基于LabVIEW的增压舱控制系统设计*

郭全民 夏 兴

(西安工业大学电子信息工程学院 西安 710000)

基于LabVIEW的增压舱控制系统设计*

郭全民 夏 兴

(西安工业大学电子信息工程学院 西安 710000)

为了解决PLC作为增压舱控制器时,PLC编程软件开发增压舱控制系统与算法较为复杂的问题。提出采用上位机与下位机相结合的两级控制模式。利用上位机软件LabVIEW的图形化语言以及自带的各种软件包,开发增压舱控制系统软件,并设计了一套模糊自适应PID算法。实现上位机作为系统的核心控制器,使系统具有数据处理、命令发送、数据存储和界面监视的功能。试验表明,与传统控制结构相比该种结构设计降低了软件开发的难度,提高了系统的响应速度。

增压舱; PLC; 工控机; LabVIEW; 自适应模糊PID

1 引言

增压舱是通过改变舱体内的压力来模拟一定的水深环境,可以在舱体内进行各种压力试验。增压舱控制系统主要由舱体、压力系统、控制系统组成。在压力系统中,空压机将压缩的空气注入到储气罐中,在舱体和储气罐之间通过管道连接,在管道上安装有电磁阀和电动调节阀。通过控制电磁阀的通断和电动调节阀的开度来实现对增压舱内压力的控制。增压舱结构图如图1所示。

对于增压舱内压力的控制,传统的方法是通过带有一套算法的PLC作为核心控制器,调节电动阀门来实现的。但是利用PLC编程软件开发这种逻辑性较为复杂的增压舱控制系统及算法较为困难,实现较为复杂,并且PLC编程软件无法为用户提供数据存储功能和可视化的监控界面[1]。针对PLC在以上方面的不足,又考虑到LabVIEW作为上位机编程软件,它自身带有各种功能的软件包以及开发界面的控件,本文提出了采用以工控机作为上位机,PLC作为下位机的工作方式。利用LabVIEW开发上位机软件和控制算法,降低了软件的开发难度,使控制系统的功能更加完善,同时图形化的监控界面简化了系统的操作难度[2]。

图1 增压舱结构图

2 系统的控制结构和原理

增压舱控制系统以电磁阀与电动调节阀为控制对象,一方面利用上位机对控制系统进行运行管理和输入、输出参数的控制和调节,给增压舱的运行创造良好的条件。另一方面,上位机通过数据采集、处理和分析,将检测结果以图表、曲线或者文件的形式输出。

增压舱设计有手动/自动两种控制方式。手动控制方式下:通过旋转操作台上的电位计改变电压输入信号(-10V～10V),变送器将电压信号转变成4mA～20mA的标准电流信号传给电动调节阀,经过伺服放大器对信号的放大,驱动调节阀;自动控制方式下:增仓舱的压力信号、液位信号、氧浓度信号、管道内气体流量信号经过传感器转换成电压信号,由PLC模拟量输入模块进行数据采集,经过A/D转化,将数据传入放到PLC寄存器内,由上位机读取数据并对数据进行处理和分析,并将数据以运动曲线的形式绘制出来[3]。

增压舱控制系统主要是通过开发一个上位机监控平台,利用传感器对增压舱内的各个技术指标参数进行数据采集,并将这些采集到的信号通过PLC传给上位机,上位机将这些信号进行处理、计算、分析和保存,然后再将控制信号传给PLC,通过PLC去控制电磁阀的通断和电动调节阀的开度[4]。

在增压舱控制系统中工控机与PLC之间采用基于Modbus协议的双绞线进行数据传输,传感器采集的数据信号与反馈信号通过PLC传入工控机进行数据处理。PLC与网络仪表之间采用RS-485串行接口将进行连接,PLC将处理好的数据通过网络仪表进行实时数据显示。所以系统硬件部分主要包括工控机、传感器、PLC、系统供电线路与控制信号输入/输出线路、电磁阀与电动调节阀等,它们主要用来完成对信号的采集、处理分析和通讯的任务[5]。从硬件角度看,控制结构图如图2所示。

图2 控制结构图

3 模糊自适应PID控制器的设计

图3 模糊自适应PID控制器结构原理图

定义模糊控制器的输入量偏差e、偏差变化率ec的论域为:{-3,-2,-1,0,1,2,3,},其模糊子集分别为{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB},同时模糊控制器的三个输出量输出ΔKP,ΔKI,ΔKD的论域分别为{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6},{-0.12,-1,-0.08,-0.06,-0.04,-0.02,0,0.02,0.04,0.06,0.08,1,0.12},{-0.06,-0.04,-0.02,0,0.02,0.04,0.06},子集为{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB},输入与输出量的子集各元素均表示为负大、负中、负小、零、正小、正中、正大,它们均服从三角形隶属函数曲线分布。以电动调节阀为控制对象的模糊控制器是典型的多输入多输出的模糊控制器,其模糊控制规则的形式表示为:“IFe…… andec…… thenΔKP…… andΔKI…… andΔKD……”[7]。根据试验经验所得的模糊控制规则表如表1～3所示。

表1 ΔKP模糊规则推理

表2 ΔKI模糊规则推理

表3 ΔKD模糊规则推理

根据控制系统通过模糊控制规则表,查出模糊控制器输出的三个参数ΔKP,ΔKI,ΔKD的值,将值带入下式中,计算出PID的三个参数,实现参数的自整定[8]。

KP=ΔKP+{e+ec}p

Ki=ΔKi+{e+ec}i

Kd=ΔKd+{e+ec}d

4 上位机软件设计

增压舱控制系统软件部分基于工控机,利用LabVIEW软件作为开发工具,主要完成增压舱内的数据采集与分析,波形曲线的设定,模拟水深、升降速率等参数的设定,数据显示与存储,设备状态显示,登录权限设置等功能。工控机对采集上来的数据进行处理、分析,将数据以曲线的形式显示出来,处理好的数据储存到Access数据库中,如需要数据可以打印出来[9]。软件从功能上可分为数据采集模块、数据传输模块、界面管理模块、数据处理与文档保存模块,增压舱控制系统功能图如图4所示。

图4 增压舱控制系统功能图

在控制系统设计的过程中,根据增压舱系统的特点,在WINDOWS环境下利用LabVIEW 2013软件对增压舱系统进行开发。在主界面中包括:工艺流程图、试验舱自动控制、数据查询、程序退出等内容[10]。增压舱监控系统的主界面如图5所示。

图5 增压舱控制系统主界面

设定增压舱模拟水深为30m,点击“开始”按钮运行程序,从图6中可以看出实时模拟水深曲线(实线)在控制信号的作用下(虚线),逐渐向设定模拟水深曲线(虚线)靠拢,最终实时水深曲线和设定水深曲线趋于一致。根据增压舱控制系统的要求,超调量不能超过设定水深的3%。试验表明,与采用传统PID算法相比,自适应模糊PID算法能够在系统运行的过程中,通过不断调节PID三个参数KP、KI、KD,实现系统平稳的运行,使系统从震荡到稳定时的调节时间缩短5s左右,系统产生的超调非常小,不超过0.2m,满足增压舱技术指标要求,提高了系统可靠性。另外,上位机软件LabVIEW为用户提供了清晰的可视化监控界面,便于用户对实时数据做出快速判断,LabVIEW软件对试验数据以Access数据库的形式予以保存,如有需要,可以随时打印出来[11]。系统运行图如图6所示。

图6 系统运行图

5 结语

本文通过对于增压舱的控制,设计了上位机与下位机相结合的控制方式,又运用上位机软件LabVIEW开发了模糊自适应PID算法和增压舱控制系统,现场试验表明,工控机与PLC的两级控制模式与PLC的单级控制模式相比,两级控制模式为用户提供了可视化的监控界面,使整个控制系统变得更加的人性化,方便用户操作,并且两级控制模式给予工控机与PLC不同的工作,提高了系统的运行效率。模糊自适应PID算法对于增压舱内压力的控制效果要好于传统PID算法,提高了系统的响应速率,减小了超调量,使系统运行更加稳定,该控制结构满足设计要求。

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Design of Cabin Pressurization Control System Based on LabVIEW

GUO Quanmin XIA Xing

(School of Electrical Information Engineering, Xi’an Technological University, Xi’an 710000)

In order to solve the problem when the PLC as the pressurized cabin controller, PLC programming software developing pressurized chamber control system and algorithm are complex, the two-step control mode of combining with the host computer and slave computer is come up with. The graphical language and a variety of software packages of host computer software LabVIEW are used to develop the pressurized cabin control system software and a fuzzy self-adaptive PID algorithm is designed. The host computer is realized as the core controller of the system, So that the system has data processing, command sending, data storage and interface monitoring functions. Tests show that, compared with the traditional control structure, this kind of structure reduces the difficulty of software development and improves the response speed of the system.

pressurized cabin, PLC, the host computer, LabVIEW, fuzzy self-adaptive PID Class Number TP391

2016年10月17日,

2016年11月23日

陕西省自然科学基础研究计划项目“基于变结构函数型链接神经网络的工程参数软测量模型研究”(编号:2014JM2-6112)资助。

郭全民,男,博士,副教授,研究方向:计算机测控技术、图像处理与机器视觉、智能传感与信息融合等。夏兴,男,硕士,研究方向:自动控制。

TP391

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.04.018