基于LabVIEW的溫度控制系統設計研究

劉凱++初光勇+黃海松

摘 要： 針對傳統溫度精確控制系統需要在散熱率低、干擾小的情況下運行的缺陷。采用LabVIEW軟件，設計開發了一款基于PID+PWM的溫度控制系統。該溫度控制系統在硬件上由NI?6008采集卡、溫度傳感器、溫度變送器、固態繼電器等構成；在軟件上以PID+PWM算法為核心，回溫預熱系統為補充，最終形成一個完整的溫度控制系統。實驗結果表明，該系統可以在散熱率較高以及干擾較大的環境下實現對溫度的精確控制，溫度波動范圍在±0.3 ℃。

關鍵詞： LabVIEW； 溫度控制系統； PID； PWM； NI?6008采集卡

中圖分類號： TN964?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）18?0164?04

Design of temperature control system based on LabVIEW

LIU Kai1， CHU Guangyong2， HUANG Haisong1

（1. MOE Key Laboratory of Advanced Manufacturing Technology， Guizhou University， Guiyang 550025， China；

2. Tongren Polytechnic College， Tongren 554300， China）

Abstract： Since the traditional temperature accurate control system needs to run under the conditions of low heat dissipation rate and weak interference， the LabVIEW software is used to design and develop a temperature control system based on PID+PWM. The hardware of the temperature control system is composed of NI?6008 acquisition card， temperature sensor， temperature transmitter， solid?state relay， etc. PID+PWM algorithm is taken as the core of the system software， and temperature returning and preheating system is taken as the supplement to form a complete temperature control system. Experimental results show that the system can control the temperature accurately in the environment of high heat dissipation rate and powerful interference， and temperature fluctuation range is within ±0.3 ℃.

Keywords： LabVIEW； temperature control system； PID； PWM； NI?6008 acquisition card

0 引 言

隨著科學技術的發展和測試水平的提高，人們對溫度的控制精度要求越來越高[1]。溫度控制具有大滯后、大慣性、時變性、升溫單向性等特點，因此傳統的控制不能實現在復雜環境下對溫度的有效控制[2]。目前對溫度控制系統的研究有宋智罡等人利用LabVIEW做的模糊控制器[3]，趙宇等人設計的溫度采集系統[4]，但并沒有考慮到實際情況對溫度影響的復雜性。本文將PID控制的理論與PWM脈寬調節相結合，并且加入了回溫預熱系統。利用LabVIEW編程實現在散熱率較高以及干擾較強環境下對溫度的精準控制。

1 溫度控制系統的工作原理

本文所設計的溫度控制系統如圖1所示。

其工作原理為，溫度傳感器感知溫度并將信號傳送給溫度變送器，溫度變送器將收到的信號放大并轉變成0～5 V的電壓傳送給采集卡。

采集卡獲得的信息通過數據線傳送給上位機。上位機對信號進行處理后通過采集卡控制繼電器的開關，進而控制加熱裝置。

2 溫度控制系統硬件設計

本文所設計的溫度控制系統主要用于干擾多、散熱率大的場合，其結構如圖2所示。結合使用要求，硬件選型如下：

（1） 溫度采集選用DS18B20傳感器，測量的溫度范圍為-55～125 ℃。

（2） 溫度變送器采用J型熱電偶。在溫度變化時將傳來的電流信號轉化為0～5 V電壓信號并將信號傳送給NI采集卡[5]。

（3） 考慮到散熱率高所以加熱設備采用加熱功率為1 500 W的加熱鍋。

（4） 采集卡選用NIUSB?6008。這個采集卡可提供8個模擬輸入（AI）通道、2個模擬輸出（AO）通道、12個數字輸入/輸出（DIO）通道以及一個帶全速USB接口的32位計數器[6]。

（5） 繼電器選擇DELIXI ELECTRIC的固態繼電器。

3 溫度控制系統軟件設計

本文所設計溫度控制系統軟件包括系統前面板設計和系統后面板設計。

3.1 系統前面板設計

系統前面板設計在LabVIEW里面進行，系統前面板包括了常用控制和顯示模塊、溫度控制信號顯示模塊、PID系數設置模塊、溫度數值顯示模塊等，如圖3所示。endprint

（1） 常用控制和顯示模塊

該模塊包括加熱開關、采集開關、時間顯示框、溫差顯示表以及溫度計。

（2） 溫度控制信號顯示框

該模塊顯示當前溫度、溫度變化趨勢以及設定的溫度值。

（3） PID系數設置模塊

此模塊設置PID三項系數。

（4） 溫度數值顯示模塊

每間隔3 s顯示溫度數值，這樣既可以顯示溫度的具體數值又可以消除一定的干擾。

3.2 系統后面板設計

程序后面板如圖4所示，主要包括數據采集模塊、PWM模塊、PID模塊、模擬電壓輸出模塊、數據存貯模塊、回溫控制模塊等。本文主要介紹PID模塊、 PWM模塊、回溫控制模塊。

圖4 溫度控制系統后面板

3.2.1 PID模塊

在LabVIEW中，PID控制算法為：

[ut=KP?e+KI?0te+KD?dedt]

式中：e為設定值與實際返回值的差值；[KP]為比例系數；[KI]為積分系數；[KD]為微分系數。由于實際的需求，將微分項進行變動，由設定溫度與實際溫度的差值的微分改為相鄰兩次采樣點的差值的微分。這樣的微分項可以控制下面的回溫裝置。考慮到實際中散熱較大，干擾較多，經試驗驗證比例系數、積分系數、微分系數分別采用2，0.003，1。其中比例環節主要控制加熱系統中間斷加熱的開啟時間，經多次調整，當實際溫度與設定溫度相差6 ℃時開啟間斷加熱。

微分環節在溫度下降時啟用，當溫度下降過快時啟用預熱模塊，減緩溫度下降趨勢。積分環節用來判斷系統的穩態，以及達到穩態的時間。由于本實驗在干擾較強的環境下使用，所以控制溫度的波動范圍，使系統達到一個相對的穩態。

3.2.2 PWM模塊

脈沖寬度調制（PWM）模塊作為溫度精確控制系統中最重要的部分，此模塊的性能直接決定溫度控制系統的精度。考慮到加熱受環境的影響并且過后具有余熱等因素，該模塊控制采用PWM脈寬控制。通過借用PID控制中的比例項來控制加熱系統。

本系統設置當實際溫度與設定溫度的差值達到6 ℃時，啟動間斷加熱。根據PID控制中的比例項返回不同的值時，通過Matlab節點控制。在不同比例值時，對外輸出不同的值。再將這個值轉化為占空比。將占空比輸入到方波發生器中如圖5所示，產生具有不同占空比的方波。利用這些方波控制繼電器的開啟時間達到控制加熱的目的。

圖5 方波發生器

3.2.3 回溫控制模塊

考慮到溫度下降的持續性以及檢測與實際存在一定的滯后性，為了更為精準地控制溫度變化的范圍，在本系統中加入了回溫模塊。每隔3 s采集測量的溫度值，通過Matlab節點計算出相鄰溫度差值的微分，這就是前文說的PID中的微分項，計算出這段時間內的溫度變化情況。由于誤差的存在本模塊采用4個點、3個微分結果控制回溫系統的啟動。如果結果都為負值，啟動回溫模塊。為了避免出現過加熱，通過PWM模塊控制加熱時間。輸出具有較小的占空比的方波，控制加熱時間。這樣的回溫控制模塊可以控制溫度變化的下限。

4 實驗及結果分析

本次實驗以功率為1 500 W的加熱鍋對300 mL的水進行溫度控制試驗，試驗的初始溫度為35 ℃，目標設定溫度為38 ℃。圖6和圖7分別是未用PWM的溫度變化曲線和采用PWM的溫度變化曲線。

圖6 未用PWM的溫度變化曲線

圖7 采用PWM的溫度變化曲線

通過圖6的溫度變化曲線可以得出，由于加熱裝置的余熱和溫度采集的滯后性的影響，導致溫度上升過多，偏差較大。當采用了PWM模塊，溫度變化曲線如圖7所示。通過對比圖6、圖7可以發現，當采用PWM模塊，可以有效地消除加熱裝置的余熱以及環境中的干擾。進而可以控制溫度變化范圍的上限，達到對溫度波動上限的精確控制。

圖8和圖9分別是未采用回溫控制模塊的溫度變化曲線和采用回溫控制模塊的溫度變化曲線，通過分析未采用回溫控制模塊的溫度變化曲線得出，由于加熱的延遲性和環境的干擾導致溫度下降速率過快，下降量過大，達不到對溫度下限的精準控制。通過圖8、圖9對比可以得出：由于采用了回溫控制模塊可以對加熱裝置進行預熱，減緩溫度下降的趨勢，達到對溫度下限的精確控制。

圖8 未采用回溫控制模塊的溫度變化曲線

通過圖6～圖9可以清晰地看出，采用PID+PWM可以有效地控制溫度變化的上限，這樣不僅節省能源的消耗而且可以實現對溫度的精準控制。采用預熱模塊，可以有效地控制溫度下降的趨勢，進而控制溫度變化的下限。PID+PWM與回溫控制兩個控制的有效結合，可以實現對溫度上下限的有效控制，范圍為-0.3～0.3 ℃。

5 結 語

本文基于PID+PWM算法，采用了回溫控制技術，設計出一款可以在復雜環境下運行的溫度精確控制系統，并進行了實驗驗證。驗證結果表明，所設計的溫度控制系統能夠完成對溫度的精確控制，控制范圍為±0.3 ℃。該系統具有良好的通用特性，只需要通過修改一些占空比及PWM控制啟動上下限，就可以達到在不同環境和要求下的溫度精確控制。

參考文獻

[1] 王占強，徐偉弘，汪開源.一維PSD信號調理電路及其應用[J].儀表技術與傳感器，1997（12）：25?28.

[2] 歐陽磊.基于自整定PID控制器的溫度控制系統研究[D].淮南：安徽理工大學，2009.

[3] 宋智罡，郁其祥，王益明，等.基于LabVIEW的PID參數自適應模糊控制器設計[J].機械設計與制造，2003（4）：11?13.

[4] 趙宇，張邦民，蔡珍，等.基于LabVIEW的變壓器溫升數據采集系統[J].現代電子技術，2015，38（4）：155?158.

[5] 張華，鄭賓，武曉棟.基于LabVIEW的溫度測試系統[J].電子器件，2013，36（2）：243?245.

[6] 黃振賢.一種基于USB?6008的簡易虛擬示波器設計[J].山東理工大學學報（自然科學版），2011（1）：107?110.