引言
LabVIEW是NI公司的虛擬儀器集成環(huán)境。它發(fā)展到現(xiàn)在的LabVIEW8.5版本，已經(jīng)充分體現(xiàn)了軟件就是儀器的概念。使用LabVIEW提供的VISA可以對串行設備、GPIB設備、VXI設備進行控制。而且通過使用這些通信總線可以使計算機測試過程中很好地完成測試儀表的工作,更把計算機在過程控制中運算快、精度高等優(yōu)勢發(fā)揮的淋漓盡致。
在現(xiàn)在的LabVIEW版本中，為了配合工業(yè)儀器的控制需要,該軟件專門提供了一個控制模塊。該模塊中包含了在工業(yè)控制領域廣泛使用的、現(xiàn)在比較先進的兩大控制模型：PID控制模型和模糊控制模型。其中在PID控制模型中包括了普通PID控制模塊、PID增益控制模塊、PID超前滯后控制模塊、PID輸出比例限制模塊、高級PID控制模塊、PID參數(shù)自整定模塊等。本文針對虛擬儀器中的PID進行了研究，探討了虛擬儀器在過程控制中的應用模式。
1 虛擬儀器控制儀表的引入方式
虛擬儀器在過程控制中的應用模式可以分為兩種,一種是以虛擬儀器為控制器的方式進行測溫系統(tǒng)的閉環(huán)過程控制；另一種是利用虛擬儀器輔助常規(guī)儀器進行溫度系統(tǒng)閉環(huán)控制。兩種控制模式都釆用基于PID算法的控制方式。
PID控制算法不依賴被控對象的模型參數(shù)，也不需要考慮外界施加給系統(tǒng)的干擾，因而具有很強的穩(wěn)定性，并在過程控制系統(tǒng)中得到了廣泛應用。PID的數(shù)學模型如下：
式中：P(t)為調節(jié)器輸出；e(t)是調節(jié)器的偏差信號，其值為測量值與給定值之差；KP為調節(jié)器比例系數(shù)；TI為調節(jié)器積分時間；TD為調節(jié)器微分時間；
在描述連續(xù)系統(tǒng)的微分方程時，應由離散系統(tǒng)的差分方程來代替。用差分方程對(1)式進行處理時,其積分項和微分項可用求和及增量式表示：
將式(2)和式(3)帶入式(1),即可得到離散的PID表達式：
式中△t=T1表示采用周期；F3)為第"次采用時計算機的輸出；e(”)為第”次采樣時的偏差，它等于測量值與給定值之差；e(n—1)為第兒一1次釆樣時的偏差。也為采樣序號，"=0,1,2,......
通常把式(4)稱為PID的位置控制算式。由式(4)可以看出，要想計算P(n),不僅需要本次與上次的偏差信號e(n)和e(n-l)，而且還要把歷次的偏差信號e(j)進行相加。
Kp、TI、TD分別為比例、積分、微分的3個參數(shù),通常應在程序初始化或在每次執(zhí)行PID子程序前設定完成以供調用。積分環(huán)節(jié)主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。它對誤差進行積分，對系統(tǒng)控制有一定的滯后作用，積分作用過強會造成系統(tǒng)超調增大,甚至造成振蕩。在常規(guī)PID中，為防止積分飽和，常將積分環(huán)節(jié)分離出來，當偏差減小到一定范圍時，才加入積分環(huán)節(jié)。
2 虛擬儀器作為主控制器的控制模式
在以虛擬儀器為主控制器的方式進行測溫系統(tǒng)的閉環(huán)過程控制中，通常將下位機的常規(guī)儀器作為虛擬儀器的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)輸出通道，從而使虛擬儀器通過傳統(tǒng)儀器連接到整個控制系統(tǒng)中。
為完成上面所述的第一種控制模式，可在PC機中使用LabVIEW編寫恒溫控制軟件。在軟件中可使用LabVIEW提供的控制工具包中的PID模塊包所提供的PID算法，將采集上來的數(shù)據(jù)送入PID運算模塊。之后，再將該模塊的輸出轉化成可以和PWM占空比對應的時間參數(shù)下傳給MCU控制系統(tǒng)。再由MUC控制系統(tǒng)根據(jù)這個參數(shù)產(chǎn)生適合的PWM波形來控制加熱裝置的加熱。其系統(tǒng)框圖如圖1所示。
3 虛擬儀器輔助常規(guī)儀器的控制模式
在使用虛擬儀器輔助常規(guī)儀器進行溫度控制模式下,可由常規(guī)儀器進行溫度采集和運算，并根據(jù)運算的輸出結果確定輸出的PWM占空比。在此過程中，要將采集來的數(shù)據(jù)送入虛擬儀器，由虛擬儀器完成數(shù)據(jù)的圖形化和記錄功能，然后由虛擬儀器根據(jù)所得到的數(shù)據(jù)對所使用的PID參數(shù)自整定模塊對PID參數(shù)進行自整定。最后將整定好的參數(shù)設置到常規(guī)儀器中，再以此方法提高常規(guī)儀器的控制功能。系統(tǒng)框圖如圖2所示。
4 引入虛擬儀器的控制效果對比
在以上兩個溫控系統(tǒng)模式制作完成后，可以通過試驗來對控制效果進行比較。在沒有把虛擬儀器引入過程控制的反饋回路中時，使用虛擬儀器記錄的曲線如圖3所示，其中2個數(shù)據(jù)點之間的時間間隔為5s,所以，整個控制時間為5000s。
控制過程中所設定的溫度為100°C,過沖溫度為35°C左右，超調量為0.35%,調節(jié)時間1500s。穩(wěn)態(tài)誤差3°C。由圖2可見，其溫度曲線前2000s波動范圍較大，存在一定的振鈴現(xiàn)象。
將虛擬儀器引入整個控制系統(tǒng)后,使用虛擬儀器作為主控制器模式進行控制，其整個系統(tǒng)的控制精度得到了很大幅度的提升。虛擬儀器所記錄的曲線如圖4所示，圖中2個數(shù)據(jù)點之間的時間間隔為5s,所以，整個控制時間也為5000s：
該控制過程中所設定的溫度為100°C，過沖溫度為10笆左右，超調量0.1%,調節(jié)時間1000s以下。穩(wěn)態(tài)誤差為1.5°C(加熱環(huán)境開放，加熱環(huán)境封閉可更精確)。由圖4可見,其溫度曲線前1000s存在波動,但與圖3相比，可以有效抑制振鈴現(xiàn)象。
在模式二下，即使用虛擬儀器輔助常規(guī)儀器閉環(huán)控制工作、記錄數(shù)據(jù)、整定參數(shù)后，其常規(guī)儀器的控制曲線如圖5所示其中2個數(shù)據(jù)點之間的時間間隔亦為5s,所以，整個控制時間也是5000s)：
該控制過程中所設定的溫度為100°C,過沖溫度為35°C左右，超調量為0.15%,調節(jié)時間為1000s以下。穩(wěn)態(tài)誤差為1.7笆(加熱環(huán)境開放，加熱環(huán)境封閉可更精確)。溫度曲線前1000s有波動，也存在小的振鈴現(xiàn)象。但與圖3相對比，可以很清晰的看到，在傳統(tǒng)的控制儀器中引入了虛擬儀器后，其控制效果得到了不錯的提高。以前面所做的控制溫度描繪的曲線為例，可以有效的縮短了傳統(tǒng)儀器的響應時間和穩(wěn)態(tài)誤差。超調量也減小了，同時振鈴現(xiàn)象得到了非常有效的抑制。
5 結語
使用MCU組成的傳統(tǒng)儀器結構緊湊，編程靈活,設計周期短。而花在加上組合使用虛擬儀器技術所編寫的過程控制軟件后，又給系統(tǒng)的開發(fā)與集成帶來了極大的益處，同時大幅度的縮減了開發(fā)周期，提高開發(fā)質量。通過以上實驗結果對比，可以很明顯的看出，使用虛擬儀器軟件和常規(guī)儀器的組合應用可以有效地提升控制精度和調節(jié)時間，并在很大程度上減小了過程給整個控溫系統(tǒng)帶來的溫度曲線振鈴現(xiàn)象。
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