基于LabVIEW的鍋爐溫度過程控制系統仿真

宋 鋒 劉瑞歌

(濱洲學院機電工程系，山東 濱洲 256603)

控制系統的計算機仿真是對復雜控制系統控制效果的一種檢驗手段和方法，是過程控制系統設計中必不可少的環節，沒有經過模擬仿真實驗研究的系統是不能直接投入生產中的[1]。筆者重點介紹以經典PID控制算法為理論基礎，利用LabVIEW虛擬儀器開發軟件實現鍋爐溫度控制系統的仿真，詳細說明了增量式算法的具體實現方法。

1 PID控制算法①

自20世紀30年代末期PID控制器出現以來，無論是在控制理論方面，還是在控制儀表和設備方面，都有很大的發展，它是連續控制系統中技術最成熟、應用最為廣泛的一種控制器，它結構簡單、可靠性強、容易實現、參數整定方便，并且可以消除穩定誤差。在工業過程控制中，由于難以建立精確的數學模型，系統的參數經常發生變化，所以常采用PID控制技術，根據經驗進行在線調整，在大多數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。其調節規律可以組合成P、PI、PID線性控制器，其作用是根據測量值與設定值之間的偏差值，按比例、積分、微分的函數關系進行運算形成控制量，去控制執行機構，進而影響被控對象，使對象輸出趨于設定值，系統達到穩定。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-微分的關系，即：

(1)

1.2 數字PID控制算法

計算機控制是一種采樣控制，它只能根據采樣得到的偏差值來計算控制量，而采樣是一拍一拍進行的，所以在計算機控制系統中，不能直接采用式(1)來計算，必須先進行離散化處理，得到數字式PID控制算法。數字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，是執行機構所應達到的位置[3]，跟過去的狀態有關，需要對偏差進行累計，有可能使輸出大幅度地變化，這種情況是生產實踐中不允許的，為此筆者采用增量式PID控制算法。PID控制系統的結構如圖2所示。

圖2 PID控制系統的結構框圖

與位置式控制算法相比，增量式中偏差不需要累加，計算機工作量小，增量僅與最近幾次誤差采樣值有關，對控制量的計算影響較小，容易獲得較好的控制效果，同時也消除了積分飽和的危險。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的仿真系統設計

2.1 虛擬儀器軟件開發平臺

LabVIEW是NI公司推出的一種高效的圖形化編程語言，同時也是著名的虛擬儀器開發平臺，它與C語言、LabWindows/CVI等文本語言的一個重要區別是：LabVIEW是基于數據流的編譯型圖形編程環境，開發人員不用掌握太多的計算機編程知識，只需通過定義和連接代表各種功能模塊的圖標，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用程序。同時，LabVIEW可以在不同操作系統下保持兼容，為數據的采集、儀器控制、數據分析和顯示提供集成的開發工具，是面向測量與自動化領域工程技術人員的一種優秀編程平臺[4，5]。

2.2 程序框圖的實現

2.2.1前面板設計

筆者模擬了鍋爐溫度控制系統，系統前面板如圖3所示，修改溫度的耗散系數或者改變鍋爐溫度的給定值都會對系統產生擾動，通過PID自動調節使鍋爐的溫度穩定在給定值上。在前面板界面上可以任意改變PID參數、點擊仿真開關使其處于ON狀態，就會得到不同實時調節的仿真曲線。對于鍋爐溫度控制系統這樣簡單的過程控制系統，可以按照簡單控制系統的整定步驟，找到合適的比例系數、積分時間常數、微分時間常數。當鍋爐的溫度和設定值相同時，系統趨于穩定，點擊仿真開關，關閉程序，就可以記錄下此時的工作狀態，并能實時記錄調節數據，方便保存和輸出文件，拖動進度條可以查看歷史調節曲線。另外，系統還具有存儲功能，可以隨時保存記錄各個時間點的工作狀態，方便觀察控制效果。查看時只需選擇打開文件按鈕，就可找到以前存儲的各種工作狀態的結果。為了更好地顯示調節效果和便于參數整定，對給定溫度、實際溫度、控制信號3種曲線使用了不同的顏色表示。溫度計設定范圍為1～100℃，溫度的高低可以通過電熱絲的不同顏色來表示。除此之外，系統還記錄了實驗的實時操作時間，方便管理員管理，同時也考慮了系統的仿真速度，用戶可以自定義仿真速度。

圖3 鍋爐溫度控制系統前面板

2.2.2增量式算法的實現

LabVIEW雖為圖形化編程語言，但它并沒有完全摒棄傳統文本式編程語言的特點，而是與文本語言相結合，如Mathscript的引入和不斷發展，就表明LabVIEW與文本式語言相結合，已經進入到一個新階段。文本式編程和圖形式編程相結合，已經成為LabVIEW編程發展的趨勢。公式節點是LabVIEW內嵌的小型工具，主要用于簡單計算。公式節點的數據類型、語法和控制結構與C語言是十分相似的。利用LabVIEW中的while循環、移位寄存器再結合公式節點就可以實現增量式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)分別延時一個和兩個采樣周期得到的，可以在while循環中添加兩組移位寄存器來實現。該增量式PID控制算法運行速度快，系統資源占用率低，同時該控制算法的實現不用購買NI公司的PID Control Toolset工具包，也就不需要NI授權，有著很強的應用性。

2.2.3數據存儲和數據回放模塊

LabVIEW中提供了豐富的數據存儲函數，可以根據需要把數據保存成文本文件，如.txt文本或者.xls文件，二進制文件或者波形文件。為了便于從文件中查看調節效果，本系統采用了波形文件存儲。打開運行程序，點擊運行按鈕使其處于ON狀態，根據給定溫度和實際溫度之間的偏差，設計好合理的比例系數、積分系數和微分系數，當系統處于穩定時，點擊F2即可將生成的調節曲線并保存下來，隨時可以通過事先設計好的快捷鍵查看此波形，以便于在調節過程中進行比較，達到更好的調節效果。另外也可以通過拖動滾動條查看歷史調節曲線。

3 結束語

筆者采用增量式算法設計實現了基于LabVIEW的鍋爐溫度控制系統的的仿真。該系統具有人機交互界面友好、易操作和系統功能較齊全的特點。系統既能完成鍋爐控制系統的參數整定，也能實時顯示控制曲線，另外也包括數據的存儲和打印，并能形象地通過金屬絲的顏色變化顯示溫度的變化，能取代傳統儀器進行PID控制的參數整定。該系統給實際的鍋爐溫度控制系統提供了理論參考，節省了硬件投資，降低了成本，具有推廣應用價值。

[1] 陳曦，柳國輝，楊振興，等.基于LabVIEW的過程控制系統仿真[J].河北工業大學學報，2009，38(5)：77～80.

[2] 范立南，李雪飛.計算機控制技術[M].北京：機械工業出版社，2009.

[3] 吳強，韓震宇，李程.基于增量式PID算法的無刷直流電機PWM調速研究[J].機電工程技術，2013，42(3)：63～65.

[4] 何光亞.基于PXI總線的QPSK解調模塊設計[D].成都：電子科技大學，2007.

[5] 祁春.基于虛擬儀器技術的抽油機測試系統研究與開發[D].武漢：武漢理工大學，2009.