基于LabVIEW的测控系统设计

柯龙章　杨宇卿

摘要：该文以LabVIEW、数据采集卡PCL-818L和被控对象温控炉组成计算机测控系统，利用LabVIEW的编程进行PID控制，实现温度的测量和控制。实验证明该测控系统的开发时间短，灵活性强，性价比高。

关键词：LabVIEW；数据采集；温控炉；PID控制

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）35-8561-02

计算机技术和仪器技术的高速发展共同孕育出革命性技术——虚拟仪器系统，开辟了测控技术的新纪元。软件是虚拟仪器的核心，是集成仪器的基础；虚拟仪器软件的一个关键要求是能开发出可重用的代码模块，美国国家仪器公司NI（National Instruments）提出“软件即是仪器”的概念，推出了LabVIEW直观的流程图编程风格的软件开发和运行平台，引发了测控技术领域的一场重大变革，使得计算机和网络技术得以长驱直入仪器领域，开启了虚拟仪器（VI）的先河。LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench——实验室虚拟仪器工程平台）是NI公司（National Instruments Corporation）于1986年推出的一种高效的图形化软件开发环境。LabVIEW不仅仅是一个开发环境，它同时还是为替代常规的文本式编程语言而开发的功能强大的编程语言，又被成为G语言（graphical language）。与Microsoft C、QuickBasic或LabWindows/CVI等文本语言的一个重要区别是：LabVIEW是一种图形编程语言，技术人员不用掌握太多的计算机编程知识，只需通过定义和连接代表各种功能模块的图标，就能方便迅速地建立起通常只有编程技巧高超的程序员才能编制出的高水平应用程序。

本文以研华公司的数据采集卡PCL-818L以及LabVIEW在如何实现PID控制温控炉的温度的设计。

1 数据采集

虚拟仪器的硬件平台由计算机和I/O接口设备两部分组成。I/O接口设备主要完成信号的输入采集、放大、模/数转换任务。本实验使用的是PC-DAQ/PCI插卡式虚拟仪器系统。

LABVIEW获取数据的方法是通过对I/O接口设备的驱动来完成的。通过数据采集卡获取数据是虚拟仪器获取数据的渠道之一，也是构成虚拟仪器的最基本方式。通过数据采集卡获取数据的虚拟仪器称为PC-DAQ/PCI卡式仪器。

本系统的设计采用的是研华公司生产的PCL-818L来进行数据采集的，在此做一下简单介绍。PCL-818L在PCL-818系列中属于入门级板卡，除了具有40kHz采样速率及只能接受双极性输入外，此卡具有PCL-818系列其它板卡同样的功能：12位A/D转换、D/A转换、数字量输入、数字量输出和计数器/定时器。

2 温控炉内部工作原理

计算机定时对炉温进行测量和控制，炉内温度由一半导体热电阻进行测量，测量信号经变换放大后输出到数据采集卡，转换成相应的数字量后，再送入计算机进行运算和判别，由计算机输出一个控制信号，控制加热炉电源的接通时间，从而控制电炉的电功率。

如图1所示为加热炉内部控制电路图，此电路图分为两部分，左边为测量电路，右边为控制电路。现分别分析如下：对于测量电路而言，最左边的是热敏电阻，它会随温度的变化，阻值做相反的变化，而它两端的电压也相应变化，当温度升高时，它两端的电压降低，经起放大作用的三极管，放大后的电压信号也降低，经过起隔离作用的1：1电压跟随器和反向器后输出到接线板上，也就是我们所测得的电压信号，同时也是模拟量输入值，图中的+12V和—12V电压用来调节室温时的电压值，起调零作用，+5V电压为工作电压；右边的电路是控制电路，当CONTROL INPUT输入为低电平时，发光二极管导通，双向二极管导通，则电路是通路，电阻丝发热，温控炉内温度升高，相反，当CONTROL INPUT输入为高电平时，发光二极管、双向二极管均不导通，则电路不通，电阻丝不工作，温控炉内部温度随着热量的散发而降低，因此，控制CONTROL INPUT端子的输入，从而来控制温控炉内部的温度。

3 PID算法的数字实现[]

由于DDC（Direct Digital Control）系统是一种时间离散控制系统。因此，因为用微机实现，必须将其离散化，用数字形式的差分方程来化替连续系统的微分方程。离散化的PID表达式在第K次采样PID的输出式为：

U（k）=U（k-1）+（[Kp]+[Ki]+[Kd]） E（K）-（[Kp]+2[×][Kd]） E（K-1）+[Kd][×]E（K-2） 式（1）

其中，设： [Kp]――比例常数

[Ki]=[Kp?TTi]――积分常数

[Kd]=[Kp?TdT]――微分常数

4 温度与电压关系的确定

本实验所用加热炉是采用热敏电阻作为感温器件。热敏电阻感受温度变化后，它的电阻值将会发生改变，从而引起电压的变化。通过数据线将电压信号送入接线板，进而通过数据线被安装在主机箱内的数据采集卡PCL-818L所采集，经过A/D转换为计算机能识别的数字信号，通过软件对其进行分析、处理，再通过D/A转换输出，对温控炉中的热敏电阻的工作状态进行控制，以达到对炉温进行控制的目的。

我们所测量的实际是电压值，而要得到温度值，还需要知道电压值与温度值之间的对应关系，此对应关系通过实验确定。将温控炉、接线板间的线连接好，插上电源，对温控炉进行加热，并用温度计对炉内气体温度进行测量，同时从计算机上读取指定Analog Input通道的电压值，测得一组（V，T）数据，通过Matlab软件得到其函数关系，如图2所示。为了能较好的描述二者的函数关系，现用Matlab软件对其进行仿真，以确定其函数关系式，通过进行了5次仿真，只有图3所示最为精确，故通过仿真曲线的对比分析，可确定为四次函数关系，其关系式为

按理论分析，温度与电压的关系应该近似为线性关系，然而由于温度计测量的是温控炉内空气的温度；读温度计上的数据时产生误差；计算机上数据在某一段时间变化很快，此期间的读数会有较大的误差；读电压与温度的两个人不同步等等都会造成上述曲线的产生。需要特别说明的是：以上所提及的误差是不可避免的，只能尽量的减小，而图3亦是在本组成员反复测量，尽最大努力减小误差的情况下测出的。

5 PID参数的确定

PID控制中最主要的三个常数是增益常数K，积分时间常数TI，微分时间常数TD。如温控炉的数学模型确定滞后时间τ=80秒，T=160秒，由扩充响应曲线的经验公式可计算得到各参数值，在这里，取控制度为1.2，T0=0.16*t=12.8秒，KP=1.0*T/t=2，TI=1.9*t=152秒，TD=0.55*t=44秒，KI=KP*T/TI=0.17，KD=KP*TD/T=6.8。因为K，TI，TD三个常数值的大小取决于控制对象的动态特性，过大和过小都将会使输出变量产生振荡，但对于控制目标是动态变化的系统，这三个参数也应该根据控制目标在不同区间的变化而做适当的校正，因此上述由经验公式计算得到的参数仅做参考。由PID离散化的数字表达式可在LabVIEW环境中设计PID控制器如图4所示，参照经验公式计算出的三个参数值，并经过大量的反复调试、修改，最终构成在LabVIEW中实现用PID控制的恒温控制系统。

6 总结

从系统的设计、实现和测试应用等方面 ，同其他方法相比，利用LabVIEW和数据采集卡组建基于虚拟仪器信号测试系统具有一定的优越性，其开发时间短，灵活性强、高性价比、技术更新快、易于网络化等，这些都是传统仪器不可能实现的功能。

参考文献：

[1] 张凯.LabVIEW虚拟仪器工程设计与开发[M].国防工业出版社，2004.

[2] 赵胜会，刘平.计算机控制技术实验指导书[M].2005.