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[導(dǎo)讀]1 引言  人們生活以及工業(yè)生產(chǎn)經(jīng)常涉及到液位和流量的控制問題,例如飲料、食品加工,居民生活用水的供應(yīng),溶液過濾,污水處理,化工生產(chǎn)等多種行業(yè)的生產(chǎn)加工過程, 通常要使用蓄液池。蓄液池中的液位需要維持合適

1 引言

  人們生活以及工業(yè)生產(chǎn)經(jīng)常涉及到液位和流量的控制問題,例如飲料、食品加工,居民生活用水的供應(yīng),溶液過濾,污水處理,化工生產(chǎn)等多種行業(yè)的生產(chǎn)加工過程, 通常要使用蓄液池。蓄液池中的液位需要維持合適的高度,太滿容易溢出造成浪費(fèi),過少則無法滿足需求。因此,需要設(shè)計(jì)合適的控制器自動(dòng)調(diào)整蓄液池的進(jìn)出流量,使得蓄液池內(nèi)液位保持正常水平,以保證產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效益。這些不同背景的實(shí)際問題都可以簡化為某種水箱的液位控制問題。因此液位是工業(yè)控制過程中一個(gè)重要的參數(shù)。特別是在動(dòng)態(tài)的狀態(tài)下,采用適合的方法對液位進(jìn)行檢測、控制,能收到很好的生產(chǎn)效果。

  傳統(tǒng)的液位控制系統(tǒng)大多采用PLC和組態(tài)軟件來實(shí)現(xiàn),也有用單片機(jī)控制的系統(tǒng),是所謂的實(shí)時(shí)測控系統(tǒng)。但是在實(shí)際生產(chǎn)中,絕大多數(shù)的工業(yè)對象的時(shí)間常數(shù)通常在秒級(jí)到分鐘級(jí)的范圍內(nèi)。因此除了少數(shù)小時(shí)間常數(shù)的對象外,可以由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來直接安全、有效地完成連續(xù)生產(chǎn)中的過程自動(dòng)控制任務(wù)。

  現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)的迅猛發(fā)展,沖擊著國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域,也引起了測量儀器和測試技術(shù)的巨大變革。自從1986年美國國家儀器公司(National Instruments Corp,簡稱NI)提出虛擬儀器的概念以后,虛擬儀器由于其性價(jià)比、開放性等優(yōu)勢迅速地占領(lǐng)了市場。虛擬儀器技術(shù)最核心的思想,就是利用計(jì)算機(jī)的硬/軟件資源,使本來需要硬件實(shí)現(xiàn)的技術(shù)軟件化(虛擬化),以便最大限度地降低系統(tǒng)成本,增強(qiáng)系統(tǒng)的功能與靈活性[1]?;谲浖赩I系統(tǒng)中的重要作用,NI提出了“軟件就是儀器(The software is the instrument)”的口號(hào)。本文利用美國NI公司的LabVIEW開發(fā)的液位控制系統(tǒng)已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室條件下對單容液位對象實(shí)施了自動(dòng)控制,取得了較好的調(diào)節(jié)效果。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 控制對象

  該系統(tǒng)為FESTO緊湊型過程控制實(shí)驗(yàn)裝置,如圖1所示。水箱B102為控制對象,水箱B101用于儲(chǔ)水,執(zhí)行裝置是泵P101。

圖1 液位控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

2.2 控制原理

  系統(tǒng)采用的數(shù)據(jù)采集卡為NI公司M系列的PCI6221多功能數(shù)據(jù)采集卡,具有16路單端輸入通道或8路差分輸入通道,采集速度最高為250K/s,分辨率為16位,兩路模擬輸出通道,最高轉(zhuǎn)換速率為833K/s,分辨率為16位。此外還有兩個(gè)32位的定時(shí)計(jì)數(shù)器,24路數(shù)字量輸入輸出通道,滿足系統(tǒng)的控制要求。

  利用超聲傳感器把液位信號(hào)變?yōu)?-10v的電壓信號(hào),經(jīng)NI-6221數(shù)據(jù)采集卡的模擬輸入通道采集到計(jì)算機(jī),由LabVIEW編寫的控制器根據(jù)實(shí)測信號(hào)和設(shè)定值發(fā)出控制信號(hào),經(jīng)NI-6221數(shù)據(jù)采集卡的模擬輸出通道輸出0-10v的信號(hào)控制泵的驅(qū)動(dòng)器,從而改變泵的轉(zhuǎn)速,達(dá)到控制液位的目的,系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖2所示[2]。該系統(tǒng)的主要功能有:實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和顯示,實(shí)時(shí)PID及其它算法控制和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。


圖2 計(jì)算機(jī)液位控制系統(tǒng)組成框圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

  NI公司的LabVIEW是一種非常優(yōu)秀的面向?qū)ο蟮膱D形化編程語言,是一個(gè)開放型的開發(fā)環(huán)境,它使用圖標(biāo)代替文本代碼創(chuàng)建應(yīng)用程序,擁有大量與其它應(yīng)用程序通信的VI庫。作為目前國際上主流的基于數(shù)據(jù)流的編譯型圖形編程環(huán)境,它可以把復(fù)雜、煩瑣、費(fèi)時(shí)的語言編程簡化成用簡單或圖標(biāo)提示的方法選擇功能(圖形),并用線條把各種圖形連接起來的簡單圖形編程方式,使得不熟悉編程的工程技術(shù)人員都可以按照測試要求和任務(wù)快速設(shè)計(jì)出自己的程序和儀器面板,這大大提高了工作效率,減輕了科研和工程技術(shù)人員的工作量[1]。因此本設(shè)計(jì)選用LabVIEW作為開發(fā)語言。

3.1 軟件結(jié)構(gòu)

  軟件采用模塊化設(shè)計(jì)[3],共分為7個(gè)模塊:用戶管理模塊,參數(shù)設(shè)置模塊,數(shù)據(jù)采集模塊,工藝流程模塊,實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目模塊,數(shù)據(jù)保存回放模塊以及幫助模塊。主要完成以下功能:

1)顯示水箱的液位實(shí)時(shí)變化;
2)數(shù)據(jù)保存及歷史數(shù)據(jù)分析;
3)液位的兩點(diǎn)控制;
4)參數(shù)設(shè)置及修改;
5)測量并繪制水箱的階躍相應(yīng)曲線;
6)PID控制器以及濾波器的設(shè)計(jì)。

3.2 兩點(diǎn)控制

  當(dāng)液位低于下限值時(shí),泵開始工作,液位上升;當(dāng)液位高于上限值時(shí),泵停止工作,液位下降,使得液位一直處于一定的范圍之內(nèi)。液位的測量范圍在20mm-300mm。

3.3 PID控制

  常規(guī)的PID控制是從比例、積分、微分三個(gè)環(huán)節(jié)來實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的控制的。PID控制模塊采用PID工具包,利用它可以在LabVIEW環(huán)境下通過界面進(jìn)行交互式的PID控制器的設(shè)計(jì),充分利用了LabVIEW和NI的硬件無縫連接的特點(diǎn),可以迅速搭建所需的控制系統(tǒng)。PID控制的程序如圖3所示。

圖3 PID模塊的程序框圖

4 實(shí)驗(yàn)控制結(jié)果及分析

4.1 兩點(diǎn)控制結(jié)果

  對液位進(jìn)行兩點(diǎn)控制試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示,較好的滿足了控制的要求。


圖4 兩點(diǎn)控制實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.2 PID控制結(jié)果

  由于液位控制系統(tǒng)的滯后效應(yīng)較小,所以采用比例調(diào)節(jié)或比例積分調(diào)節(jié)兩種調(diào)節(jié)規(guī)律。對于控制參數(shù)的選取,利用階躍響應(yīng)曲線法得到傳遞函數(shù)[5],結(jié)合MATLAB仿真得到控制參數(shù)指導(dǎo)試驗(yàn)[6]。經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)在設(shè)定值為90mm-180mm范圍內(nèi),最佳的參數(shù)為:,控制結(jié)果如圖5所示,結(jié)果優(yōu)于系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)要求。

圖5 實(shí)際的PID控制曲線()

5 結(jié)論

  設(shè)計(jì)的虛擬儀器系統(tǒng)具有友好的人機(jī)界面,經(jīng)過實(shí)際測試系統(tǒng)穩(wěn)定可靠,控制響應(yīng)速度快,曲線變化平穩(wěn),完全滿足了液位控制要求,充分體現(xiàn)了虛擬儀器的特點(diǎn)。尤其是其擴(kuò)展性很好,可以隨時(shí)添加更加先進(jìn)的控制算法以及其它如流量、壓力控制功能,而且開發(fā)周期很短。本文設(shè)計(jì)的液位控制系統(tǒng)已經(jīng)成功的應(yīng)用于教學(xué)和實(shí)驗(yàn)中,取得了良好的調(diào)節(jié)效果。因此,該系統(tǒng)具有推廣使用價(jià)值。

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