基于LabVIEW的水循環(huán)溫度控制系統(tǒng)設計

引 言

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

　　本文以水循環(huán)系統(tǒng)為研究對象，針對水循環(huán)的溫度，在比較研究不同控制策略的基礎上，建立精確的數(shù)學模型，對水循環(huán)溫度控制進行了研究。通過數(shù)據(jù)采集卡對溫度信號進行實時采集，并由軟件平臺對采集的信號進行分析，然后用數(shù)學模型控制算法處理輸出，以使當前溫度逼近設定值，從而達到溫控目的，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，提高控制效果。
 

　　1 水循環(huán)溫度控制系統(tǒng)數(shù)學模型的建立

　　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態(tài)溫度值模擬出來，最終達到高精度控制溫度的作用。

　　1.2 水循環(huán)溫控系統(tǒng)數(shù)學模型的建立

　　水循環(huán)溫控系統(tǒng)各個部分的溫度因管道、散熱裝置和加熱裝置的原因會產(chǎn)生很大的變化。為了表達清楚達到預想的結果，就需要建立正確的數(shù)學模型。本設計根據(jù)實際情況，選擇了幾個特殊的點來建立模型。如圖1所示，A，B，C，D，E，F(xiàn)六個點的溫度，將引起變化的原因全部考慮進去，列出函數(shù)關系式，然后借助LabVIEW編程，由程序控制溫度。

　　(1)B點的溫度函數(shù)關系式

　　B點為采樣點，B點的溫度跟A點的溫度因中間隔水箱會有一個延時K1，取在A點第N個采樣值經(jīng)過K1延時之后的平均值為B點的溫度，它的溫度函數(shù)關系為：

　　K1)分別為A點第N-1，N-2，…，N-K1個采樣時的溫度值;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間，即延時周期，通過計算K1=60 s。

　　(2)A點的溫度函數(shù)關系式

　　A點的溫度與D點的溫度因水管而有個延時，故A點的溫度函數(shù)關系如式(2)所示：

　　為D點第N-K3個采樣點的溫度;V3為D點到A點水管的容積，V3=0.5 L;K3為從D點到A點的延時周期，通過計算K3=6 s。

　　(3)D點的溫度函數(shù)值

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

　　為C點第N-K2個采樣點的溫度;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，通過計算△T=3℃;P'為采樣占控比，通過驗證P'=1或0;V2為C點與D點間水管的容積，V2=1 L;K2為從C點到D點的延時周期，通過計算K2=6 s。
(4)C點的溫度函數(shù)關系式

　　C點的溫度與F點的溫度相近，就是F點延時的某一個溫度值，它的函數(shù)關系如式(4)所示。

　　為F點第N-K5個采樣點的溫度;V5為F點到C點水管的容積，V5=0.5 L;K5為從F點到C點的延時周期，通過計算K5=6 s。

　　(5)F點的溫度函數(shù)關系式

　　F點與E點相比，因為散熱器和水管的同時作用，溫度也相差很大，該點的溫度函數(shù)關系如式(5)所示：

　　式中：

為E點第N-K4個采樣點的溫度;K為制冷系數(shù)，K=0.3;T0為環(huán)境溫度，T0=20℃;V4為E點到F點水管的容積，V4=1 L;K4為從F點到E點的延時周期，通過計算K4=12 s。

　　(6)E點的溫度函數(shù)關系式

　　E點的溫度與B點的溫度相比也有個延時，該點的溫度函數(shù)關系如式(6)所示：

　　為B點第N-K6個采樣點的溫度;V6為B點到E點的水管的容積，V6=0.5 L;K5為從B點到E點的延時周期，通過計算Ks=6 s。

　　綜上所述，A，B，C，D，E，F(xiàn)六個點的函數(shù)關系式及相互聯(lián)系已經(jīng)表達清楚，通過LabVtEW建立相應的數(shù)學模型。

　　2 水循環(huán)溫度控制系統(tǒng)的軟件設計

　　本設計通過數(shù)據(jù)采集卡對溫度傳感器傳感信號進行實時采集，并由軟件平臺LabVIEW對采集的信號進行分析，采用上述的數(shù)學模型控制算法處理輸出，使當前溫度以零穩(wěn)態(tài)誤差逼近設定值，達到精確控溫目的。根據(jù)水循環(huán)溫度控制系統(tǒng)的基本要求，系統(tǒng)劃分為五個功能模塊，即：用戶登錄模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、參數(shù)計算模塊、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)計算模塊

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

　　式中：B點為采樣點，該點的溫度采樣值是A點溫度采樣值延時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

　　該模塊通過調節(jié)控制占空比，進而改變采樣占空比，調節(jié)控制系統(tǒng)，提高控制質量，如圖5所示。

　　3 程序調試

　　通過調試各個模塊，并將所有功能聯(lián)系起來，實現(xiàn)水循環(huán)自動溫度控制系統(tǒng)。調試結果如圖6所示。A點和D點，C點和F點，E點和B點溫度曲線相近;A點和B點，C點和D點，E點和F點溫度曲線相差大，并且采樣點B溫度波動值僅為0.75℃，較為穩(wěn)定，從而表明本系統(tǒng)設計的控制方案合理可行，精度達到原設計的技術要求，可預見該系統(tǒng)設計在今后的工業(yè)控制實驗中具有廣闊的應用前景。

　　4 結 語

　　在本設計中，利用LabVIEW軟件平臺構建溫度控制系統(tǒng)，具有設計時間短，參數(shù)調整靈活，系統(tǒng)仿真結果直觀、準確、穩(wěn)定等特點。實踐證明，在LabVIEW環(huán)境下能夠開發(fā)出各種功能強大，開放性好的虛擬儀器軟件，構造出經(jīng)濟實用的計算機輔助測試、分析與控制系統(tǒng)。