基于LabVIEW的水循環溫度控制系統設計

　　摘要：隨著虛擬儀器的功能和性能被不斷地提高，在許多應用中已成為傳統儀器的主要替代方式。本文以水循環系統為研究對象，針對水循環的溫度，在比較研究不同控制策略的基礎上，建立的數學模型，對水循環溫度控制進行了研究。利用虛擬儀器的巨大*性改善水循環溫度的控制品質，提高控制效果。
　　
　　引言
　　
　　隨著虛擬儀器的功能和性能被不斷地提高，在許多應用中已成為傳統儀器的主要替代方式。
　　
　　本文以水循環系統為研究對象，針對水循環的溫度，在比較研究不同控制策略的基礎上，建立的數學模型，對水循環溫度控制進行了研究。通過數據采集卡對溫度信號進行實時采集，并由軟件平臺對采集的信號進行分析，然后用數學模型控制算法處理輸出，以使當前溫度逼近設定值，從而達到溫控目的，zui后將采集數據保存記錄，以備日后讀取分析。利用虛擬儀器的巨大*性改善水循環溫度的控制品質，提高控制效果。
　　
　　1、水循環溫度控制系統數學模型的建立
　　
　　1.1水循環溫控系統介紹
　　
　　水循環溫控系統由儲水箱、水泵、傳感器、散熱器和電加熱裝置組成，水循環原理圖如圖1所示。由于本系統對溫度要求較高，要保證水管環境溫度保持在20℃，故需建立合理的數學模型及控制算法，將溫度傳感器PT100采樣性能通過散熱器及電加熱器的動態溫度值模擬出來，zui終達到高精度控制溫度的作用。　　
　　1.2水循環溫控系統數學模型的建立
　　
　　水循環溫控系統各個部分的溫度因管道、散熱裝置和加熱裝置的原因會產生很大的變化。為了表達清楚達到預想的結果，就需要建立正確的數學模型。本設計根據實際情況，選擇了幾個特殊的點來建立模型。如圖1所示，A，B，C，D，E，F六個點的溫度，將引起變化的原因全部考慮進去，列出函數關系式，然后借助Lab—VIEW編程，由程序控制溫度。
　　
　　（1）B點的溫度函數關系式
　　
　　B點為采樣點，B點的溫度跟A點的溫度因中間隔水箱會有一個延時K1，取在A點第N個采樣值經過K1延時之后的平均值為B點的溫度，它的溫度函數關系為：　　
　　K1）分別為A點第N-1，N-2，…，N-K1個采樣時的溫度值;V1為水箱的容積，V1=5L;q為泵流量，q=0.083L/s;T為采樣周期，T=1s;K1：為注滿水箱需要的時間，即延時周期，通過計算K1=60s。
　　
　　（2）A點的溫度函數關系式
　　
　　A點的溫度與D點的溫度因水管而有個延時，故A點的溫度函數關系如式（2）所示：　　
　　為D點第N-K3個采樣點的溫度;V3為D點到A點水管的容積，V3=0.5L;K3為從D點到A點的延時周期，通過計算K3=6s。
　　
　　（3）D點的溫度函數值
　　
　　D點的溫度與C點溫度相比，不僅僅是水管的散失而延時，還與電加熱裝置有關，函數關系如式（3）所示：　　
　　為C點第N-K2個采樣點的溫度;P為電加熱器的功率，P=1kW;C為水的比熱容，C=4.18kJ/kg·℃;△T為電熱前后的溫度變化，通過計算△T=3℃;P'為采樣占控比，通過驗證P'=1或0;V2為C點與D點間水管的容積，V2=1L;K2為從C點到D點的延時周期，通過計算K2=6s。
　　
　　（4）C點的溫度函數關系式
　　
　　C點的溫度與F點的溫度相近，就是F點延時的某一個溫度值，它的函數關系如式（4）所示。　　
　　為F點第N-K5個采樣點的溫度;V5為F點到C點水管的容積，V5=0.5L;K5為從F點到C點的延時周期，通過計算K5=6s。
　　
　　（5）F點的溫度函數關系式
　　
　　F點與E點相比，因為散熱器和水管的同時作用，溫度也相差很大，該點的溫度函數關系如式（5）所示：　　　　
　　為E點第N-K4個采樣點的溫度;K為制冷系數，K=0.3;T0為環境溫度，T0=20℃;V4為E點到F點水管的容積，V4=1L;K4為從F點到E點的延時周期，通過計算K4=12s。
　　
　　（6）E點的溫度函數關系式
　　
　　E點的溫度與B點的溫度相比也有個延時，該點的溫度函數關系如式（6）所示：
　　
　　為B點第N-K6個采樣點的溫度;V6為B點到E點的水管的容積，V6=0.5L;K5為從B點到E點的延時周期，通過計算Ks=6s。
　　
　　綜上所述，A，B，C，D，E，F六個點的函數關系式及相互已經表達清楚，通過LabVtEW建立相應的數學模型。
　　
　　2、水循環溫度控制系統的軟件設計
　　
　　本設計通過數據采集卡對溫度傳感器傳感信號進行實時采集，并由軟件平臺LabVIEW對采集的信號進行分析，采用上述的數學模型控制算法處理輸出，使當前溫度以零穩態誤差逼近設定值，達到控溫目的。根據水循環溫度控制系統的基本要求，系統劃分為五個功能模塊，即：用戶登錄模塊、數據存儲模塊、參數計算模塊、控制算法模塊等，系統的控制模塊框圖如圖2所示。　　
　　2.1主控模塊
　　
　　系統的主控模塊提供了溫度控制功能。它通過與其他模塊的通訊來完成數據采集與處理、數據的保存等功能。根據模塊化的編程思想，用LabVIEW圖形化編程語言，可以方便地寫出溫度控制系統的程序代碼。
　　
　　2.2參數計算模塊
　　
　　由前面建立的數據模型，通過計算分別可以算出每個點的延時周期K，再由延時周期找到每個點的溫度采樣值，如圖3參數計算程序框圖所示。　　
　　式中：B點為采樣點，該點的溫度采樣值是A點溫度采樣值延時之后的所有采樣值的平均值，該算法程序框圖如圖4所示。
　　
　　2.4數據采集模塊
　　
　　該模塊通過調節控制占空比，進而改變采樣占空比，調節控制系統，提高控制質量，如圖5所示。　　
　　3、程序調試
　　
　　通過調試各個模塊，并將所有功能起來，實現水循環自動溫度控制系統。調試結果如圖6所示。A點和D點，C點和F點，E點和B點溫度曲線相近;A點和B點，C點和D點，E點和F點溫度曲線相差大，并且采樣點B溫度波動值僅為0.75℃，較為穩定，從而表明本系統設計的控制方案合理可行，精度達到原設計的技術要求，可預見該系統設計在今后的工業控制實驗中具有廣闊的應用前景。
　　
　　4、結語
　　
　　在本設計中，利用LabVIEW軟件平臺構建溫度控制系統，具有設計時間短，參數調整靈活，系統仿真結果直觀、準確、穩定等特點。實踐證明，在LabVIEW環境下能夠開發出各種功能強大，開放性好的虛擬儀器軟件，構造出經濟實用的計算機輔助測試、分析與控制系統。