基于LabVIEW的锅炉温度过程控制系统仿真

宋 锋 刘瑞歌

(滨洲学院机电工程系，山东 滨洲 256603)

控制系统的计算机仿真是对复杂控制系统控制效果的一种检验手段和方法，是过程控制系统设计中必不可少的环节，没有经过模拟仿真实验研究的系统是不能直接投入生产中的[1]。笔者重点介绍以经典PID控制算法为理论基础，利用LabVIEW虚拟仪器开发软件实现锅炉温度控制系统的仿真，详细说明了增量式算法的具体实现方法。

1 PID控制算法①

自20世纪30年代末期PID控制器出现以来，无论是在控制理论方面，还是在控制仪表和设备方面，都有很大的发展，它是连续控制系统中技术最成熟、应用最为广泛的一种控制器，它结构简单、可靠性强、容易实现、参数整定方便，并且可以消除稳定误差。在工业过程控制中，由于难以建立精确的数学模型，系统的参数经常发生变化，所以常采用PID控制技术，根据经验进行在线调整，在大多数情况下能够满足性能要求，获得满意的控制效果[2]。

1.1 模拟PID控制算法

PID是Proportional(比例)、Integral(积分)、Differential(微分)三者的缩写。其调节规律可以组合成P、PI、PID线性控制器，其作用是根据测量值与设定值之间的偏差值，按比例、积分、微分的函数关系进行运算形成控制量，去控制执行机构，进而影响被控对象，使对象输出趋于设定值，系统达到稳定。一般模拟PID的控制原理如图1所示。

图1 模拟PID控制原理

控制器的输出与输入之间为比例-积分-微分的关系，即：

(1)

1.2 数字PID控制算法

计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样得到的偏差值来计算控制量，而采样是一拍一拍进行的，所以在计算机控制系统中，不能直接采用式(1)来计算，必须先进行离散化处理，得到数字式PID控制算法。数字PID控制算法包括位置式和增量式PID，位置式PID的输出是全量输出，是执行机构所应达到的位置[3]，跟过去的状态有关，需要对偏差进行累计，有可能使输出大幅度地变化，这种情况是生产实践中不允许的，为此笔者采用增量式PID控制算法。PID控制系统的结构如图2所示。

图2 PID控制系统的结构框图

与位置式控制算法相比，增量式中偏差不需要累加，计算机工作量小，增量仅与最近几次误差采样值有关，对控制量的计算影响较小，容易获得较好的控制效果，同时也消除了积分饱和的危险。增量式算法为：

u(k)=u(k-1)+Δu(k-1)

=u(k-1)+KP[e(k)-e(k-1)]+KIe(k)+

KD[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]

(2)

其中，u(k-1)为上一次的控制量。

2 基于LabVIEW的仿真系统设计

2.1 虚拟仪器软件开发平台

LabVIEW是NI公司推出的一种高效的图形化编程语言，同时也是著名的虚拟仪器开发平台，它与C语言、LabWindows/CVI等文本语言的一个重要区别是：LabVIEW是基于数据流的编译型图形编程环境，开发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应用程序。同时，LabVIEW可以在不同操作系统下保持兼容，为数据的采集、仪器控制、数据分析和显示提供集成的开发工具，是面向测量与自动化领域工程技术人员的一种优秀编程平台[4，5]。

2.2 程序框图的实现

2.2.1前面板设计

笔者模拟了锅炉温度控制系统，系统前面板如图3所示，修改温度的耗散系数或者改变锅炉温度的给定值都会对系统产生扰动，通过PID自动调节使锅炉的温度稳定在给定值上。在前面板界面上可以任意改变PID参数、点击仿真开关使其处于ON状态，就会得到不同实时调节的仿真曲线。对于锅炉温度控制系统这样简单的过程控制系统，可以按照简单控制系统的整定步骤，找到合适的比例系数、积分时间常数、微分时间常数。当锅炉的温度和设定值相同时，系统趋于稳定，点击仿真开关，关闭程序，就可以记录下此时的工作状态，并能实时记录调节数据，方便保存和输出文件，拖动进度条可以查看历史调节曲线。另外，系统还具有存储功能，可以随时保存记录各个时间点的工作状态，方便观察控制效果。查看时只需选择打开文件按钮，就可找到以前存储的各种工作状态的结果。为了更好地显示调节效果和便于参数整定，对给定温度、实际温度、控制信号3种曲线使用了不同的颜色表示。温度计设定范围为1～100℃，温度的高低可以通过电热丝的不同颜色来表示。除此之外，系统还记录了实验的实时操作时间，方便管理员管理，同时也考虑了系统的仿真速度，用户可以自定义仿真速度。

图3 锅炉温度控制系统前面板

2.2.2增量式算法的实现

LabVIEW虽为图形化编程语言，但它并没有完全摒弃传统文本式编程语言的特点，而是与文本语言相结合，如Mathscript的引入和不断发展，就表明LabVIEW与文本式语言相结合，已经进入到一个新阶段。文本式编程和图形式编程相结合，已经成为LabVIEW编程发展的趋势。公式节点是LabVIEW内嵌的小型工具，主要用于简单计算。公式节点的数据类型、语法和控制结构与C语言是十分相似的。利用LabVIEW中的while循环、移位寄存器再结合公式节点就可以实现增量式PID控制算法。增量式PID控制算法公式中的e(k-1)、e(k-2)是e(k)分别延时一个和两个采样周期得到的，可以在while循环中添加两组移位寄存器来实现。该增量式PID控制算法运行速度快，系统资源占用率低，同时该控制算法的实现不用购买NI公司的PID Control Toolset工具包，也就不需要NI授权，有着很强的应用性。

2.2.3数据存储和数据回放模块

LabVIEW中提供了丰富的数据存储函数，可以根据需要把数据保存成文本文件，如.txt文本或者.xls文件，二进制文件或者波形文件。为了便于从文件中查看调节效果，本系统采用了波形文件存储。打开运行程序，点击运行按钮使其处于ON状态，根据给定温度和实际温度之间的偏差，设计好合理的比例系数、积分系数和微分系数，当系统处于稳定时，点击F2即可将生成的调节曲线并保存下来，随时可以通过事先设计好的快捷键查看此波形，以便于在调节过程中进行比较，达到更好的调节效果。另外也可以通过拖动滚动条查看历史调节曲线。

3 结束语

笔者采用增量式算法设计实现了基于LabVIEW的锅炉温度控制系统的的仿真。该系统具有人机交互界面友好、易操作和系统功能较齐全的特点。系统既能完成锅炉控制系统的参数整定，也能实时显示控制曲线，另外也包括数据的存储和打印，并能形象地通过金属丝的颜色变化显示温度的变化，能取代传统仪器进行PID控制的参数整定。该系统给实际的锅炉温度控制系统提供了理论参考，节省了硬件投资，降低了成本，具有推广应用价值。

[1] 陈曦，柳国辉，杨振兴，等.基于LabVIEW的过程控制系统仿真[J].河北工业大学学报，2009，38(5)：77～80.

[2] 范立南，李雪飞.计算机控制技术[M].北京：机械工业出版社，2009.

[3] 吴强，韩震宇，李程.基于增量式PID算法的无刷直流电机PWM调速研究[J].机电工程技术，2013，42(3)：63～65.

[4] 何光亚.基于PXI总线的QPSK解调模块设计[D].成都：电子科技大学，2007.

[5] 祁春.基于虚拟仪器技术的抽油机测试系统研究与开发[D].武汉：武汉理工大学，2009.