基于LabVIEW水温专家PID控制系统设计与实现

吴育声（李锦记（新会）食品有限公司，广东 江门 529156）

基于LabVIEW水温专家PID控制系统设计与实现

吴育声
（李锦记（新会）食品有限公司，广东 江门 529156）

水温是工业上常见的控制对象之一，因其具有大惯性、大滞后等特点，如果控制系统在快速性、准确性等方面要求较高情况下，控制起来将会有一定困难。混合器水温控制系统以虚拟仪器开发工具LabVIEW作为开发平台，采用专家PID控制算法对水温进行控制，控制结果表明基于LabVIEW水温专家PID控制具有良好的控制效果。

LabVIEW；混合器水温；专家PID控制

1　LabVIEW概述

LabVIEW是美国国家仪器公司（NATIONAL INSTRUMETS，简称NI）开发的一款具有图形化编程特点的软件，全称是Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench（中文名称：实验室虚拟仪器工程平台）。由于LabVIEW采用数据流图编程，与其它文本编程语言比较，它只需使用图标便能代替文本行进行创建应用程序，因而更简单、快捷，同时其还拥有处理工程上复杂的计算和分析等强大功能，因而受到广泛的应用和普及。

2　混合器水温控制系统设计简介

混合器水温控制系统设计示意图如下图1所示，系统由混合器、热水泵、冷水泵、变频器1、变频器2、温度传感器、采集卡（研华PCI-6014）及PC机等组成。系统是以混合器内的水温为控制对象，由PC机上安装的采集卡采集混合器内的温度传感器信号及输出电压信号控制变频器的频率以调节流入混合器的冷、热水量从而实现水温的控制。

图1　水温控制系统示意图

3　专家PID控制

3.1PID控制原理与算法

在工程实际应用中，PID由于原理简单、使用方便、鲁棒性强、适应性广等优点被广泛使用，其控制规律如下：

式中，U输出控制值；KP比例系数；e偏差信号；TI积分时间常数；TD微分时间常数。基于虚LabVIEW的控制是一种采样控制，因此还需对上式进行数字化，数字化后的增量式PID控制算法如下：

式中，U（k）为第k个采样时刻的输出控制值；k为采样序号，k=1，2，....；e（k）为第k个采样时刻的偏差信号；KI=KPT/TI积分系数；KD=KPT/TD微分系数。

3.2专家PID控制原理与算法

专家PID控制实质是利用专家的知识和经验来设计PID参数，以实现对控制对象的最优控制。对混合器水温控制系统来说，首先分析对热水泵专家PID控制（冷水泵控制原理相同）可能出现的几种情况及应对策略。

（1）若e（k）≥M1，表明混合器水温设定值与实际值偏差很大，控制器应按最大输出控制，以使偏差尽快减少。对于混合器水温控制系统来说，电机由变频器控制，而变频器又是由采集卡的模拟输出通道控制，采集卡的模拟输出最大值为5V，故UMAX=5 V 。

（2）若M2≤e（k）＜M1、△e（k）≥0，表明偏差值较大，并且偏差值还朝增大或保持不变方向发展，此时控制器应按较强的控制输出才能使偏差尽快减少，则：

（3）若M2≤e（k）＜M1、△e（k）＜0，表明偏差在减少，但偏差值还是较大，控制器可按一般强度的控制输出，则：

（4）若e（k）＜ M2、△e（k）≥0 ，表明偏差很小，但偏差在朝增大或不变的方向发展，控制器可按较弱强度输出，则：

（5）若e（k）＜ M2、△e（k）＜0 ，表明偏差很小，并且偏差在朝减少方向发展，控制器可按较弱输出，则：

（6）e（k）≈0，表明偏差基本没有，系统已基本处于平衡状态，控制器输出可保持不变，则：

上式中，△e（k）=e（k）-e（k-1）；K1增益放大系数（K1＞1）；K2抑制系数（0＜ K2＜1）；

M1设定的较大误差界限；M2设定的较小误差界限。

3.3专家PID控制程序与控制界面设计

根据上面专家PID控制算法，通过调用LabVIEW的公式节点，将专家PID控制的程序代码写入即可。如图2所示是专家PID控制的总程序代码图。

3.4运行结果

混合器水温控制系统运行结果如下图3所示，由图可见基于LabVIEW水温专家PID控制具有良好的控制效果。

4　结语

混合器水温控制系统以虚拟仪器开发工具LabVIEW作为开发平台，采用专家PID控制算法对水温进行控制，其良好的控制效果表明虚拟仪器技术在测控领域具有极大的优势，可为广大工程技术人员带来更简单、快捷、高效的程序开发环境，同时也能对控制系统的质量有所改善。

图2　专家PID控制总程序图

［1］周求湛，钱志鸿，刘萍萍，戴宏亮. 虚拟仪器与LabVIEWTM7 Expresst 程序设计［M］. 北京： 北京航空航天大学出版社，2004.

［2］刘金琨.先进PID控制及其MATLAB仿真［M］. 北京： 电子工业出版社，2003.

图3　温控制系统运行结果

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.14.249

吴育声（1981-），男，广东肇庆人，本科，机电工程师，主要从事机电工程设计、安装与管理工作。