基于LabVIEW水溫專家PID控制系統設計與實現

吳育聲（李錦記（新會）食品有限公司，廣東 江門 529156）

基于LabVIEW水溫專家PID控制系統設計與實現

吳育聲
（李錦記（新會）食品有限公司，廣東 江門 529156）

水溫是工業上常見的控制對象之一，因其具有大慣性、大滯后等特點，如果控制系統在快速性、準確性等方面要求較高情況下，控制起來將會有一定困難。混合器水溫控制系統以虛擬儀器開發工具LabVIEW作為開發平臺，采用專家PID控制算法對水溫進行控制，控制結果表明基于LabVIEW水溫專家PID控制具有良好的控制效果。

LabVIEW；混合器水溫；專家PID控制

1　LabVIEW概述

LabVIEW是美國國家儀器公司（NATIONAL INSTRUMETS，簡稱NI）開發的一款具有圖形化編程特點的軟件，全稱是Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench（中文名稱：實驗室虛擬儀器工程平臺）。由于LabVIEW采用數據流圖編程，與其它文本編程語言比較，它只需使用圖標便能代替文本行進行創建應用程序，因而更簡單、快捷，同時其還擁有處理工程上復雜的計算和分析等強大功能，因而受到廣泛的應用和普及。

2　混合器水溫控制系統設計簡介

混合器水溫控制系統設計示意圖如下圖1所示，系統由混合器、熱水泵、冷水泵、變頻器1、變頻器2、溫度傳感器、采集卡（研華PCI-6014）及PC機等組成。系統是以混合器內的水溫為控制對象，由PC機上安裝的采集卡采集混合器內的溫度傳感器信號及輸出電壓信號控制變頻器的頻率以調節流入混合器的冷、熱水量從而實現水溫的控制。

圖1　水溫控制系統示意圖

3　專家PID控制

3.1PID控制原理與算法

在工程實際應用中，PID由于原理簡單、使用方便、魯棒性強、適應性廣等優點被廣泛使用，其控制規律如下：

式中，U輸出控制值；KP比例系數；e偏差信號；TI積分時間常數；TD微分時間常數。基于虛LabVIEW的控制是一種采樣控制，因此還需對上式進行數字化，數字化后的增量式PID控制算法如下：

式中，U（k）為第k個采樣時刻的輸出控制值；k為采樣序號，k=1，2，....；e（k）為第k個采樣時刻的偏差信號；KI=KPT/TI積分系數；KD=KPT/TD微分系數。

3.2專家PID控制原理與算法

專家PID控制實質是利用專家的知識和經驗來設計PID參數，以實現對控制對象的最優控制。對混合器水溫控制系統來說，首先分析對熱水泵專家PID控制（冷水泵控制原理相同）可能出現的幾種情況及應對策略。

（1）若e（k）≥M1，表明混合器水溫設定值與實際值偏差很大，控制器應按最大輸出控制，以使偏差盡快減少。對于混合器水溫控制系統來說，電機由變頻器控制，而變頻器又是由采集卡的模擬輸出通道控制，采集卡的模擬輸出最大值為5V，故UMAX=5 V 。

（2）若M2≤e（k）＜M1、△e（k）≥0，表明偏差值較大，并且偏差值還朝增大或保持不變方向發展，此時控制器應按較強的控制輸出才能使偏差盡快減少，則：

（3）若M2≤e（k）＜M1、△e（k）＜0，表明偏差在減少，但偏差值還是較大，控制器可按一般強度的控制輸出，則：

（4）若e（k）＜ M2、△e（k）≥0 ，表明偏差很小，但偏差在朝增大或不變的方向發展，控制器可按較弱強度輸出，則：

（5）若e（k）＜ M2、△e（k）＜0 ，表明偏差很小，并且偏差在朝減少方向發展，控制器可按較弱輸出，則：

（6）e（k）≈0，表明偏差基本沒有，系統已基本處于平衡狀態，控制器輸出可保持不變，則：

上式中，△e（k）=e（k）-e（k-1）；K1增益放大系數（K1＞1）；K2抑制系數（0＜ K2＜1）；

M1設定的較大誤差界限；M2設定的較小誤差界限。

3.3專家PID控制程序與控制界面設計

根據上面專家PID控制算法，通過調用LabVIEW的公式節點，將專家PID控制的程序代碼寫入即可。如圖2所示是專家PID控制的總程序代碼圖。

3.4運行結果

混合器水溫控制系統運行結果如下圖3所示，由圖可見基于LabVIEW水溫專家PID控制具有良好的控制效果。

4　結語

混合器水溫控制系統以虛擬儀器開發工具LabVIEW作為開發平臺，采用專家PID控制算法對水溫進行控制，其良好的控制效果表明虛擬儀器技術在測控領域具有極大的優勢，可為廣大工程技術人員帶來更簡單、快捷、高效的程序開發環境，同時也能對控制系統的質量有所改善。

圖2　專家PID控制總程序圖

［1］周求湛，錢志鴻，劉萍萍，戴宏亮. 虛擬儀器與LabVIEWTM7 Expresst 程序設計［M］. 北京： 北京航空航天大學出版社，2004.

［2］劉金琨.先進PID控制及其MATLAB仿真［M］. 北京： 電子工業出版社，2003.

圖3　溫控制系統運行結果

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.14.249

吳育聲（1981-），男，廣東肇慶人，本科，機電工程師，主要從事機電工程設計、安裝與管理工作。