控目的，最后將采集數(shù)據(jù)保存記錄，以備日后讀取分析。利用虛擬儀器的巨大優(yōu)越性改善水循環(huán)溫度的控制品質(zhì)，提高控制效果。
 

　　1 水循環(huán)溫度控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立

　　1.1 水循環(huán)溫控系統(tǒng)介紹

　　水循環(huán)溫控系統(tǒng)由儲(chǔ)水箱、水泵、傳感器、散熱器和電加熱裝置組成，水循環(huán)原理圖如圖1所示。由于本系統(tǒng)對(duì)溫度要求較高，要保證水管環(huán)境溫度保持在20℃，故需建立合理的數(shù)學(xué)模型及控制算法，將溫度傳感器PT100采樣性能通過散熱器及電加熱器的動(dòng)態(tài)溫度值模擬出來，最終達(dá)到高精度控制溫度的作用。

　　1.2 水循環(huán)溫控系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立

　　水循環(huán)溫控系統(tǒng)各個(gè)部分的溫度因管道、散熱裝置和加熱裝置的原因會(huì)產(chǎn)生很大的變化。為了表達(dá)清楚達(dá)到預(yù)想的結(jié)果，就需要建立正確的數(shù)學(xué)模型。本設(shè)計(jì)根據(jù)實(shí)際情況，選擇了幾個(gè)特殊的點(diǎn)來建立模型。如圖1所示，A，B，C，D，E，F(xiàn)六個(gè)點(diǎn)的溫度，將引起變化的原因全部考慮進(jìn)去，列出函數(shù)關(guān)系式，然后借助LabVIEW編程，由程序控制溫度。

　　(1)B點(diǎn)的溫度函數(shù)關(guān)系式

　　B點(diǎn)為采樣點(diǎn)，B點(diǎn)的溫度跟A點(diǎn)的溫度因中間隔水箱會(huì)有一個(gè)延時(shí)K1，取在A點(diǎn)第N個(gè)采樣值經(jīng)過K1延時(shí)之后的平均值為B點(diǎn)的溫度，它的溫度函數(shù)關(guān)系為：

　　K1)分別為A點(diǎn)第N-1，N-2，…，N-K1個(gè)采樣時(shí)的溫度值;V1為水箱的容積，V1=5 L;q為泵流量，q=0.083 L/s;T為采樣周期，T=1 s;K1：為注滿水箱需要的時(shí)間，即延時(shí)周期，通過計(jì)算K1=60 s。

　　(2)A點(diǎn)的溫度函數(shù)關(guān)系式

　　A點(diǎn)的溫度與D點(diǎn)的溫度因水管而有個(gè)延時(shí)，故A點(diǎn)的溫度函數(shù)關(guān)系如式(2)所示：

　　為D點(diǎn)第N-K3個(gè)采樣點(diǎn)的溫度;V3為D點(diǎn)到A點(diǎn)水管的容積，V3=0.5 L;K3為從D點(diǎn)到A點(diǎn)的延時(shí)周期，通過計(jì)算K3=6 s。

　　(3)D點(diǎn)的溫度函數(shù)值

　　D點(diǎn)的溫度與C點(diǎn)溫度相比，不僅僅是水管的散失而延時(shí)，還與電加熱裝置有關(guān)，函數(shù)關(guān)系如式(3)所示：

　　為C點(diǎn)第N-K2個(gè)采樣點(diǎn)的溫度;P為電加熱器的功率，P=1 kW;C為水的比熱容，C=4.18 kJ/kg·℃;△T為電熱前后的溫度變化，通過計(jì)算△T=3℃;P'為采樣占控比，通過驗(yàn)證P'=1或0;V2為C點(diǎn)與D點(diǎn)間水管的容積，V2=1 L;K2為從C點(diǎn)到D點(diǎn)的延時(shí)周期，通過計(jì)算K2=6 s。
(4)C點(diǎn)的溫度函數(shù)關(guān)系式

　　C點(diǎn)的溫度與F點(diǎn)的溫度相近，就是F點(diǎn)延時(shí)的某一個(gè)溫度值，它的函數(shù)關(guān)系如式(4)所示。

　　為F點(diǎn)第N-K5個(gè)采樣點(diǎn)的溫度;V5為F點(diǎn)到C點(diǎn)水管的容積，V5=0.5 L;K5為從F點(diǎn)到C點(diǎn)的延時(shí)周期，通過計(jì)算K5=6 s。

　　(5)F點(diǎn)的溫度函數(shù)關(guān)系式

　　F點(diǎn)與E點(diǎn)相比，因?yàn)樯崞骱退艿耐瑫r(shí)作用，溫度也相差很大，該點(diǎn)的溫度函數(shù)關(guān)系如式(5)所示：

　　式中：

為E點(diǎn)第N-K4個(gè)采樣點(diǎn)的溫度;K為制冷系數(shù)，K=0.3;T0為環(huán)境溫度，T0=20℃;V4為E點(diǎn)到F點(diǎn)水管的容積，V4=1 L;K4為從F點(diǎn)到E點(diǎn)的延時(shí)周期，通過計(jì)算K4=12 s。

　　(6)E點(diǎn)的溫度函數(shù)關(guān)系式

　　E點(diǎn)的溫度與B點(diǎn)的溫度相比也有個(gè)延時(shí)，該點(diǎn)的溫度函數(shù)關(guān)系如式(6)所示：

　　為B點(diǎn)第N-K6個(gè)采樣點(diǎn)的溫度;V6為B點(diǎn)到E點(diǎn)的水管的容積，V6=0.5 L;K5為從B點(diǎn)到E點(diǎn)的延時(shí)周期，通過計(jì)算Ks=6 s。

　　綜上所述，A，B，C，D，E，F(xiàn)六個(gè)點(diǎn)的函數(shù)關(guān)系式及相互聯(lián)系已經(jīng)表達(dá)清楚，通過LabVtEW建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。

　　2 水循環(huán)溫度控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

　　本設(shè)計(jì)通過數(shù)據(jù)采集卡對(duì)溫度傳感器傳感信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并由軟件平臺(tái)LabVIEW對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行分析，采用上述的數(shù)學(xué)模型控制算法處理輸出，使當(dāng)前溫度以零穩(wěn)態(tài)誤差逼近設(shè)定值，達(dá)到精確控溫目的。根據(jù)水循環(huán)溫度控制系統(tǒng)的基本要求，系統(tǒng)劃分為五個(gè)功能模塊，即：用戶登錄模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、參數(shù)計(jì)算模塊、控制算法模塊等，系統(tǒng)的控制模塊框圖如圖2所示。

　　2.1 主控模塊

　　系統(tǒng)的主控模塊提供了溫度控制功能。它通過與其他模塊的通訊來完成數(shù)據(jù)采集與處理、數(shù)據(jù)的保存等功能。根據(jù)模塊化的編程思想，用LabVIEW圖形化編程語言，可以方便地寫出溫度控制系統(tǒng)的程序代碼。
2.2 參數(shù)計(jì)算模塊

　　由前面建立的數(shù)據(jù)模型，通過計(jì)算分別可以算出每個(gè)點(diǎn)的延時(shí)周期K，再由延時(shí)周期找到每個(gè)點(diǎn)的溫度采樣值，如圖3參數(shù)計(jì)算程序框圖所示。

　　式中：B點(diǎn)為采樣點(diǎn)，該點(diǎn)的溫度采樣值是A點(diǎn)溫度采樣值延時(shí)之后的所有采樣值的平均值，該算法程序框圖如圖4所示。

　　2.4 數(shù)據(jù)采集模塊

　　該模塊通過調(diào)節(jié)控制占空比，進(jìn)而改變采樣占空比，調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)，提高控制質(zhì)量，如圖5所示。

　　3 程序調(diào)試

　　通過調(diào)試各個(gè)模塊，并將所有功能聯(lián)系起來，實(shí)現(xiàn)水循環(huán)自動(dòng)溫度控制系統(tǒng)。調(diào)試結(jié)果如圖6所示。A點(diǎn)和D點(diǎn)，C點(diǎn)和F點(diǎn)，E點(diǎn)和B點(diǎn)溫度曲線相近;A點(diǎn)和B點(diǎn)，C點(diǎn)和D點(diǎn)，E點(diǎn)和F點(diǎn)溫度曲線相差大，并且采樣點(diǎn)B溫度波動(dòng)值僅為0.75℃，較為穩(wěn)定，從而表明本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的控制方案合理可行，精度達(dá)到原設(shè)計(jì)的技術(shù)要求，可預(yù)見該系統(tǒng)設(shè)計(jì)在今后的工業(yè)控制實(shí)驗(yàn)中具有廣闊的應(yīng)用前景。

　　4 結(jié) 語

　　在本設(shè)計(jì)中，利用LabVIEW軟件平臺(tái)構(gòu)建溫度控制系統(tǒng)，具有設(shè)計(jì)時(shí)間短，參數(shù)調(diào)整靈活，系統(tǒng)仿真結(jié)果直觀、準(zhǔn)確、穩(wěn)定等特點(diǎn)。實(shí)踐證明，在LabVIEW環(huán)境下能夠開發(fā)出各種功能強(qiáng)大，開放性好的虛擬儀器軟件，構(gòu)造出經(jīng)濟(jì)實(shí)用的計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試、分析與控制系統(tǒng)。