基于Matlab GUI的三容水箱液位實時監(jiān)控系統(tǒng)設計

朱飛宇， 徐志宇， 黃國輝

(1.同濟大學 電子與信息工程學院,上海 201804； 2.博洛尼亞大學 電氣電子與信息工程學院,博洛尼亞 40136；3.杭州電子科技大學 能量利用系統(tǒng)與自動化研究所,杭州 310018)

基于MatlabGUI的三容水箱液位實時監(jiān)控系統(tǒng)設計

朱飛宇1,2， 徐志宇1， 黃國輝3

(1.同濟大學 電子與信息工程學院,上海 201804； 2.博洛尼亞大學 電氣電子與信息工程學院,博洛尼亞 40136；3.杭州電子科技大學 能量利用系統(tǒng)與自動化研究所,杭州 310018)

為了實現(xiàn)三容水箱教學實驗平臺中液位控制算法的多樣化和可移植性，設計了基于Matlab圖形用戶界面(Graphic User Interface,GUI)的計算機監(jiān)控系統(tǒng)。利用Matlab的串口通信API，通過RS-485/RS-232數(shù)據(jù)通信接口實現(xiàn)對三容水箱液位的數(shù)據(jù)采集和控制。通信采用Modbus RTU協(xié)議確保數(shù)據(jù)的可靠傳輸。系統(tǒng)軟件界面友好、編程方便、操作簡單，同時用戶可以植入算法使系統(tǒng)運行于多種模式下。結果表明，基于Matlab GUI設計的計算機監(jiān)控系統(tǒng)能夠快速、準確地繪制出液位響應曲線，F(xiàn)lash動畫能夠?qū)崟r模擬出實驗進度。

三容水箱； Matlab GUI； 計算機監(jiān)控； 通信協(xié)議； 響應曲線

0 引 言

自動化學科作為當今信息時代最重要的學科之一，其教學方式中，實驗教學成為不可或缺的重要部分。“計算機控制技術”是自動控制、電子技術、電氣技術等專業(yè)教學中一門重要的專業(yè)課，實驗在該課程教學方式中更是扮演了舉足輕重的作用。計算機控制實驗成功的關鍵在于計算機與實驗臺的通信效率以及控制算法的選擇。

近年來，國內(nèi)外研究學者分別通過不同的平臺開發(fā)計算機控制軟件，包括Delphi、組態(tài)王和C#.NET等[1-5]，都取得了一定的成果，但基于Matlab GUI進行上位機開發(fā)卻并不常見。

Matlab在數(shù)據(jù)分析、矩陣運算、算法設計等方面具有明顯優(yōu)勢，非常適合于對復雜算法的研究；軟件集成了串口通信API為實現(xiàn)計算機與實驗臺通信提供便利。Matlab中的GUI模塊提供了圖形用戶界面的設計向?qū)В_發(fā)者利用該向?qū)Э梢苑奖恪⒖旖莸卦O計出一個界面。文獻[6]中針對數(shù)字信號處理課程中概念抽象、不易理解的教學難題，利用Matlab GUI開發(fā)了一個教學軟件，包括信號采集模塊、信號分析模塊、線性系統(tǒng)分析、濾波器設計模塊和信號處理技術應用模塊[6]。文獻[7]中利用Matlab豐富的工具箱和直觀的GUI界面，設計并完成了運動控制系統(tǒng)課程的可視化虛擬實驗平臺的構建[7]。

然而，目前實驗教學中關于Matlab GUI的應用研究大多集中于仿真虛擬方面，很少涉及控制軟件平臺的開發(fā)。鑒于串口通信和控制算法在計算機控制系統(tǒng)中的核心地位，以及Matlab GUI模塊在這兩方面具備的獨特優(yōu)勢，本文設計了基于Matlab GUI的三容水箱實時液位監(jiān)控系統(tǒng)：選擇三容水箱作為下位機采集控制平臺，在Matlab GUI平臺上實現(xiàn)了計算機與三容水箱實驗臺的串口通信，通過PID等控制算法控制水箱液位，對計算機控制實驗的發(fā)展具有重要的意義。

1 系統(tǒng)總體設計

計算機監(jiān)控系統(tǒng)的總體設計如圖1所示。系統(tǒng)主要由兩部分組成：①下位機實現(xiàn)對三容水箱液位的數(shù)據(jù)采集和控制；②上位機利用Matlab GUI模塊實現(xiàn)對液位的控制操作，實時數(shù)據(jù)曲線的顯示和實驗裝置狀態(tài)的Flash動畫模擬。

圖1 計算機監(jiān)控系統(tǒng)總體結構

1.1系統(tǒng)下位機

系統(tǒng)下位機為三容水箱物理實驗平臺，其由3個水箱、1個方形水槽、水泵、進水閥門和球閥等部件組成，結構原理圖如圖2所示。該實驗平臺以ADuC834數(shù)據(jù)采集單片機[8-9]為主控芯片，該芯片基于8051為內(nèi)核，片內(nèi)集成了兩路高分辨率的ADC轉(zhuǎn)換通道及兩路獨立的DAC轉(zhuǎn)換通道，非常適用于多模擬量采集的系統(tǒng)。本系統(tǒng)單片機實現(xiàn)對水箱液位、溫度和流量的采集，并通過RS-485/RS-232數(shù)據(jù)通信接口與上位機進行數(shù)據(jù)的交互，根據(jù)上位機發(fā)送過來的指令控制水泵、加熱管進水閥和放水球閥等執(zhí)行部件。

圖2 三容水箱結構原理圖

本文下位機主要負責對三容水箱液位的信號采集和控制：通過單片硅壓力傳感器實現(xiàn)。隨著液位的上升，容器底部受到的壓力相應增大[10]，壓力傳感器將采集到的模擬信號通過16位高精度AD轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并通過RS-232/RS-485串口發(fā)送給上位機。液位控制是通過控制水泵電壓來實現(xiàn)。上位機通過串口給下位機發(fā)送控制指令，通過DAC輸入0～5 V電壓信號，并間接控制可調(diào)開關電源直流電壓輸出，調(diào)整水泵轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)對液位的控制。

1.2系統(tǒng)上位機

上位機軟件是一套基于Matlab GUI界面、動畫仿真、M控制算法文件以及標準通訊模塊為一體的實驗環(huán)境，主要分為以下模塊：

(1) 串口通信。完成與下位機的數(shù)據(jù)交互。

(2) 控制策略。采用增量式PID控制算法，根據(jù)采集到的液位信息，計算并發(fā)送控制指令。算法獨立編寫在M文件中，用戶可以根據(jù)實驗要求導入自定義算法。

(3) 人機界面。液位的參數(shù)設置，PID控制算法的參數(shù)設置及液位標定，繪制液位的實時數(shù)據(jù)曲線，同時以Flash動畫的形式模擬實驗過程。

2 下位機軟件開發(fā)

下位機程序采用Keil μVision5集成開發(fā)環(huán)境進行開發(fā)。編寫各功能函數(shù)，經(jīng)過調(diào)試、編譯、生成hex文件，再通過WSD軟件將程序下載到ADuC834單片機中。程序功能函數(shù)如圖3所示。

圖3 下位機程序架構

3 Matlab GUI模塊設計

3.1串口通信

Matlab GUI模塊配置了串口通信API，支持RS-485/RS-232串口通信[11-12]。只需通過調(diào)用其中的serial類及相關函數(shù)就能創(chuàng)建串口對象，用戶定義好串口的通信屬性(主要是波特率、起始位、數(shù)據(jù)位、校驗位、停止位和輸入輸出緩沖大小等)即能實現(xiàn)上位機與下位機的通信，主要函數(shù)如下：

s=serial(‘COM1’); %創(chuàng)建串口對象s，串口號為COM1

set(s,‘BaudRate’,9600,‘StopBits’,1,‘Parity’,‘none’,‘DataBits’,8); %設置波特率為9600；8位數(shù)據(jù)傳送，一位停止位，無奇偶校驗位；

另外，通信協(xié)議采用Modbus RTU協(xié)議確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)木_。

3.2控制算法

PID控制器有著技術成熟、魯棒性好、容易理解和掌握等優(yōu)點[13-15]，通過合理的Kp,Ki,Kd整定可以完成對系統(tǒng)的較好控制。PID控制可通過位置式和增量式兩種方式實現(xiàn)。前者在計算時要對偏差量逐一累加，導致在編程時占用大量的存儲單元，因此，本系統(tǒng)選用后者，即增量式PID控制算法。

式中:u(k)和e(k)分別為控制量與偏差量，

Δu(k)=u(k)-u(k-1)

Δe(k)=e(k)-e(k-1)

分別為控制量與偏差量的增量;Kp=1/δ為比例增益;Ki=KpT/Ti為積分系數(shù);Kd=KpTd/T為微分系數(shù)。當確定好Kp、Ki、Kd后，只需要存儲前3次的測量值，即可求出Δu(k)，具有誤差影響小的優(yōu)點。

3.3MatlabGUI界面設計

Matlab GUI界面主要包括：①數(shù)據(jù)顯示面板，包括3個水箱的液位高度顯示和進行水溫控制實驗時的溫度顯示；②參數(shù)設置面板，包括液位參數(shù)、溫度實驗的溫度參數(shù)、控制算法參數(shù)及數(shù)據(jù)采集頻率參數(shù)設置等；③實驗的開始、結束等控制指令；④實時數(shù)據(jù)曲線顯示和Flash動畫模擬，另外控制界面還添加了液位標定等輔助功能。

界面設計遵循可視化程度高、操作簡潔、布局合理的原則，現(xiàn)設計如圖4所示。

(1)系統(tǒng)數(shù)據(jù)顯示與參數(shù)設置模塊。數(shù)據(jù)顯示面板主要是將上位機采集到的液位信息直觀地顯示在界面中，便于實驗者觀測；參數(shù)設置面板是整個人機界面中最重要的部分，該部分包含了液位的設定及溫度的設定，可用于溫度控制實驗，數(shù)據(jù)采集頻率的設定以及控制液位和溫度的兩組PID參數(shù)的調(diào)整。實驗時可以根據(jù)數(shù)據(jù)顯示面板顯示的數(shù)據(jù)和自己觀察到的實驗現(xiàn)象及時地調(diào)整控制參數(shù)。參數(shù)設置面板設計完成效果見圖4(右側欄綠色線框)。

(2)實時曲線繪制模塊。系統(tǒng)采用基于axes控件完成實時曲線繪制[16-17]。在Matlab GUI界面添加axes控件，并開辟一個2B長度的數(shù)組分別存放目標液位和實時液位值。通過axes()函數(shù)設置當前曲線繪制坐標，再調(diào)用set()函數(shù)完成曲線的繪制。

曲線繪制相關函數(shù)如下：

m=[m [Real-yewei;val]];

axes(handles.quxian);

axis([x,x+10,-5,300]);

set(p(1),‘XData’,t,‘YData’,m(1,:));

set(p(2),‘XData’,t,‘YData’,m(2,:));

設計效果見圖4(左下方藍色線框)。

(3)Flash動畫演示模塊。考慮到在Matlab GUI中實現(xiàn)一個具有立體效果的水箱顯示難度較大，且并不十分必要，故在該系統(tǒng)中采用合適的矩形來代替水箱的效果。實驗過程中，通過向空白矩形中填充以液位為高的藍色矩形來動態(tài)地模擬液位的變化過程。設計效果見圖4(左上方紅色線框)。

圖4 三容水箱計算機監(jiān)控系統(tǒng)的Matlab GUI界面設計效果及液位控制實驗結果

4 系統(tǒng)測試

根據(jù)Matlab GUI界面設計，在實驗室環(huán)境下進行液位控制實驗，實驗系統(tǒng)搭建如圖5(a)所示，其液位控制過程可抽象為如圖5(b)所示結構。首先設定好水箱球閥的開口度為30%，設置目標液位為200 mL，根據(jù)經(jīng)驗確定P、I、D控制參數(shù)Kp,Ki,Kd值，配置定時器模式，以1 s的采樣頻率讀取當前液位，并繪制實時曲線。PID控制算法計算出當前水泵控制電壓，根據(jù)Modbus RTU協(xié)議格式向下位機發(fā)送報文數(shù)據(jù)，調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)液位對設定值的跟隨。液位的階躍響應曲線見圖4(左下方藍色線框內(nèi))。

(a)實驗系統(tǒng)樣機(b)液位控制結構圖

圖5 液位控制系統(tǒng)樣機及控制原理結構簡圖

結果表明，通過Matlab GUI模塊設計的計算機監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對液位的控制且實驗過程穩(wěn)定可靠。上位機采用PID控制算法，以1 s的頻率發(fā)送采集控制指令，使得水位在到達目標液位附近后能夠快速地達到動態(tài)平衡，驗證了基于Matlab GUI模塊的計算機監(jiān)控系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)傳輸準確和操作界面友好的特點。

5 結 語

本文利用Matlab GUI，開發(fā)計算機監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了對三容水箱液位的實時控制。不同于常用的開發(fā)軟件Delphi、組態(tài)王和C#.NET，本系統(tǒng)的控制算法獨立寫在M文件中，便于實驗者修改和添加其他算法，且GUI組件編程簡單，實驗數(shù)據(jù)處理快速方便，極大地提高了開發(fā)效率。實驗過程也證明了系統(tǒng)的準確性和穩(wěn)定性，并且系統(tǒng)軟件執(zhí)行效率高，界面功能豐富，對于計算機監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)具有重要的借鑒意義。

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ADesignfortheReal-timeLiquidLevelMonitoringSystemBasedonMatlabGUI

ZHUFeiyu1,2,XUZhiyu1,HUANGGuohui3

(1. School of Electronics and Information Engineering, Tongji University, Shanghai 201804, China;2. College of Electrical, Electronic and Information Engineering, University of Bologna, Bologna 40136, Italy; 3. Institute of Energy Utilization & Automation, Hangzhou Dianzi University, Hangzhou 310018, China)

In order to achieve the algorithm diversification portability of the computer monitoring system in the liquid level control, the paper designed a computer monitoring system based on Matlab graphical user interface (GUI). The system uses Matlab’s serial communication API, and uses the RS-485/RS-232 data communication interface to achieve data collection and controlling for the three-tank. Modbus RTU protocol is applied for communication to ensure the accuracy of data transmission. System software has a friendly interface, easy programming, simple operation and other features, users can implant the algorithm to run the system in a variety of modes. Experimental result shows that design of the computer monitoring system can quickly and accurately draw the level response curve, Flash animation can simulate real-time experimental progress based on Matlab GUI.

three-tank water; Matlab GUI; computer monitoring; communication protocol; response curve

TP 273.5

A

1006-7167(2017)09-0083-04

2016-11-20

國家自然科學基金項目(71401125);教育部博士點科研基金(20130072110045);同濟大學實驗教改項目(0800104150)

朱飛宇(1993-)，男，浙江臺州人，碩士生，主要研究方向為智能控制。Tel.:15988993821；E-mail:zhufy2015@163.com

徐志宇(1982-)，男，山西太原人，博士，高級工程師，碩士生導師，現(xiàn)從事智能自動化應用研究。Tel.: 021-69584663；E-mail: xuzhiyu@tongji.edu.cn