基于labview的液面控制系统设计

【摘 要】 labview软件使用流程图编程，具有开放性，模块化，可重复性、互换性等特点，并且与外部硬件连接方便，可以实现实时控制，进行硬件在环仿真实验。

【关键词】虚拟仪器；labview；硬件在环；时滞；预测控制；动态矩阵

labview是一种程序开发环境，与其他计算机语言的显著区别是，labview软件使用流程图编程，具有开放性，模块化，可重复性、互换性等特点，并且与外部硬件连接方便，可以实现实时控制，进行硬件在环仿真实验。

一、液位控制系统建立

整个液位控制系统由控制器、电动调节阀、上水箱、中水箱、下水箱和液位变送器模块等组成。控制器的输出量用于控制电动调节阀的开度。

1.液位控制系统的控制目标

水箱的液位变化范围为H=0～200mm，要求通过设计合适的控制器，能使下水箱的液位稳、准、快的稳定在给定的液位上，稳态液位误差不超过5mm。当水箱发生扰动（正扰动或者负扰动）时，被控量能迅速恢复到系统原来所要求的液位值。

2.液位被控对象模型

该系统是由三个单容水箱组成，其中每一个水箱对象为一个一阶惯性环节，且具有自平衡性。我们的目的是控制下水箱的液位，被控系统是由三个水箱的串联则组成。给调节阀一个阶跃输入信号，测量系统的阶跃响应曲线。

可见τ/T接近0.3系统存在时滞现象，所以该系统是一个具有时滞的液位控制系统。由于系统就有时滞特性，并且模型是可变的，存在干扰，为了达到良好的控制效果，普通的PID控制算法是满足不了要求的。鉴于预测控制的特点，我们选用预测控制算法进行液位控制。

二、液位测控系统的硬件组成

控制算法的实现是以实际控制系统的建立为基础。因此在设计控制算法程序之前，应该根据实际控制系统的需要以及性能价格比选择合适的控制硬件组成实际的控制系统，并分析被控对象的动态特性，达到一定的控制目的。

三、液位测控平台的软件介绍

1.虚拟仪器简介

与传统仪器相比，虚拟仪器具有更大的开放性，模块化，可重复性、互换性等特点。使用户在操作计算机时，如同在操作自己定义的仪器，可以方便灵活地完成对被测试测量的采集、分析、判断、显示及数据存储等，是一种基于计算机虚拟原型系统的全新的科学研究与工程设计方法。

2. labview软件介绍

labview是美国国家仪器公司（NI）的产品，labview是一个开放式的开发环境，用户可以将其与任何测量硬件轻松连接。labview的交互式测量助手（assistant）、自动代码生成以及与成千上万个设备的简易连接功能，使它能够如此轻而易举地完成数据的采集和输出，进行硬件在环实验，能够实现实时控制。labview使用图形化的程序语言进行流程图编程，程序还可以生成可执行文件，脱离labview环境直接运行，为程序员节省了大量的时间和精力。labview是一个面向最终用户的工具，使用它进行控制理论的研究，系统的软件设计，可以大大提高工作效率。labview的四大优势在于：性能高、扩展性强、开发时间少，以及出色的集成功能：

3. labview的运行机制

labview应用程序的构成：

所有的labview应用程序，即虚拟仪器（VI），它包括前面板（front panel）、流程图（block diagram）以及图标z连结器（icon/connector）三部分。

（1）前面板。前面板是图形用户界面，也就是VI的虚拟仪器面板，这一界面上有用户输入和显示输出两类对象，具体表现有开关、旋钮、图形以及其他控制（Control）和显示对象（indicator）。

（2）流程图。流程图提供VI的图形化源程序。在流程图中对VI编程，以控制和操纵定义在前面板上的输入和输出功能。流程图中包括前面板上的控件的连线端子，还有一些前面板上没有，但编程必须有的东西，例如函数、结构和连线等。

（3）图标/连接器。VI具有层次化和结构化的特征。一个VI可以作为子程序，这里称为子VI（subVI），被其他VI调用。图标与连接器在这里相当于图形化的参数，这里不做详细介绍。

四、液位测控系统的软件设计

该液位控制系统主要是基于THJ-2型远程过程控制装置。整个液位被控系统的结构是由电动调节阀、液位变送器、水箱等模块组成。我们要完成的系统各个部分的软件的连接，和对数据的实时显示，处理等等：其中包括设计ICP-7017采集卡、ICP-7024输出卡与labview软件的数据通讯接口数据存储模块、显示模块、控制策略模块。方便的对各种控制方法进行理论研究和硬件在环实验。

1.数据通讯接口模块设计

A/D变换是数字仪表的最基本环节，在windows环境下用软件对其控制，也就是为A/D模拟数字转换编写相应的驱动程序，实现A/D模拟数字转换硬件与虚拟仪器的接口通讯。根据实际需要设计的数据采集器与labview的连接，就是动态测试虚拟仪器研制要解决的关键技术之一。

2.数据的存储模块设计

labview中有一组功能强大、伸缩性强的文件处理工具。他们不仅可以读写数据，完成测试数据的存储与回放功能，而且能够进行一些常见的文件管理功能，如文件与目录的新建、复制、删除、移动、重命名等。labview中可以采用五种文件格式存储或读取数据：ASCII字节流、二进制字节流、LVM文件格式、TDM文件格式、ActiveX方式调用Word生成报表文件。

3.数据显示模块设计

图形显示对于虚拟仪器面板设计是一个重要的内容。labview为此提供丰富的功能。在labview的图形显示功能中Graph和chart是两个基本的概念。一说来Chart是将数据源在某一坐标系中，实时、逐点地显示出来，它可以反被测物理量的变化趋势。而Graph则是对已采集数据进行事后处理的结果。先将被采集数据存放在一个数组之中，然后根据需要组织成所需的图形显示来。

五、结论

基于Labview的硬件在环仿真控制实验平台具有计算机强大的数据处理能力，界面操作方便，可以方便的进行实时的数据处理，其不仅仅局限应用于测试领域，必将被越来越多控制工程领域的设计者所应用。基于labview的测控系统存在的不足和需要进一步研究之处：

（1）Labview软件使用流程图编程，各种函数模块化，某些场合下程序不是最优的，影响程序的执行速率，需要解决优化程序问题

（2）目前Labview只适合在计算机，和少数的单片机中使用，需要对labview的嵌入式做进一步的研究

（3）本文设计的动态矩阵控制属于预测控制非参数模型的一种方式，适合计算机控制，相对于模型控制的计算量大，不适合应用在在对控制速度要求高的场合。

（4）对于模型的预测是离线进行的，不能在线辨识。当模型变化比较大的时候控制效果会受到影响。

参考文献：

[1] 戴鹏飞，王胜开，王格芳.测试工程与Labview应用，电子工业出版社，2006.

[2] 张毅，周绍磊，杨绣侠.虚拟仪器技术分析与应用，机械工业出版社，2004.

[3] 应怀樵，虚拟仪器技术的现状与发展趋势，国外电子测量技术，2002年第二期.

[4] 刘延斌，金光.半实物仿真技术的发展现状，光机电信息，2003年第l期.

[5] 杨乐平.Labview高级程序设计，清华大学出版社， 2003.

[6] 张凯，周随，郭栋.Labview虚拟仪器工程设计与开发，国防工业出版社，2004.