毕业设计（论文）-基于虚拟仪器的液位控制系统设计.doc

贵州大学本科毕业论文（设计）第I页目录摘要.Abstract.IV第一章绪论.11.1引言.11.2课题背景.11.2.1虚拟仪器技术的国内外发展现状.11.2.2虚拟仪器技术发展趋势.21.3虚拟仪器的开发软件.41.3.1虚拟仪器的开发语言.41.3.2图形化虚拟仪器开发平台Labview.51.3.3基于Labview平台的虚拟仪器程序设计.61.4本设计所做的工作.7第二章系统设计理论及硬件平台.82.1数据采集理论.82.1.1数据采集技术概论.82.1.2采集系统的一般组成.102.1.3传感器.102.1.4信号调理.102.1.5输入信号的连接方式.102.1.6选择合适的测量系统.122.2PID控制理论.132.2.1控制规律的选择.142.3数据采集卡的选择.172.3.1数据采集卡的主要性能指标.172.3.2数据采集卡(DAQ卡)的组成.182.3.3PCI-1710HG数据采集卡.182.4PC机.192.5液位控制对象.20贵州大学本科毕业论文（设计）第II页2.6本设计的信号流程图.22第三章系统软件设计.243.1程序模块化设计概述.243.1.1软件系统的模块化设计原则.243.1.2本设计的软件系统模块划分.263.1.3系统总体程序流程图.273.1.4设计过程中的量程变换.283.2系统各模块应用程序.283.2.1数据采集与输出程序.283.2.2PID控制算法程序.293.2.3数据保存程序.293.2.4历史数据读取程序.30第四章系统软件的具体实现.314.1系统监控界面.314.2实验步骤及其调试结果.314.3历史数据读取.33第五章总结.34参考文献.36致谢.37附录.38贵州大学本科毕业论文（设计）第III页基于虚拟仪器的液位控制系统设计摘要虚拟仪器VI（VisualInstrument）正在成为当今世界流行的一种仪器构成方案，它把计算机平台与具有标准接口的硬件模块及开发测试软件结合起来构成系统。虚拟仪器系统利用了计算机系统的强大功能，大大突破了传统仪器在数据采集、处理、显示、存储等方面的限制，用户可以自由定义，自由组合计算机平台、硬件、软件以及完成系统功能所需的附件，可以方便的对其进行维护、扩展、升级，因此“SoftisInstruments(软件就是仪器)的观念正逐步被人们接受。本设计采用PCI-1710多功能数据采集卡，运用虚拟仪器进行实验水箱液位控制系统的设计。该系统具有数据实时采集、采集数据实时显示、存储和对水箱液位进行单回路或串级PID控制，并通过数据采集卡输出控制信号对液位信号实时控制等功能。本设计是虚拟仪器在测控领域的一次成功尝试。实践证明虚拟仪器是一种优秀的解决方案，能够高效的实现各种测控任务。关键字：虚拟仪器，液位控制，PCI-1710，PID，Labview贵州大学本科毕业论文（设计）第IV页liquid-levelcontrolsystemdesignBasedontheVisualinstrumentAbstractNowadaystheVisualInstrument(VI)isbecomingapopularschemeofinstrumentsconstitution.Itcombinesthecomputerplatformwithstandardinterfacehardwaremodulesanddevelopstestingsoftwaretoformasystem.Utilizingthepowerfulfunctionofcomputersystem,thevisualinstrumentsystemhasdramaticallybrokenthroughthelimitationoftraditionalinstrumentsindataacquisition,processing,displaying,storage,etc.Theusercannotonlyfreelydefineandcombinethecomputerplatform,hardware,softwareandtherequiredaccessoriestocompletesystemfunctions,butalsomakemaintenance,expansionandupgrading.Thereforepeoplegraduallyaccepttheconceptionthatsoftwareistheinstrument.ThisdesignusesthePCI-1710multi-functiondata-acquisitioncardandvisualinstrumenttodevisethecontrolsystemoftheexperimentalwatertanksliquidlevel.Thissystemhasthefunctionsofreal-timedataacquisition,real-timedatadisplayingandstorage,asingle-looporcascadePIDcontrolofthewatertanksliquidlevel.Besides,itcanoutputthecontrolsignalthroughthedata-acquisitioncardtoareal-timecontroloftheliquidlevel,etc.Thisdesignisasuccessfulattemptofthevisualinstrumentsinthetestingandcontrollingfield.PracticeprovesthattheVisualInstrumentisanexcellentsolutiontoefficientlyfulfillvarioustestingandcontrollingtasks.Keywords:Visualinstrument,Liquid-levelcontrol,PCI-1710,PID,Labview贵州大学本科毕业论文（设计）第1页第一章绪论1.1引言测控技术与仪器实验室有5套液位控制实验装置，但这些控制装置目前都是用传统模拟仪表进行控制。为了在这些实验装置上进行开展研究性实验，必须先将这些实验装置改造为由计算机进行液位检测和控制。虚拟仪器VI（VisualInstrument）正在成为当今世界流行的一种一起构成方案，它把计算机平台与具有标准接口的硬件模块及开发测试软件结合起来构成系统1。工业液位控制中,常常用到液位控制。在这些控制中，最重要的参数是液位，因此有必要对液位控制进行自动的、实时的监控。过去通用的方法是由工作人员分班定时监测液位计的指示值,将指示值与规定液位数值比较,并算出两者的差值,根据液位变化大小作出判断、控制阀门的开度大小。其弊端是定时查看缺乏实时性,不能对系统中的突发事件进行及时地处理；不能排除人为发生错误的因素,如记录时的误读和误记等2。所以,本毕业设计要设计一套实时、自动的液位控制监控系统，并充分引入虚拟仪器的概念,使所设计的监控系统结构清晰、概念简单。1.2课题背景1.2.1虚拟仪器技术的国内外发展现状虚拟仪器VI（VisualInstrument）正在成为当今世界流行的一种一起构成方案，它把计算机平台与具有标准接口的硬件模块及开发测试软件结合起来构成系统。虚拟仪器在国外已经比较成熟了，由于其很强的灵活性，使得该技术适用于现代复杂的测试测量系统中。近几年，虚拟仪器技术在国内的发展势也越来越受到重视3。而虚拟仪器系统利用了计算机系统的强大功能，大大突破了传统仪器在数据采集、处理、显示、存储等贵州大学本科毕业论文（设计）第2页方面的限制，用户可以自由定义，自由组合计算机平台、硬件、软件以及完成系统功能所需的附件，可以方便的对其进行维护、扩展、升级，因此“SoftisInstruments(软件就是仪器)的观念正逐步被人们接受3。现代计算机技术和信息技术的迅猛发展，也冲击着国民经济的各个领域，也引起了测量仪器和测试技术的巨大变革。自从1986年美国国家仪器公司(NationalInstrumentsCorp，简称NI)提出虚拟仪器的概念以后，虚拟仪器由于其性价比、开放性等优势迅速地占领了市场。虚拟仪器技术最核心的思想，就是利用计算机的硬/软件资源，使本来需要硬件实现的技术软件化（虚拟化），以便最大限度地降低系统成本，增强系统的功能与灵活性4。1.2.2虚拟仪器技术发展趋势虚拟仪器是微电子、通信、计算机等现代科学技术高速发展的产物。自从1785年库仑发明静电扭秤，1834年哈里斯提出静电电表结构以来，电测仪表和电子仪器随相关技术的进步、仪器仪表元器件质量的提高和测量理论方法的改进得到飞速发展。有一种较普遍地说法将测量仪器的发展分为五个阶段，如图1.1所示。模拟仪器虚拟仪器智能仪器数字仪器电子仪器19世纪九十年代七十年代20世纪五十年代图1.1测量技术的发展从十九世纪初到二十世纪末，测量仪器经历了模拟仪器、电子仪器、数字仪器、智能仪器等阶段，发展到现在的虚拟仪器。模拟仪器主要有模拟式电压表、电流表等，这些仪表解决了当时对某些量的测量的需求。从二十世纪初到五十年代左右，测量仪器的材料性能得到改善出现了电子管，同时测量理论和方法与电子技术、控制技术相结合，贵州大学本科毕业论文（设计）第3页出现了以记录仪和示波器为代表的电子仪表五十年代以后随着晶体管和集成电路的出现以及应用电子技术的发展将数字技术成功地应用到测量仪器。这时电子控制集成电路和计算机技术开始融为一体成为测量仪器的主要特征。七十年代初第一片微处理器问世，微型计算机技术从此发展迅猛，在其影响下测量仪器呈现出新的活力并取得了长足进步。伴随微电子技术、计算机技术、网络技术的迅速发展及在电工电子测量技术领域的应用，测量仪器也不断进步和发展，出现了智能仪器。智能仪器是将微机置于仪器内部，使仪器具有控制、存储、运算、逻辑判断及自动操作等智能特点，并在测量准确度、灵敏度、可靠性、自动化程度、运用能力及解决测量技术问题的深度和广度等方面都有明显的进步。这种内置微处理器的仪器，既能进行自动测试又能完成数据处理，可取代部分的脑力劳动。随着电子技术、微计算机技术的发展，智能仪器的智能水平不断提高。但是在数字化仪器、智能仪器阶段基本上没有摆脱传统仪器那种独立使用、手动操作的模式，难以胜任更复杂、多任务的测量需求。为解决这样的问题，总线式仪器与系统应运而生。人们发明制造出CAMAC、RS-232和GPIB等多种仪器通讯接口总线，用于将多台智能仪器连在一起，以构成更复杂的测试系统。1982年美国西北仪器公司总裁德·伯克提出了微机化仪器的概念，也就是人们现在常提到的卡式仪器。卡式仪器是虚拟仪器的雏形，是将传统独立式仪器的测量电路部分与接口部分集合在一起制成仪器功能卡，将其插入微机的内部插槽或外部插件箱中形成的仪器。PC总线仪器系统是卡式仪器的一种，它是利用PC机内部的总线，把若干块仪器卡插在PC机内部或外部扩展机箱内而组成的。插卡总线机箱与PC机间的通信，可利用RS-232、GPIB接口总线或以太网电缆等进行。虽然许多厂家通过定义新的仪器总线，不断对卡式仪器进行改进，但其大多是在微机内总线的插槽上进行开发，没有统一标准，且各厂家生产的插卡尺寸大小不一，设备兼容性较差。在这种情况下，用户自然会提出标准化的要求。1987年，美国的惠普和泰