基于LabVIEW的校準(zhǔn)實驗室溫度控制系統(tǒng)

李樂艷

摘 要

針對我院檢測校準(zhǔn)實驗室控溫系統(tǒng)中標(biāo)準(zhǔn)水槽、標(biāo)準(zhǔn)油槽及臥式高溫檢定爐等主設(shè)備存在手動控溫差，控溫穩(wěn)定時間長，且每測一個點都需要對溫控系統(tǒng)重新進行設(shè)置的傳統(tǒng)溫度控溫系統(tǒng)，已不適應(yīng)當(dāng)前我院科研生產(chǎn)的檢測校準(zhǔn)需求；為提高控溫精度和效率，分層分步提升溫度校準(zhǔn)實驗室數(shù)字化技術(shù)水平，本項目開展了采用美國NI公司的LabVIEW 圖形化編程語言的溫度控制系統(tǒng)開發(fā)，包括系統(tǒng)硬件和軟件的設(shè)計。它使用一種新型模糊PID控制器，可以很好地克服溫控系統(tǒng)中參數(shù)的變化和負載擾動引起的沖擊和突變，可實現(xiàn)溫度自動控制數(shù)、據(jù)記錄、數(shù)據(jù)查看、數(shù)據(jù)打印、遠程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控及報警等多種功能，經(jīng)測試取得了滿意的控制效果，能夠更快更精準(zhǔn)的實現(xiàn)校準(zhǔn)實驗室的溫度控制要求。

【關(guān)鍵詞】校準(zhǔn)實驗室 溫度控制系統(tǒng) LabVIEW 模糊PTD控制器

1 引言

目前我院檢測校準(zhǔn)實驗室控溫系統(tǒng)現(xiàn)狀是：標(biāo)準(zhǔn)水槽、標(biāo)準(zhǔn)油槽及臥式高溫檢定爐等控溫設(shè)備都是手動設(shè)置操作控溫點，控溫穩(wěn)定時間長，且每測一個測溫點都要重新設(shè)置溫控系統(tǒng)，非常不方便，不適應(yīng)當(dāng)前院所主專業(yè)科室大批量檢測校準(zhǔn)的科研生產(chǎn)需求。隨著計算機軟件技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高度發(fā)展，其在電子測控技術(shù)與儀器上的應(yīng)用，新的測控理論、方法、測控領(lǐng)域以及儀器結(jié)構(gòu)不斷的出現(xiàn)，在許多方面已經(jīng)沖破儀器的概念，電子測控儀器的功能和作用發(fā)生了質(zhì)的變化，在這種背景下，美國NI公司的LabVIEW圖形化編程語言軟件在測試系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用，基于其在數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示等方面有著強大的功能，且隨著技術(shù)進一步發(fā)展，提供了外掛的PID 控制工具包，應(yīng)用到校準(zhǔn)實驗室中的爐溫控制可替代原來的手動控制系統(tǒng)，實驗室的測量控制均由LabVIEW軟件進行控制，為實驗室向數(shù)字化邁進打下基礎(chǔ)，下面介紹爐溫控制系統(tǒng)的設(shè)計。

2 溫度控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

恒溫槽和高溫檢定爐是典型溫度控制器，其溫度控制具有升溫單向性，滯后性，大慣性和時變性等特點，升溫度參數(shù)難以確定。采用模糊控制升溫，可消除穩(wěn)態(tài)誤差且超調(diào)小，具有良好的控制效果。

該控制系統(tǒng)主要由溫度傳感器，信號調(diào)理電路，多功能數(shù)據(jù)采集卡，觸發(fā)板和相應(yīng)的軟件組成，將它們安裝在計算機上，即可構(gòu)成一個控制系統(tǒng)。溫度傳感器輸出信號，經(jīng)信號調(diào)理電路放大后，再由數(shù)據(jù)采集卡采集信號。見圖1。

2.1 數(shù)據(jù)采集卡的選用

數(shù)據(jù)采集卡選用NI公司的PCI-6024E，通過采樣通道采集輸入信號，利用LabVIEW 圖形化編程語言中的PID算法，求出系統(tǒng)輸出信號的大小，其輸出信號經(jīng)光耦隔離后觸發(fā)晶閘管，改變溫度，以達到控制溫度。NI PCI6024E多功能數(shù)據(jù)采集卡的優(yōu)勢：相對于M系列數(shù)據(jù)采集卡，費用小，測量精度高4倍，并獲得更多的數(shù)字I/O，而且可獲得采樣率高達200kS/s和12位分辨率以及16路模擬輸入，支持windows系統(tǒng)等多種操作系統(tǒng)。

2.2 溫度控制電路

整個控制系統(tǒng)是建立在反饋原理基礎(chǔ)之上。根據(jù)溫度檢測要求，溫度控制系統(tǒng)考慮恒值，要求系統(tǒng)以一定的精度接近給定溫度值并保持穩(wěn)定。

溫度控制電路由傳感器信號放大，觸發(fā)脈沖放大，同步脈沖形成等組成。溫度控制電路的原理是：改變可控硅的導(dǎo)通角即改變電爐絲兩端的有效電壓，有效電壓可在0～150V內(nèi)變化。可控硅的導(dǎo)通角為0～5CH，溫度傳感器采用熱敏電阻，溫度越高熱敏電阻值越小，其輸出電壓也就越小。

2.3 聲光報警電路

報警信號通過數(shù)據(jù)采集卡的D/A的輸出通道給出，并進行信號放大。該電路工作原理是：從數(shù)據(jù)采集卡輸出報警信號，通過一個電阻連接到三極管基極，當(dāng)信號是高電平時三極管導(dǎo)通，繼電器吸合，報警器接通，發(fā)出報警信號；當(dāng)信號電壓為低電平時，三極管截止，繼電器觸點斷開，報警器不工作。原理圖見圖2。

3 溫度控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

NI公司開發(fā)的LabVIEW編程軟件，利用圖形文本式進行編程，有豐富的庫函數(shù)和編程模塊，在溫度控制、數(shù)據(jù)采集、和數(shù)據(jù)分析等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。程序有前面板和程序框圖組成，前面板是圖形方式的操作面板，程序框圖包括節(jié)點和連線，操作簡便，用LabVIEW軟件編程有以下特點：（1）簡便。在程序框圖中將功能圖標(biāo)拖放到相應(yīng)位置進行連線即可完成編程。（2）LabVIEW軟件內(nèi)置各種功能強大的函數(shù)庫，如字符串處理函數(shù)，文件I/O函數(shù)和數(shù)學(xué)函數(shù)等，根據(jù)需要直接調(diào)用。（3）提供了靈活的程序調(diào)試方法，可以設(shè)置斷點、探針，高速執(zhí)行程序能方便觀察程序中的數(shù)據(jù)流向，程序編譯速度快。

基于LabVIEW的校準(zhǔn)實驗室溫度控制系統(tǒng)采用模塊化的方式來編寫，每個功能由一個模塊實現(xiàn)。由主控模塊調(diào)用各個子模塊，來實現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)采集、記錄、處理、顯示、打印等功能；數(shù)據(jù)還可通過網(wǎng)絡(luò)傳輸。溫控系統(tǒng)模塊構(gòu)成如圖3 所示。

3.1 主控模塊

主控模塊的功能，主要通過與其它模塊的通訊來完成PID控制，并進行數(shù)據(jù)采集、記錄、處理、查看、打印，以及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸和錯誤事件處理等功能。

3.2 PID 控制模塊

PID控制模塊主要將PID控制工具包與LabVIEW軟件的邏輯功能相結(jié)合，可快速生成自動控制程序。控制程序根據(jù)采樣時刻的偏差值計算控制量就可以實現(xiàn)采樣控制。

PID控制中的一個關(guān)鍵問題就是PID參數(shù)的整定，但單純依靠傳統(tǒng)的PID控制難以滿足溫度控制的高精度要求，根據(jù)我院校準(zhǔn)實驗室的要求，在LabVIEW軟件平臺下設(shè)計一種新型模糊PID控制器，此控制保留了傳統(tǒng)PID控制器的線性結(jié)構(gòu)，對偏差進行積分運算，能很好的控制系統(tǒng)中參數(shù)的變化和負載擾動引起的沖擊和突變，在溫度控制和采集系統(tǒng)中取得了高精度、高可靠性的控制效果。模糊PID控制如圖4所示。

3.3 錯誤事件處理模塊endprint

當(dāng)輸出溫度與設(shè)定需要控制的溫度較大偏離時，系統(tǒng)啟動錯誤事件處理模塊。當(dāng)溫度過高或溫度過低發(fā)生時，系統(tǒng)通過錯誤事件處理模塊將事件記錄到Erroevent文件中去，同時發(fā)出報警警告，提示用戶停止程序的運行，進行系統(tǒng)保護。

3.4 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊使用時，指定它信道名、采樣率、采樣數(shù)、緩存大小等。進行數(shù)據(jù)采集，將采集結(jié)果存放到指定位置中，我們把采集到的數(shù)據(jù)傳送到PID控制器的輸入端口，經(jīng)過PID處理后，再通過數(shù)據(jù)采集卡的輸出通道輸出。將溫度信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字量并傳遞到計算機中的過程。該模塊的數(shù)據(jù)采集功能由數(shù)據(jù)采集函數(shù)Functions→Data Acquisition→Analog Input→Analog Input Utilities→AI Read One Scan來實現(xiàn)。

3.5 數(shù)據(jù)顯示模塊

數(shù)據(jù)顯示模塊是從計算機C盤根目錄下‘溫度控制子目錄下讀取溫度變化數(shù)據(jù)，然后傳遞給主控模塊并顯示，從而起到遠程監(jiān)控溫度控制系統(tǒng)的目的。

3.6 數(shù)據(jù)記錄與存儲

系統(tǒng)提示輸入文件名即確定好存儲路徑后，將所采集測量的數(shù)據(jù)存儲到相應(yīng)文件中。

3.7 數(shù)據(jù)打印模塊

打印模塊的功能是將系統(tǒng)從相應(yīng)文件中，將所采集測量的數(shù)據(jù)取出并打印出來。

4 結(jié)論

以LabVIEW作為平臺的溫度測試系統(tǒng)，具有簡單、快捷、高效等優(yōu)點，并且具有完善的數(shù)據(jù)顯示、存取和分析功能。利用現(xiàn)有計算機輔助測試與溫度控制系統(tǒng)，能夠更快更精確地實現(xiàn)校準(zhǔn)實驗室的溫度控制要求。

參考文獻

[1]翟為剛，邰晶，吳利剛.基于虛擬儀器的雷達自動監(jiān)控系統(tǒng)[J].宇航計測技術(shù)，2013，33（3）：59-62.

[2]姜平，馮雪，方亮.基于LabVIEW的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計[J].硅谷，2010，01：32.

[3]何春華，蔡志崗.基于LabVIEW 的模糊PID控制系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)，2010，07：59-62.

[4]付俐芳等.基于LabVIEW的溫度采集和控制系統(tǒng)[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2011，11（34）：8610-8611.

作者單位

中國核動力研究設(shè)計院 四川省成都市 610041endprint

當(dāng)輸出溫度與設(shè)定需要控制的溫度較大偏離時，系統(tǒng)啟動錯誤事件處理模塊。當(dāng)溫度過高或溫度過低發(fā)生時，系統(tǒng)通過錯誤事件處理模塊將事件記錄到Erroevent文件中去，同時發(fā)出報警警告，提示用戶停止程序的運行，進行系統(tǒng)保護。

3.4 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊使用時，指定它信道名、采樣率、采樣數(shù)、緩存大小等。進行數(shù)據(jù)采集，將采集結(jié)果存放到指定位置中，我們把采集到的數(shù)據(jù)傳送到PID控制器的輸入端口，經(jīng)過PID處理后，再通過數(shù)據(jù)采集卡的輸出通道輸出。將溫度信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字量并傳遞到計算機中的過程。該模塊的數(shù)據(jù)采集功能由數(shù)據(jù)采集函數(shù)Functions→Data Acquisition→Analog Input→Analog Input Utilities→AI Read One Scan來實現(xiàn)。

3.5 數(shù)據(jù)顯示模塊

數(shù)據(jù)顯示模塊是從計算機C盤根目錄下‘溫度控制子目錄下讀取溫度變化數(shù)據(jù)，然后傳遞給主控模塊并顯示，從而起到遠程監(jiān)控溫度控制系統(tǒng)的目的。

3.6 數(shù)據(jù)記錄與存儲

系統(tǒng)提示輸入文件名即確定好存儲路徑后，將所采集測量的數(shù)據(jù)存儲到相應(yīng)文件中。

3.7 數(shù)據(jù)打印模塊

打印模塊的功能是將系統(tǒng)從相應(yīng)文件中，將所采集測量的數(shù)據(jù)取出并打印出來。

4 結(jié)論

以LabVIEW作為平臺的溫度測試系統(tǒng)，具有簡單、快捷、高效等優(yōu)點，并且具有完善的數(shù)據(jù)顯示、存取和分析功能。利用現(xiàn)有計算機輔助測試與溫度控制系統(tǒng)，能夠更快更精確地實現(xiàn)校準(zhǔn)實驗室的溫度控制要求。

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[3]何春華，蔡志崗.基于LabVIEW 的模糊PID控制系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)，2010，07：59-62.

[4]付俐芳等.基于LabVIEW的溫度采集和控制系統(tǒng)[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2011，11（34）：8610-8611.

作者單位

中國核動力研究設(shè)計院 四川省成都市 610041endprint

當(dāng)輸出溫度與設(shè)定需要控制的溫度較大偏離時，系統(tǒng)啟動錯誤事件處理模塊。當(dāng)溫度過高或溫度過低發(fā)生時，系統(tǒng)通過錯誤事件處理模塊將事件記錄到Erroevent文件中去，同時發(fā)出報警警告，提示用戶停止程序的運行，進行系統(tǒng)保護。

3.4 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊使用時，指定它信道名、采樣率、采樣數(shù)、緩存大小等。進行數(shù)據(jù)采集，將采集結(jié)果存放到指定位置中，我們把采集到的數(shù)據(jù)傳送到PID控制器的輸入端口，經(jīng)過PID處理后，再通過數(shù)據(jù)采集卡的輸出通道輸出。將溫度信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字量并傳遞到計算機中的過程。該模塊的數(shù)據(jù)采集功能由數(shù)據(jù)采集函數(shù)Functions→Data Acquisition→Analog Input→Analog Input Utilities→AI Read One Scan來實現(xiàn)。

3.5 數(shù)據(jù)顯示模塊

數(shù)據(jù)顯示模塊是從計算機C盤根目錄下‘溫度控制子目錄下讀取溫度變化數(shù)據(jù)，然后傳遞給主控模塊并顯示，從而起到遠程監(jiān)控溫度控制系統(tǒng)的目的。

3.6 數(shù)據(jù)記錄與存儲

系統(tǒng)提示輸入文件名即確定好存儲路徑后，將所采集測量的數(shù)據(jù)存儲到相應(yīng)文件中。

3.7 數(shù)據(jù)打印模塊

打印模塊的功能是將系統(tǒng)從相應(yīng)文件中，將所采集測量的數(shù)據(jù)取出并打印出來。

4 結(jié)論

以LabVIEW作為平臺的溫度測試系統(tǒng)，具有簡單、快捷、高效等優(yōu)點，并且具有完善的數(shù)據(jù)顯示、存取和分析功能。利用現(xiàn)有計算機輔助測試與溫度控制系統(tǒng)，能夠更快更精確地實現(xiàn)校準(zhǔn)實驗室的溫度控制要求。

參考文獻

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[4]付俐芳等.基于LabVIEW的溫度采集和控制系統(tǒng)[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2011，11（34）：8610-8611.

作者單位

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