基于LabVIEW平台的可配置过程控制教学实验系统

白 杰， 潘常春， 杜文曾， 李少远

(上海交通大学 电子信息与电气工程学院， 上海 200240)



基于LabVIEW平台的可配置过程控制教学实验系统

白 杰， 潘常春， 杜文曾， 李少远

(上海交通大学 电子信息与电气工程学院， 上海 200240)

针对实验室过程控制实验教学系统学生可操作性差的不足，设计了基于LabVIEW平台的可配置过程控制教学实验系统，首次将NI公司开发的数据采集卡NI-myDAQ应用于构建实际对象的过程控制，搭建了半物理的液位过程控制实验教学系统。利用NI-myDAQ数据采集板卡将计算机与液位实验装置相连接，利用计算机上的LabVIEW软件平台实现了液位过程的辨识与控制器设计，并通过控制实际的液位对象来验证控制器的性能。该实验系统要求学生必须掌握“过程建模-控制器设计”一体化方法，能够提升学生对过程控制的理解，训练学生控制器设计方面的工程创新能力。

过程控制教学实验; 液位控制系统; LabVIEW平台

0 引 言

在工业实际生产中，过程控制系统在石油、化工﹑环保﹑水处理﹑冶金等行业具有重要的作用[1]。因此，过程控制是自动化专业中一门专业性和实践性较强的课程。过程控制的学习需要实验教学的配合[2]，否则就难以达到理想的效果。以往的过程控制实验室装置[3-7]的实验环节比较单一，控制器的结构是固定的，实验多以验证性项目为主，学生只能通过调节控制器参数来观察过程控制装置的输出性能。另一方面，完全基于虚拟仪器的过程仿真系统尽管可以设计多种控制器[8-10]，但是没有实际的过程控制对象只能进行全数字仿真，这就缺少实际过程的体验，对控制器性能的验证停留在仿真的层面上，这将造成学生对过程控制理论知识与实践操作的割裂。这不利于培养学生的创新能力和主动性。

针对已有实验系统的缺点，自动化系本科教学实验室搭建了基于NI公司LabVIEW虚拟平台，联合myDAQ数据采集装置构建了半物理的液位过程控制实验系统，通过myDAQ将计算机与液位装置相连接，在计算机上将控制器的设计完全开放，采用LabVIEW[11]的软件平台设计控制器，主要实验流程包括：① 采集实际输入输出数据，进行过程模型的辨识；② 针对辨识的过程模型，设计控制器，最后进行物理仿真。所以该实验系统将系统模型的辨识和控制器设计完全串联起来，并且执行机构的延迟效应和传感器的漂移特性均对系统的输出产生实际的影响，相比较纯计算机仿真的实验过程，这些扰动是实例化的，将会加深学生对过程控制理论的实际应用影响，提升学生的研究兴趣，增强学生的创新能力。

1 液位控制实验系统原理与组成

该实验平台属于典型的计算机过程控制系统，图1给出了其基本的框架结构。

该系统由过程对象单容水箱、NI-myDAQ数据采集板卡和计算机组成。单容水箱的液位值经智能变送单元变换后，连接到myDAQ的输入端口。计算机通过NI-myDAQ采集液位数值并由LabVIEW做进一步处理。根据控制液位要求，计算机发出的控制液位命令经由myDAQ去控制电动调节阀，进而调节水箱的进水量。配以PID或其他控制算法，实时改变水箱的液位，可以完成对水箱液位的自动控制。然后由NI公司提供的数据采集板卡myDAQ为输入、输出数据接口来连接控制器和控制对象，其中NI-myDAQ的端子连接I/O图的外观如图2所示[12]。

由于MyDAQ是连接PC机和控制对象的重要枢纽，所以其接线的信息定义极其重要，表1中给出了具体的连接信息定义。

表1 液位控制系统的myDAQ输入、输出信息定义

下面就实验系统中具体的装置进行介绍：

(1) 液位装置组成。本实验平台所采用的水箱系统为单容水箱液位控制系统。水箱有一个进水管和一个线性出口阻力板，进水管有一个开关阀门控制通断。此外系统有一个抽水泵负责注水，抽水泵后有一个可控制开度的阀门，负责控制进水管的流量大小。同时水箱有一个液位检测传感器用来测量液位。所有输入输出数据通过NI-myDAQ与计算机相连，通过计算机上的LabVIEW平台来对水箱系统进行控制。

(2) 执行器与检测装置。液位实验系统中的执行器主要用来调节进水的流量，包括了，2个381LSA电子式电动执行器：以220 V交流单相电源作为驱动电源，接受来自计算机调节器(+10～-10)输入信号来运转的全电子式执行机构。检测装置为SWP-T20X压力传感器，经过A/D转化后经由NI myDAQ数据采集板卡传送至PC机。

(3) LabVIEW控制器。实验过程中控制器的设计是开放的，操作人员可以在PC端LabVIEW平台上完成液位过程的辨识与控制器设计。

2 实验过程与结果分析

本实验过程主要包括2个部分：① 对于控制对象—单容水箱的过程建模；② 基于所建立过程模型的控制器设计。

2.1 过程辨识实验

单容水箱构成如图3所示[1]。

其主要动力学过程如下：

(1) 进水量Qi由调节阀控制，出水量Q0则由用户通过闸板开度来改变。被调量为水位H。分析水位在调节阀开度扰动下的动态特性。

(2) 直接在调节阀上加定值电流，从而使得调节阀具有固定的开度(可以通过智能调节仪手动给定，或者AO模块直接输出电流)。

(3) 调整水箱出口到一定的开度，突然加大调节阀上所加的定值电流观察液位随时间的变化，从而可以获得液位数学模型。

根据图3单容水箱建立方程，可通过物料平衡推导得：

其中，F是水槽横截面积。在一定液位下，考虑稳态起算点，公式可以转换成：

因此，引入两个参数：

如果对不包含纯延时环节的系统进行分析，则单容水箱液位数学模型可以表述为：

当过程具有纯时延环节时，则传递函数为：

当输入为阶跃信号时，Qi(s)=R/S，因此

在不考虑延时信号的情况下，

可以采用阶跃响应法来求取水箱时间常数T。

给定系统一个阶跃输入信号，由MyDAQ采集液位传感器上得到的液位信号，在搭建好的LabVIEW平台上可以得到单容水箱液位阶跃响应曲线，如图4所示。

图4 单容水箱液位阶跃响应数据采集界面与响应曲线

使用Matlab的cftool辨识工具箱对实验采集到的数据进行拟合，由拟合直线可知，该过程控制对象的参数如下：τ=10.912,T=121.353。根据上述结果，我们可以得到单容水箱的具体参数，从而得到传递函数：

注：液位过程是可变化的，通过水箱中一些隔水挡板可以变换液位过程的参数。

2.2 控制器设计

在本实验系统中，控制器的设计是开放的，操作人员可以在LabVIEW上自主设计控制器对实物水箱系统进行控制。如图5所示液位控制系统的原理框图，我们以PID控制器设计为例进行演示说明。

PID控制器[1]是一种线性负反馈控制器，根据给定值r(t)与实际值y(t)构成控制差：

PID控制规律为：

或以传递函数形式表示：

式中：Kp为比例系数；Ti为积分时间常数；Td为微分时间常数。

LabVIEW提供了PID.VI模块、数值运算模块以及循环语句模块[13]。通过调用这些模块，可以方便快捷地设计PID控制器，此外为了更好地展示控制系统的动态效果，在LabVIEW上设计了一个液位控制系统操控界面。操作人员可以设定预期液位值，并且实时观测水箱液位值的情况。通过调节PID参数，观察不同参数对水箱控制效果的影响。在本例中演示实验中，如图6所示，液位设定值为40 mm，水箱初始液位值为20 mm，PID参数依次设定为20、0.001、0.015。实验过程中，LabVIEW将控制信号传递给水量调节阀，对水箱入水量进行控制，进而达到控制水箱液位的目的。结果显示水箱液位在50 s左右时达到预期液位值40 mm，控制效果稳定。修改控制参数后，可以对控制性能进行对比。

图6 基于Labview的液位控制系统实验系统界面(左)与PID控制控制器流程图(右)

3 结 语

利用虚拟仪器LabVIEW进行过程控制系统的仿真，不仅能实现液位控制，还可以对温度、压力、流量等过程控制中的参数进行仿真。除了数字PID控制，还可以任意改变PID参数对控制对象进行过程控制、观察结果、分析各参数对控制效果的影响，而且集成测量系统的软件部分具有易维护和易修改的优点，可将其应用到工业生产控制当中，实现控制复杂的生产过程．另外用LabVIEW开发的仿真系统用户控制界面友好，相对于传统仪器对结果的分析及对比更加直观；可以方便地扩展，应用于不同的控制对象，并进行多种控制算法的研究，大大节省了硬件设备的资金投入。实际试用表明，效果良好。LabVIEW图形化的编程语言结合NI公司数据采集板卡，可以快速设计控制器，扩展了过程控制实验装置的功能，具有设计灵活，开发周期短，人机交互界面良好的特点。在该实验平台上也可以进行其它控制算法(如模糊控制[14]、模糊PID控制[15-16])和复杂控制系统(双回路控制系统、前馈—反馈控制系统、比值控制系统)的实际应用，有助于相关专业的学生对不同控制算法性能的深化理解，提高实际动手能力。

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[16] 李 岩. 模糊PID控制在液位控制中的应用[D]. 合肥：合肥工业大学，2008：11-15.

A Configurable Teaching Experiment System for Process Control Based on LabVIEW Platform

BAIJie,PANChang-chun,DUWen-zeng,LIShao-yuan

(School of Electronic Information and Electrical Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China)

A new configurable teaching experiment system for process control is developed based on LabVIEW platform to overcome the shortcomings of existing ones. This is the first try to use the NI Data acquisition card—myDAQ to construct a teaching experiment system for process control. This experiment is actually a semi-physical system for liquid level control. With NI-myDAQ the personal computer can communicate with a real liquid equipment so that students can perform process identification and design various controllers using LabVIEW. The performance of different controllers can be validated directly by application to a real process while in existing teaching experimental system students can only do limited operations, such as adjusting some parameters or just conducting completely virtual and numerical simulations. Therefore, the new designed experimental system can meet the demands for developing controllers for a real process and so it can significantly improve the capability for their comprehension and creativity in process control.

process control teaching experiments; liquid level control; LabVIEW platform

2015-06-03

国家自然科学基金青年科学基金项目(61304214; 61203178); 国家“211工程”三期实验室专项资金资助

白 杰(1980-)，男，河北邯郸人，博士，讲师，从事过程控制教学与控制工程研究。

Tel.：021-34207482; E-mail：baijie@sjtu.edu.cn

TP 273.3

A

1006-7167(2015)12-0097-04