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1、基于LabVIEW的温控系统设计杨希（武汉工程大学） 摘要：给出了基于LabVIEW的室温测试方法以及直流电机PID控制系统的设计方法。介绍了系统的组成，工作原理和程序设计方法。 关键词:LabVIEW;室温测试；直流电机；PID控制The design of thermal control system based on LabVIEW Yang Xi(Wuhan Insitute of Technology) Abstract:This paper presents the method of PID control system based on LabVIEW for room tem
2、perature test and DC motor.The component of the system ,opetating principle and method of program design is described.Key words:LabVIEW;room temperature test;DC motor;PID control0 引言 由于在最近实验室在进行对温室育苗的研究，需要实现对温度的采集以及控制，因此设计了温控系统。此系统主要包括两个部分，一个部分是对温度的采集，另一部分是对电机的控制。 系统采用虚拟仪器图形化编程软件LabVIEW实现对室温的测试和电机转速
3、的控制，为了得到较好的控制效果，采用PID控制算法。并通过NI ELVIS 接口与PC连接，实现测量采集及显示。1. 系统组成及工作原理系统原型包括1台计算机，温度传感器，直流电机运动装置，风扇以及温度采集和电机驱动电路。ELVIS中首先是需要工作台及原型板，1台计算机、1台直流电机、1个热敏电阻，分压电阻，温度采集电路及电机驱动电路组成。如图1所示。原型板工作台上电路如图2所示。热敏电阻温度采集电路D/AA/D温度计算机A/DD/A直流电机驱动装置电机驱动电路 图1 温控系统组成图2 原型板工作台电路 在整个系统中，首先通过温度传感器采集室温，进行显示，计算机通过把采集的室温与所设定的实际的
4、植物所需的生长温度相比较，得出结果是否要调节温度。由温度的增减来控制电机的电压从而控制电机的转速，如果温度需要调高则减小电压进而降低电机转速，反之，如果温度需要调低则增加电压进而提高电机转速。计算机通过采集温度传感器输出的反馈电压，就可得到当前温度，与植物所需温度比较，得到温度偏差。同时采集此温度下的电压，通过PID控制算法，通过D/A及电机驱动电路可控制电机转速，以此调节温度。2 系统软件设计 系统的软件部分包括室温采集，温度比较转换为对电机输入电压的控制，然后通过PID控制电机转速。室温采集系统程序流程图如图3所示，首先要编写电压-电阻子VI，即用数字万用表DMM测得热敏电阻在常温下两端电
5、压，然后通过可变电压源VPS的电压与之相减，然后乘以分压电路中电阻阻值就可以得到热敏电阻在此VPS下的阻值。同时，还要编写电阻-温度子VI，由于前面已经得到了热敏电阻在此刻的电阻值，通过公示节点，调用公式（1），就可以得到此刻的室温。 (1) 具体实现如下。首先要用可变电压源在电路两端设置一定电压，然后通过采集电路，即通过分压电路，使得热敏电阻两端产生一定电压，通过AI通道，采集热敏电阻两端实时电压，通过调用电压-电阻子函数和电阻-温度子函数，得到实际温度。在整个电路两端设置VPS电压通过分压电路，使得热敏电阻两端产生一定的电压采集到热敏电阻两端电压V-R,R-T子VI得到实时室温A/I通道调
6、用图3 室温采集程序流程图 系统软件编程采用美国NI公司的LabVIEW2010软件，它是一种图形化编程语言，使用数据流编程方法描述程序的执行，用图表和连接线写程序，其应用程序由3部分组成：前面板、程序框图和图标/连接器。整个程序的前面板如图4所示，图5为室温采集系统框图程序，整个程序分3条主线，首先，第一条是创建一个路径，.用于保存温度。然后接数字至十进制数字字符串转换，将浮点型数字转换为整形。连接字符串将数字和回车相连作为写入文本文件的输入，最后关闭文件。此线用于温度保存。第二条是首先创建输入接线端配置，采用差分方式，设置电压的最大和最小值，AI的物理通道选择软面板上连接的AI0通道。接入
7、采样时钟，设置采样率为100，采样模式为连续采样。然后接开始任务，DAQmx读取（模拟波形1通道N采样），没通道采样数设为10，将采集的波形数据传输给获取波形成分，返回波形数据值，返回数组中所有元素的和，除以10，得到平均的电压值。通过调用V-R和R-T子VI来计算温度。最后清除任务。此线主要用于把采集电压转换为室温。第三条首先同样创建通道，输出接线端配置选默认。通过DAQmx写入（1通道1采样）数据端与VPS OUT DATA 相连。条件结构的条件选择器与首次调用相连（只有在按下运行按钮后第一次调用时，该函数才返回TRUE），结构体的条件分支为真时才接DAQmx开始任务，否则不开始。最后接按
8、名称接触捆绑，返回指定名称的簇元素，当出现错误簇或停止时借宿while循环。 图4 温控系统前面板 图5 室温采集系统框图程序 温度比较和电机电压控制系统框图程序如图6、7、8所示，在此处，假定植物的正常生长温度为25度，当然此温度是可调的。如图6所以，当室温与此设定温度相等时，就不用执行对电机电压调节。如图7所示，当条件结构分支为假时，再在条件结构内部设置条件结构，如果温度小于25度这一条件为假，即温度大于25度，在此条件结构内设while结构，对VPS OUT DATA（电机的输入电压）进行减1，一直循环，直到室温不再大于25度为止。反之，如图8所示如果温度小于25度这一条件为真时，对wh
9、ile结构内的VPS OUT DATA进行加1，循环到温度不再小于25度为止。图6 温度为25度时框图程序图7温度高于25度时框图程序图8温度低于25度时框图程序 直流电机控制系统程序流程图如图9所示，首先采集实际转速电压值，得出与给定转速的偏差，当偏差小于稳态误差，则控制电机转速不变，偏差大于稳态误差，则通过PID算法得到控制量，控制直流电机的转速。图10为直流电机控制系统框图程序。整个程序结构是一个while循环。其内部结构分为4个模块：数据采集模块、波形显示模块、PID控制量计算模块和电机控制模块。 数据采集模块的功能是采集直流电机电压信号。设计方法是在LabVIEW软件Function
10、s下的Input功能中选取DAQ Assistant 模块，并对该模块进行初始化，在初始化中选取数据采集通道和模拟输入电压范围（选取通道2，模拟输入电压范围0+6V).再把采集到的电压信号进行标度变化，转换成电机转速。 波形显示模块的功能是将直流电机的给定转速与实际转速实时显示出来。设计方法是将电机实际转速和指定转速用LabVIEW软件的Bundle函数将它们绑定在一起作为输入量，并输入到Waveform Chart 显示模块中。 PID控制量计算模块输入直流电机实际转速和设定转速，输出的是经过PID算法计算出的电机控制量。程序采用增量式PID算式： （2）式中：为PID调节器增量输出值；为P
11、ID调节器的比列系数；为PID调节器的积分系数；为PID调节器的微分系数；为采样序号（=0,1,2，）；为第次采样时的偏差值；为第次采样时的偏差值；为第次采样时的偏差值。 在计算控制量时，调用公式节点，并向节点输入最近3次的转速偏差和PID参数，即可由公式节点算出PID控制量。 直流电机控制分3种方式：3种电压下转速分别为500rad/min,1000rad/min,1500rad/min。在系统中控制直流电机的D/A输出量13.56V分别对应直流电机500rad/min,1000rad/min,1500rad/min3种运行状态，因此，设计软件时只要将2.5V与PID算出的控制量相加即可得到
12、实际控制量。在编程时，由于系统要求D/A的输出范围16V,因此PID算出的控制量应在-2.52.5之间，如果小于-2.5，为了满足要就，PID控制量就取-2.5；如果大于2.5，PID控制量就取2.5。NY控制电机转速控制电机转速开始数据采集转速偏差|偏差|1rad/minPID算法D/A图9 直流电控制系统程序流程图图10 直流电机控制系统框图程序3 结束语用虚拟仪器图形化编程软件LabVIEW实现对室温采集和直流电机转速控制，编程简单，用户可根据不同植物随时设置不同参数随时调整控制方式。因此具有应用价值。参考文献：1 刘宁.基于LabVIEW直流电机PID控制系统的设计J.工业仪表与自动化装置，2010.2 陈锡辉，张银鸿.LabVIEW 8.20 程序设计从入门到精通M.北京：清华大学出版社，20093陶永华.新型PID控制及其应用M.北京：机械工业出版社，2006.4王仲生，陈东.只能检测与控制技术M.西安：西北工业大学出版社，2002.
