基于LabVIEW的校准实验室温度控制系统

李乐艳

摘 要

针对我院检测校准实验室控温系统中标准水槽、标准油槽及卧式高温检定炉等主设备存在手动控温差，控温稳定时间长，且每测一个点都需要对温控系统重新进行设置的传统温度控温系统，已不适应当前我院科研生产的检测校准需求；为提高控温精度和效率，分层分步提升温度校准实验室数字化技术水平，本项目开展了采用美国NI公司的LabVIEW 图形化编程语言的温度控制系统开发，包括系统硬件和软件的设计。它使用一种新型模糊PID控制器，可以很好地克服温控系统中参数的变化和负载扰动引起的冲击和突变，可实现温度自动控制数、据记录、数据查看、数据打印、远程网络监控及报警等多种功能，经测试取得了满意的控制效果，能够更快更精准的实现校准实验室的温度控制要求。

【关键词】校准实验室 温度控制系统 LabVIEW 模糊PTD控制器

1 引言

目前我院检测校准实验室控温系统现状是：标准水槽、标准油槽及卧式高温检定炉等控温设备都是手动设置操作控温点，控温稳定时间长，且每测一个测温点都要重新设置温控系统，非常不方便，不适应当前院所主专业科室大批量检测校准的科研生产需求。随着计算机软件技术以及网络技术的高度发展，其在电子测控技术与仪器上的应用，新的测控理论、方法、测控领域以及仪器结构不断的出现，在许多方面已经冲破仪器的概念，电子测控仪器的功能和作用发生了质的变化，在这种背景下，美国NI公司的LabVIEW图形化编程语言软件在测试系统中得到广泛的应用，基于其在数据采集、数据处理、数据显示等方面有着强大的功能，且随着技术进一步发展，提供了外挂的PID 控制工具包，应用到校准实验室中的炉温控制可替代原来的手动控制系统，实验室的测量控制均由LabVIEW软件进行控制，为实验室向数字化迈进打下基础，下面介绍炉温控制系统的设计。

2 温度控制系统的硬件设计

恒温槽和高温检定炉是典型温度控制器，其温度控制具有升温单向性，滞后性，大惯性和时变性等特点，升温度参数难以确定。采用模糊控制升温，可消除稳态误差且超调小，具有良好的控制效果。

该控制系统主要由温度传感器，信号调理电路，多功能数据采集卡，触发板和相应的软件组成，将它们安装在计算机上，即可构成一个控制系统。温度传感器输出信号，经信号调理电路放大后，再由数据采集卡采集信号。见图1。

2.1 数据采集卡的选用

数据采集卡选用NI公司的PCI-6024E，通过采样通道采集输入信号，利用LabVIEW 图形化编程语言中的PID算法，求出系统输出信号的大小，其输出信号经光耦隔离后触发晶闸管，改变温度，以达到控制温度。NI PCI6024E多功能数据采集卡的优势：相对于M系列数据采集卡，费用小，测量精度高4倍，并获得更多的数字I/O，而且可获得采样率高达200kS/s和12位分辨率以及16路模拟输入，支持windows系统等多种操作系统。

2.2 温度控制电路

整个控制系统是建立在反馈原理基础之上。根据温度检测要求，温度控制系统考虑恒值，要求系统以一定的精度接近给定温度值并保持稳定。

温度控制电路由传感器信号放大，触发脉冲放大，同步脉冲形成等组成。温度控制电路的原理是：改变可控硅的导通角即改变电炉丝两端的有效电压，有效电压可在0～150V内变化。可控硅的导通角为0～5CH，温度传感器采用热敏电阻，温度越高热敏电阻值越小，其输出电压也就越小。

2.3 声光报警电路

报警信号通过数据采集卡的D/A的输出通道给出，并进行信号放大。该电路工作原理是：从数据采集卡输出报警信号，通过一个电阻连接到三极管基极，当信号是高电平时三极管导通，继电器吸合，报警器接通，发出报警信号；当信号电压为低电平时，三极管截止，继电器触点断开，报警器不工作。原理图见图2。

3 温度控制系统的软件设计

NI公司开发的LabVIEW编程软件，利用图形文本式进行编程，有丰富的库函数和编程模块，在温度控制、数据采集、和数据分析等领域应用广泛。程序有前面板和程序框图组成，前面板是图形方式的操作面板，程序框图包括节点和连线，操作简便，用LabVIEW软件编程有以下特点：（1）简便。在程序框图中将功能图标拖放到相应位置进行连线即可完成编程。（2）LabVIEW软件内置各种功能强大的函数库，如字符串处理函数，文件I/O函数和数学函数等，根据需要直接调用。（3）提供了灵活的程序调试方法，可以设置断点、探针，高速执行程序能方便观察程序中的数据流向，程序编译速度快。

基于LabVIEW的校准实验室温度控制系统采用模块化的方式来编写，每个功能由一个模块实现。由主控模块调用各个子模块，来实现温度数据采集、记录、处理、显示、打印等功能；数据还可通过网络传输。温控系统模块构成如图3 所示。

3.1 主控模块

主控模块的功能，主要通过与其它模块的通讯来完成PID控制，并进行数据采集、记录、处理、查看、打印，以及网络数据传输和错误事件处理等功能。

3.2 PID 控制模块

PID控制模块主要将PID控制工具包与LabVIEW软件的逻辑功能相结合，可快速生成自动控制程序。控制程序根据采样时刻的偏差值计算控制量就可以实现采样控制。

PID控制中的一个关键问题就是PID参数的整定，但单纯依靠传统的PID控制难以满足温度控制的高精度要求，根据我院校准实验室的要求，在LabVIEW软件平台下设计一种新型模糊PID控制器，此控制保留了传统PID控制器的线性结构，对偏差进行积分运算，能很好的控制系统中参数的变化和负载扰动引起的冲击和突变，在温度控制和采集系统中取得了高精度、高可靠性的控制效果。模糊PID控制如图4所示。

3.3 错误事件处理模块endprint

当输出温度与设定需要控制的温度较大偏离时，系统启动错误事件处理模块。当温度过高或温度过低发生时，系统通过错误事件处理模块将事件记录到Erroevent文件中去，同时发出报警警告，提示用户停止程序的运行，进行系统保护。

3.4 数据采集模块

数据采集模块使用时，指定它信道名、采样率、采样数、缓存大小等。进行数据采集，将采集结果存放到指定位置中，我们把采集到的数据传送到PID控制器的输入端口，经过PID处理后，再通过数据采集卡的输出通道输出。将温度信号转化为数字量并传递到计算机中的过程。该模块的数据采集功能由数据采集函数Functions→Data Acquisition→Analog Input→Analog Input Utilities→AI Read One Scan来实现。

3.5 数据显示模块

数据显示模块是从计算机C盘根目录下‘温度控制子目录下读取温度变化数据，然后传递给主控模块并显示，从而起到远程监控温度控制系统的目的。

3.6 数据记录与存储

系统提示输入文件名即确定好存储路径后，将所采集测量的数据存储到相应文件中。

3.7 数据打印模块

打印模块的功能是将系统从相应文件中，将所采集测量的数据取出并打印出来。

4 结论

以LabVIEW作为平台的温度测试系统，具有简单、快捷、高效等优点，并且具有完善的数据显示、存取和分析功能。利用现有计算机辅助测试与温度控制系统，能够更快更精确地实现校准实验室的温度控制要求。

参考文献

[1]翟为刚，邰晶，吴利刚.基于虚拟仪器的雷达自动监控系统[J].宇航计测技术，2013，33（3）：59-62.

[2]姜平，冯雪，方亮.基于LabVIEW的温度控制系统设计[J].硅谷，2010，01：32.

[3]何春华，蔡志岗.基于LabVIEW 的模糊PID控制系统[J].仪表技术，2010，07：59-62.

[4]付俐芳等.基于LabVIEW的温度采集和控制系统[J].科学技术与工程，2011，11（34）：8610-8611.

作者单位

中国核动力研究设计院 四川省成都市 610041endprint

当输出温度与设定需要控制的温度较大偏离时，系统启动错误事件处理模块。当温度过高或温度过低发生时，系统通过错误事件处理模块将事件记录到Erroevent文件中去，同时发出报警警告，提示用户停止程序的运行，进行系统保护。

3.4 数据采集模块

数据采集模块使用时，指定它信道名、采样率、采样数、缓存大小等。进行数据采集，将采集结果存放到指定位置中，我们把采集到的数据传送到PID控制器的输入端口，经过PID处理后，再通过数据采集卡的输出通道输出。将温度信号转化为数字量并传递到计算机中的过程。该模块的数据采集功能由数据采集函数Functions→Data Acquisition→Analog Input→Analog Input Utilities→AI Read One Scan来实现。

3.5 数据显示模块

数据显示模块是从计算机C盘根目录下‘温度控制子目录下读取温度变化数据，然后传递给主控模块并显示，从而起到远程监控温度控制系统的目的。

3.6 数据记录与存储

系统提示输入文件名即确定好存储路径后，将所采集测量的数据存储到相应文件中。

3.7 数据打印模块

打印模块的功能是将系统从相应文件中，将所采集测量的数据取出并打印出来。

4 结论

以LabVIEW作为平台的温度测试系统，具有简单、快捷、高效等优点，并且具有完善的数据显示、存取和分析功能。利用现有计算机辅助测试与温度控制系统，能够更快更精确地实现校准实验室的温度控制要求。

参考文献

[1]翟为刚，邰晶，吴利刚.基于虚拟仪器的雷达自动监控系统[J].宇航计测技术，2013，33（3）：59-62.

[2]姜平，冯雪，方亮.基于LabVIEW的温度控制系统设计[J].硅谷，2010，01：32.

[3]何春华，蔡志岗.基于LabVIEW 的模糊PID控制系统[J].仪表技术，2010，07：59-62.

[4]付俐芳等.基于LabVIEW的温度采集和控制系统[J].科学技术与工程，2011，11（34）：8610-8611.

作者单位

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当输出温度与设定需要控制的温度较大偏离时，系统启动错误事件处理模块。当温度过高或温度过低发生时，系统通过错误事件处理模块将事件记录到Erroevent文件中去，同时发出报警警告，提示用户停止程序的运行，进行系统保护。

3.4 数据采集模块

数据采集模块使用时，指定它信道名、采样率、采样数、缓存大小等。进行数据采集，将采集结果存放到指定位置中，我们把采集到的数据传送到PID控制器的输入端口，经过PID处理后，再通过数据采集卡的输出通道输出。将温度信号转化为数字量并传递到计算机中的过程。该模块的数据采集功能由数据采集函数Functions→Data Acquisition→Analog Input→Analog Input Utilities→AI Read One Scan来实现。

3.5 数据显示模块

数据显示模块是从计算机C盘根目录下‘温度控制子目录下读取温度变化数据，然后传递给主控模块并显示，从而起到远程监控温度控制系统的目的。

3.6 数据记录与存储

系统提示输入文件名即确定好存储路径后，将所采集测量的数据存储到相应文件中。

3.7 数据打印模块

打印模块的功能是将系统从相应文件中，将所采集测量的数据取出并打印出来。

4 结论

以LabVIEW作为平台的温度测试系统，具有简单、快捷、高效等优点，并且具有完善的数据显示、存取和分析功能。利用现有计算机辅助测试与温度控制系统，能够更快更精确地实现校准实验室的温度控制要求。

参考文献

[1]翟为刚，邰晶，吴利刚.基于虚拟仪器的雷达自动监控系统[J].宇航计测技术，2013，33（3）：59-62.

[2]姜平，冯雪，方亮.基于LabVIEW的温度控制系统设计[J].硅谷，2010，01：32.

[3]何春华，蔡志岗.基于LabVIEW 的模糊PID控制系统[J].仪表技术，2010，07：59-62.

[4]付俐芳等.基于LabVIEW的温度采集和控制系统[J].科学技术与工程，2011，11（34）：8610-8611.

作者单位

中国核动力研究设计院 四川省成都市 610041endprint