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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
2、 temperature 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
3、电机转速的控制，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。图 1 温控系统组成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 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
4、示，计算机通过把采集的室温与所设定的实际的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
5、子 VI，即用数字万用表DMM 测得热敏电阻在常温下两端电压，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) )9578.2/ln(*)045.(RT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。图 3 室温采集程序流程
6、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
7、入采样时钟，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
8、真时才接DAQmx 开始任务，否则不开始。最后接按名称接触捆绑，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。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 通道调用 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
9、 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 while 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
10、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Functions 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
11、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）)2()1(2)()1()( kekeKkeKkudiP式中： 为 PID 调节器增量输出值； 为 PID 调节器的比列系数； 为 PID 调节器P iK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d kk)(ke次采样时的偏差值； 为第 次采样时的偏差值； 为第 次采
12、样时k)1(ke )2(e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
13、.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。图 9 直流电控制系统程序流程图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 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.
