（电机与电器专业论文）基于预测控制和labview的中央空调控制系统的研究.pdf

基于预测控制和l a b v i e w 的中央空调控制系统的研究 r e s e a r c ho fc e n 虹a la i rc o n d i t i o n i n gm a n i p u l a t i v es y s t e mb a s e do n p r e d i c t i v ec o n t r o la n dl a b v i e w a b s t r a c t t h ec o m b i n a t i o no fc o m p u t e rt e c h n o l o g ya n dt e s tt e c h n o l o g ym a k eak i n do fn e wt e s t i n s t r u m e n t - - v i r t u a li n s t r u m e n t s u s i n gv i r t u a li n s t r u m e n t st e c h n o l o g y ，w ec a ns 吐u pa l lk i n d s o fa u t o m a t i s mt e s ts y s t e mq u i c k l ya n de x p e d i e n t l y a tt h es a l n et i m e ，w ec a l lc a l t yt h r o u g h s i g n a la n a l y s i s ，d a t ap r o c e s s i n g ，s a v i n gf i l e sa n dg r a p h i cs h o w i n gu t i l i z i n gt h eg r e a tf u n c t i o n o fc o m p u t e r 1 1 1 ep r o g r a mm e t h o db a s e do ng r a p h i cs o f t w a r ea n dt h ed e v e l o p i n gc i r c u m s t a n c eo f v i r t u a li n s t r u m e n t sa r en o to n l yt h ei m p o r t a n tc o n t e n ti nt h er e s e a r c ho fv i r t u a li n s t r u m e n t s ， b u ta l s ot h eb a s eo fa p p l i c a t i o na n dd e v e l o p m e n to fv i r t u a li n s t r u m e n t s l a b v i e wp r o d u c e d i nn a t i o n a li n s t r u m e n t si st h em o s ts u c c e s s f u la n db r o a d e s ti na d p l i c a t i o n l 曲v i e wi sa g r a p h i cp r o g r a m m i n gl a n g l l a g e c o n f o r m sa l lf u n c t i o n st h a t c o m m u n i c a t i n gw 曲g p i b ，v ，p ，r s 一2 3 2 ，r s 一4 8 5a n dt h ec l i po fd a t aa c q u i s i t i o n ，a n d h a v es e tt h el i b r a r yf u n c t i o n so f t c p i p ，a c t i v e xe t c w h i c hc a nu s ec o n v e n i e n t l y i na d d i t i o n ， i ta l s oc a nc o n n e c tw i t ht h el a n g u a g eo fm a t l a ba n dct oc a r r yo u ts o m ep r o g r a m sw h i c h i sd i f f i c u l tu s el a b v i e wo n l y i nt h i sp a p e r ，i ti n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n to ft h ec o m p u t e rt e c h n o l o g ya n dp r e d i c t i v e c o n t r o li nt h ef i r s tc h a p t e r i nt h es e c o n dc h a p t e r ，t h ec o m p o s i t i o n ，s t m c t i l r ea n df u n c t i o no f t h es y s t e ma b o u tt h ec e n t r a la i rc o n d i t i o n i n gi si n t r o d u c e d i nt h et h i r dc h a p t e r ，i tg i v e st h e c h a r a c t e r i s t i co fl a b v i e wa n dl a y so u tt h em a n i p u l a t i v ei n t e r f a c e i nt h ef o u r t hc h a p t e r , i t d i s c u s s e st h ed a t ac o m m u n i c a t i o nb a s e do no p c ，i n t r o d u c e st h ei n t e r f a c et e c h n o l o g yo fo p c a n dh o wt oc o n f i g u r eo p cs e r v e r i nt h ef i f f i ac h a p t e r ，i ti n t r o d u c e st h et h e o r yo fp r e d i c t i v e c o n t r 0 1 p u t su pt h es i m u l a t i v er e s e a r c ho nm a t l a ba n dc o m p a r e st h er e s u l t so fp r e d i c t i v e c o n t r o lw i t ht h ep i dc o n t r 0 1 i nt h es i x t hc h a p t e r i ti n t r o d u c e sh o wt ou s em a t l a bp r o g r a m i nt h el a b v i e w ，a p p l i e st h ep r e d i c t i v ec o n t r o la l g o r i t h mi nt h ec e n t r a la i rc o n d i t i o n i n ga n d c o m p a r e st h er e s u l t st op i dc o n t r 0 1 i nt h es e v e n t hc h a p t e r ，i ti n t r o d u c e sc o m m u n i c a t i o n m e t h o do ft c p ，u d pa n dp r o g r a m m i n gb l o c kd i a g r a m r e a l i z et h ew e bb r o w s eo ft h ew h o l e s y s t e mf i n a l l y k e yw o r d s ：l a b v i e w ；c e n t r a la i rc o n d i t i o n ；o p c ；p r e d i c t i v ec o n t r o l ；r e m o t ec o n t r o l 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：蔓延垒日期：兰竺2 ：2 ：1 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签轹勉鱼 导师签名： 珥年上月上日 5 9 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 计算机控制技术发展趋势 5 0 年代初，计算机就开始用于工业生产过程控制，控制理论与计算机的结合，产生 了新型的计算机控制系统。为自动控制系统的应用与发展开辟了新的途径。1 9 6 5 年到 1 9 6 9 年是计算机控制进入使用普及的阶段。由于小型计算机的出现，使其可靠性不断提 高，成本逐年下降。计算机在生产控制中的应用得到迅速的发展。但这个阶段仍然主要 是集中型的计算机控制系统。在高度集中的控制系统中，若计算机出现故障，将对整个 装置和生产系统带来严重的影响。虽然采用多机并用可提高集中控制的可靠性，但会增 加成本。 1 9 7 0 年后控制进入了大量推广分级控制阶段。将计算机分散到生产装置中去实现小 范围的局部和某些特殊控制规律。这种控制方式称为“分散型计算机控制系统”。特别 是由于微型机具有可靠性高、价格便宜、体积小、使用方便等特点。为分散型计算机控 制系统的发展创造了良好的条件。 目前，计算机控制系统发展趋势有如下两方面： ( 1 ) 工业可编程控制器p l c ( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) 的应用。 ( 2 ) 提高控制系统性能，采用新型的控制系统。 采用集散型控制系统是计算机控制的发展趋势之一。集散控制系统是分散型综合控 制系统( t o t a ld i s t r i b u t e ds y s t c m ) 或分散型微处理控制系统( d i s t r i b u t e dm i c r o p r o c e s s o r s y s t e m ) 的简称。 集散控制系统以微机为核心，把微机、工业控制计算机、数据通信系统、显示操作 装置、输入输出通道、模拟仪表等有机的结合起来。构成组合式结构系统，为实现地理 上和功能上分散的控制，又通过高速数据通道把各个分散点的信息集中起来，进行集中 的监视和操作。 现在一些发达国家都已大批量生产各种型号的集散型控制系统。我国目前引进了一 些系统，但距离实际需要差距还很大。因此集散型控制在我国大有发展前途。 集散控制系统，有以下几个发展动向值得注意： ( 1 ) 微机在集散控制系统中的地位越来越重要；另一方面是由于分级分布式控制结 构的使用，使下级处理能力提高。减少了对上级计算机的功能要求。目前，在直接控制 级都用微机，并且开始在过程监控级使用高性能的微机。 基于预测控制和l a b v i e w 的中央空调控制系统的研究 ( 2 ) 集散控制系统向小规模、单回路控制器方面的发展迅速。前期开发的集散控制 系统，大多数是多回路的。8 0 年代后，出现了只控制一、二个回路的单回路控制。因为 控制的回路越少，危险就越分散、可靠性、维护性就越好。所以它在过程控制系统中的 应用引起了人们的注目。 ( 3 ) 存储器将在今后得到改进。主要保证随机存储器失电时能保持信息。随着数字 式传感器和执行机构的发展，又可能省去d a 、a d 转换环节，简化调节器结构。 ( 4 ) 通信功能和人机联系功能进一步加强。今后将用光导纤维代替高速数据通道进 行通信，并统一通信规程。 总之，计算机控制在轧钢、冶金、电力、航天、自动驾驶、印刷、造纸，纺织、化 工、医药、食品等行业得到了广泛的应用。已取得并且将继续取得显著的成果【l 】。 1 2 预测控制的发展 自r i c h a l e t e t a l l 9 7 8 年首次阐明了预测控制算法产生的动因、机理及其在工业过程中 的应用以来，模型预测控制在电力、炼油、化工和造纸等领域获得了广泛的应用，并形成 了相当规模的先进控制产业。预测控制的产生并不是某一种统一理论的产物，而是在工 业实践过程中独立发展起来的。提出了建立在脉冲响应模型基础上的模型预测启发控 制，它的问世，一方面是受到计算机技术发展的推动，另一方面也来自复杂工业实践向 高层优化与控制提出的挑战。r i c h a l e t 、席裕庚等描述了预测控制算法产生的动因。六 十年代，虽然发展起来的现代控制理论对自动控制技术的发展起到了积极的推动作用， 并在许多领域获得了卓有成效的应用，但由于它需要较高精度的对象数学模型，许多算 法过于复杂，对模型不确定性过于敏感而且不易处理多种类型的性能指标要求，因而在 工业实际应用中很难达到预期的效果。为了克服现代控制理论与实际应用之问的不协 调，人们试图针对工业过程的特点，寻找对模型要求低、在线计算方便、控制综合效果 好的算法。在这种背景下，预测控制产生了。经过二十年的发展，理论上各种预测控制 方法已是异彩纷呈，而且在许多应用领域预测控制成功应用的报道也是层出不穷。预测 控制成为控制领域尤其是过程控制领域关注的热点。其中，g p c ( g e n e r a l i z e dp r e d i e t i v e c o n t r 0 1 ) 、d m c ( d y n a m i c m a t r i xc o n t r 0 1 ) 、m a c ( m o d e la r i t h m e t i cc o n t r 0 1 ) 等预测控制的 常规算法一出世就受到广泛注意，很快有许多成功的应用。但随着工业的发展，常规算法 不能满足实际需要，于是在算法上有了很大发展。 由于预测控制算法采用了多步预测的方式，与一般单步预测比较，增加了预测时域长 度p 和控制时域长度m 等两个参数。又由于采用了滚动优化策略，使预测误差加权阵q 2 一 大连理工大学硕士学位论文 和控制量加权阵九，以及p 、m 等参数都隐含在控制参数谚中，不易直接考察它们的取 值对控制性能的影响，只能通过试凑和仿真研究来初步选定。这些都给设计者在设计预 测控制系统时带来困难。针对预测控制存在的设计参数选取困难和对建模误差的鲁棒性 问题，徐立鸿提出了组合预测控制算法，该算法将预测控制和模糊控制有机结合起来， 取长补短，充分利用对象的定量信息和定性信息进行控制。罗刚等提出了运用满意解原 理，通过仿真进行参数优化的方法。郭巧等采用c a r l 模型和改进的广义预测控制来提 高温度控制系统的控制精度，并缩短其响应时间。 大部分工业控制都带有约束，并具有非线性特性，大多数具有弱非线性的对象可用线 性化模型近似，作为一种模型失配，使得这些算法可适用于弱非线性系统。并应用已有的 线性控制理论的研究成果来获得较好的控制效果。面对具有强非线性的系统的控制则一 直是控制界研究的热点和难点，采用线性模型的预测控制与实际偏离较大，达不到优化 控制的目的和控制效果，因此必须采用非线性预测控制。对非线性系统预测控制的研究， 通常采用基于非线性模型的预测控制。该方法通过把非线性模型线性化后，按照线性系 统滚动优化设计预测控制器，而模型预测一般仍采用非线性模型用特殊的非线性结构描 述的系统。如b i l i n e a r 模型、广义h a m m e r s t e i n 模型、v o l t e r r a 参数模型和w i e n o r 模型 等，描述了系统的输入与输出之间的关系。w a n g w 提出h a m m e r s t e i n 模型的广义预测 控制策略。g e n c e l i h 对基于二阶v o l t e r m 模型描述的非线性系统，研究了带终端条件、 输入输出约束和输入增量约束的非线性d m c 问题，并针对模型参数不确定性讨论了鲁 棒稳定性。n o r q u a y s l 讨论了一种基于w i c n o r 模型的非线性m p c ( i v l o d e lp r e d i c t i v e c o n t r 0 1 ) 方案，并将其应用p h 和过程控制。还有基于智能模型的非线性预测控制，如采 用f u z z y 模型、神经网络模型。另外还有基于多模型的非线性预测控制。 预测控制的产生，是复杂工业系统实现优化控制的需要，具有很多适合工业环境的优 点。基于模型的预测控制可在优化中考虑各种实际约束，又有很好的鲁棒性和抗干扰性， 因而，与常规控制相比，能更好地实现动态控制，可以通过减少实际值偏离设定值的方 差，使优化层的操作优化建立在更好的基础上，更接近理想的卡边控制。由于预测控制 是基于离散模型进行控制器的设计，当它采用输出方差最小化的优化性能指标，一般地 只考虑了采样点时刻系统的输出。由于系统被控对象的连续性，有必要采用采样系统预 测控制方法。显然，这样得到的控制器更合理，更贴近于实际。 尽管预测控制理论研究和应用近年来有了较大的进展，但还是有不少衄题有待进一 步解决。 基于预测控制和l a b v i e w 的中央空调控制系统的研究 ( 1 ) 理论研究还不够。在目前的研究中，理论分析大多集中于单变量的基础算法。 而成功应用的例子却大多是复杂的多变量系统。所以，对多变量预测控制算法的稳定性、 鲁棒性的研究急待强化。 ( 2 ) 对于非线性系统的预测控制，现在还没有很好的解决办法。主要原因是如何解 决滚动优化的问题。 ( 3 ) 现在的预测控制算法多种多样，需要把他们统一起来，归结为一种统一的理论， 有利于预测控制算法的分析和深入发展。虽然i m c 控制结构能够统一一些算法，但还 有许多结果不令人满意1 2 1 。 1 3 毕业设计的主要工作 ( 1 ) 根据实际系统特点进行上位机软件设计； ( 2 ) 上位机与p l c 通讯以及数据采集的实现； ( 3 ) 对中央空调系统的各参数实时显示； ( 4 ) 预测控制算法的理论研究； ( 5 ) 预测控制算法的仿真研究； ( 6 ) 实际结果和仿真结果的对比研究； ( 7 ) 进行整个系统联网并实现远程监控。 大连理工大学硕士学位论文 2中央空调实验系统简介 模拟智能大厦中央空调控制系统提供了智能大厦中央空调控制系统研究的模拟环 境，它涵盖了中央空调系统的制冷机组，空气处理及新风机组的主要控制功能。 系统采用了工业化设计，主要的传感器、执行器采用了h o n e y w e l l 公司的产品，真 实再现了实际系统各环节的内容，系统的风道结构采用透明的有机玻璃设计。由于在各 部件中应用了模块化设计，易于组成各类空调系统，丰富了实验内容，在选择楼宇自动 化系统时，采用了最常用的可编程控制器( 三菱p l c ) ，使学生可以自由，熟练的从事 实验中的编程、组态、开发。并进一步为学生提供了研究设备，为便于使用不同的控制 器，设计中集中安排了信号端子连接，应用该系统可以构造成p l c 控制系统，基于p c 的控制系统，集散控制系统，各类仪表控制系统或各类现场总线控制系统。 通过该系统的实验可以是学生对中央空调系统的基本原理和构造进一步熟悉和了 解，掌握常规的暖通空调系统的能量管理和空气控制方法、控制器编程、设计组态等。 同时通过系统实验使学生掌握常规故障点的检测。 实际系统如图2 1 所示： 图2 1 中央空调实物图 f 嘻2 1c e n t r a la i rc o n d i t i o n 基于预测控制和l a b v i e w 的中央空调控制系统的研究 整个实验装置包括制冷( 热) 机组和空调机组组成。全部机组由p l c 主单元和特 殊模块控制。实验调节系统采用闭环调节，并通过上位机监控系统进行监视、控制等远 程控制功能，使操作者不必靠近控制对象可以对系统进行远程控制，系统具有数据采集 和数据管理功能、动态数据交换功能、实时和历史趋势图和事件自动记录功能。 空调调节系统的目的在于，创造一个良好的空气环境，即根据季节变化提供合适的 空气温度、相对湿度、气流速度和空气洁净度，以保证办公人员的工作效率。 2 1空气处理机组的监控 空气处理是指对空气进行加热、冷却、加湿、干燥及净化处理。机组结构、原理图 如图2 2 所示： 新风 图2 2 空调机组原理图 f i g 2 2p r i n c i p l eo f c e n t r a la i rc o n d i t i o n 送风 ( 1 ) 新风采入段设有新风风门f v l ，调节风门开度，可以通过增大管路阻力来减 少风量。 ( 2 ) 新风、回风混合段设置新，回风混合段的目的在于：冬季节省热量，夏季节 省冷量，以实现节能。回风进入段设有回风风门f v 2 ，同样可以控制风门开度，调节回 风量。 ( 3 ) 空气过滤段新风和回风一起经过空气过滤器除尘净化，随着过滤网上沉附的 灰尘逐渐增加，将增大气流阻力，影响空调系统正常运行。通过对过滤网两端空气压差 的检测，可及时对过滤网进行清理和更换。 一6 大连理工大学硕士学位论文 ( 4 ) 冷、热水盘管段热交换器可以对空气进行加热和冷却。夏季向热交换器通入 1 5 c 或以下的冷水，调节电动调节阀t v l 的阀门开度，控制冷水流量。例如温度高于 设定值时，可加大冷水流量；反之，则减之。冬天，向热交换器通入3 1 或以上的热水， 调节阀门t v l 的开度，控制热水流量，可调节温度。 ( 5 ) 加湿段通过调节超声波加湿器的开关，控制气雾量，可改变湿度。 空气处理机组采用直接数字控制器d d c 进行控制，即利用数字计算机进行控制， 可对多个受控装置进行直接控制，通过编程实现各种控制功能。与常规仪表组成的传统 控制方式相比，一个d d c 可以取代多个传统控制器实现联动控制、选择、切换等多种 功能。当控制内容及规模相同时，总成本大为降低，其功能和灵活性缓慢，时间常数大， 采用p i d 控制算法，以便缩短调节周期、消除静差，提高调节精度是传统控制器望尘莫 及的。 n ) 送风温度控制由送风管道内的温度传感器t 2 实测出送风温度，通常，传感器 与变送器组合成一体，将实测温度信号变换成满足接口电路要求的模拟量信号，输入 d d c 。与送风温度设定值比较，得出偏差。考虑到温度变化度，以便温度波动范围控制 在士o 5 c 以内。经过p i d 运算后，d d c 输出相应的电压控制信号，用来控制电动调节阀 t 、，1 的阀门开度，调节冷、热水流量。 ( 2 ) 送风湿度控制由送风管道内的湿度传感器h 2 测出送风湿度，输入d d c ，与 湿度设定值比较，得到偏差，经过p i d 运算，d d c 输出相应的数字信号与相应的周期 数字信号作比较，输出一组脉宽调制信号来控制加湿器的开关来控制送风湿度。 ( 3 ) 连锁控制自动实现必要的连锁保护功能。采用压差开关检测风机启停状态， 风机启动后，如果风机前后压差p d l 打达到设定值，发出正常运行信号，自动启动系统 控制信号投入运行。如果检测到p d l 过低，发出故障信号，并自动连锁停机；由于各电 动调节和风机都与风门连锁，一旦风机停止运行，冷、热水阀自动关闭，新风风门全关。 ( 4 ) 过滤网堵塞报警用压差开关检测过滤网两端压差p d 2 ，当压差超过设定值时， 报警指示灯亮。 ( 5 ) 变风量控制系统采用的是末端调节的变风量控制系统，即由末端装置( 变频 器) 直接控制风机。基于末端装置的实时风量需求，采用先进的控制方法( 风机一调节 阀一温度串级控制) 来进行温度控制。使系统更节能、稳定。 ( 6 ) 压差控制系统由微压差传感器测出房间与外界的压力差，送入d d c 与设定值 比较输出控制值给房间风门执行器来控制压差，使房内有一定的正压防止外界细菌入 内。 一7 一 基于预测控制和l a b v i e w 的中央空调控制系统的研究 ( 7 ) 工作状态、数据显示与打印通过组态软件来实现监控，可显示图形或文字并 打印数据：风机启停状态，风机故障报警；过滤网堵塞报警；新风、回风、送风温度、 湿度与设定值；流程图实时画面、阀位值显示，参数变化趋势曲线等。 2 2 制冷机组的监控 空调系统需要冷源、热源。本装置采用的是用压缩机产生冷、热源。它是以消耗电 能作为补偿，以氟利昂为制冷剂。机组原理图如图2 3 ： 图2 3 制冷机组原理图 f i g 2 3p r i n c i p l eo f r e f i i g e r a t i o n 图中点划线框内为整体式制冷装置，称为冷水机组。它由压缩机、冷凝器、蒸发器 及其它辅助装置组成。压缩机将制冷剂压缩，压缩后的制冷剂进入冷凝器，被冷却水冷 却后变成液体，析出的热量则由冷却水带走，在冷却塔中利用水喷射或是经冷却风机将 热量排入大气。液冷凝器进入蒸发器，在蒸发器中吸热蒸发，使冷( 冻) 水降温，提供 冷源送空调使用。 ( 1 ) 手动控制在上位机手动设置制冷机组旁通阀t v 2 的开度、冷冻水泵和压缩机 的启停，由d d c 送出相应控制信号。 ( 2 ) 压差旁通控制由供水、回水压力传感器检测出的压力的差值，送入d d c ，与 压差设定值比较后，d d c 送出相应信号，调节位于供、回水总管之间的旁通管上的电 动调节阀( 旁通阀t v 2 ) 的开度，实现进水与回水的旁通，以保持供、回水压差恒定。 ( 3 ) 互补控制即d d c 送出全范围的6 0 一调节阀开度的值给旁通阀，使旁通阀 的开度与调节阀在6 0 内互补。 大连理工大学硕士学位论文 ( 4 ) 冷冻水温度控制利用温度传感器检测出冷冻水的温度，送入温控仪与设定值 比较，输出控制信号给压缩机从而控制水温。 系统的主要仪表性能及参数指标如下： ( 1 ) 检测元件 w s 3 0 2 v 温湿度变送器 用于测量本系统中的新风、送风、回风的温度和相对湿度。 测量范围：啦- 5 0 c ，o 一1 0 0 r h 精度：士o 3 ，士2 r i - i 输出电流：扣- 2 0 i n a 二线制传输 供电电压：1 2 _ 2 4 vd c m l 0 1 6 b s 2 p g 压力传感器 用于测量本系统中冷冻供水和回水的压力。 测量范围：m 一1 6 m p a 。 输出电压：4 _ 乏0 m a 。 供电电压：9 _ _ 3 5 v 。 以及四个p o l y m e r 温湿度变送器和两个d p s2 0 0 压差传感器。 ( 2 ) 执行元件 m l 7 4 2 0 a 3 0 5 5 线形电动调节阀 用于调节冷冻供水和冷冻旁通水的开度。 工作电压：2 4 v a e ( 士1 5 ) ，6 0 h z 。 功耗：最大7 v a 。 输入信号：0 2 到1 0 v d c 。 m l 7 1 7 4 e 2 0 0 7 风门执行器 工作电压；2 4 v a e ( 士2 0 ) 5 0 6 0 h z 。 功耗：2 v a 。 全程时间：1 5 0 1 2 5 s 控制方式：2 _ 1 0 v ( 3 ) 控制器 下位机的控制器采用日本三菱公司生产的可编程逻辑控制器( v x 2 n 3 2 m r + 4 块 f x 2 n - 4 a n + 2 块f x 2 n - 4 d a ) ，负责模拟量和数字量的采集、处理以及与上位机通讯。 一9 一 基于预测控制和l a b v i e w 的中央空调控制系统的研究 3 基于l a b v le w 的中央空调系统的设计 3 1l a b v l e w 简介 3 1 1l a b v i e w 语畜概述 l a b v i e w 是实验室虚拟仪器集成环境( l a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r t a n e n te n g i n e e r i n g w o r k b e n c h ) 的简称，是目前应用最广、发展最快、功能最强的图形化软件开发集成环 境。得到工业界和学术界的普遍认可和好评。它可以把复杂、烦琐、费时的语言编程简 化成用菜单或图表提示的方法选择功能( 图形) ，用线条将各种功能( 图形) 连接起来 的简单图形编程方式，为没有经验的用户进行编程、查错、调试提供了简单方便、完整 的环境和工具，尤其适合从事科研、开发的科学家和工程技术人员使用。l a b v i e w 是 一种虚拟仪器开发平台软件，能够以其直观简便的编程方法、众多的源代码级的设备驱 动程序、多种多样的分析和表达功能支持，为用户快捷地构筑自己在实际工程中所需要 的仪器系统创造了基础条件。 而且l a b v i e w 与其他计算机语言相比，有一个特别重要的不同点：其他计算机语 言都是采用基于文本的语言产生代码行，而l a b v i e w 采用图形化编程语言g 语言， 产生程序是框图的形式，易学易用，可在很短的时间内掌握并应用到实践中去。特别是 对于熟悉仪器结构和硬件电路的工程师、现场工程技术人员来说，编程就像设计电路图 一样。 l a b v i e w 的功能十分强大。像c 或c + + 等其它计算机高级语言一样，l a b v i e w 也 是一种通用编程系统，具有各种各样、功能强大的函数库，包括数据采集、g p i b 、串行 仪器控制、数据分析、数据显示及数据存储，甚至还有目前十分热门的网络功能。 l a b v i e w 也有完善的仿真、调试工具、如设置断点、单步执行等。l a b v i e w 的动态连 续跟踪方式，可以连续、动态地观察程序中的数据及其变化情况，比其它语言的开发环 境更方便、更有效。 3 1 2l a b v i k - w 语言特点 g 语言编写的程序称为虚拟仪器v i ( v i r t u a li n s t r u m e n t ) ，因为它的界面和功能与 真实仪器十分相像，在l a b v i e w 环境下开发的应用程序都被冠以后缀，以表示虚拟 仪器的含义。一个v i 由交互式用户接口、数据流框图和图标连接端口组成。同时，g 语言最佳地实现了模块化编程思想。用户可以将一个应用分解为一系列任务，再将任务 大连理工大学硕士学位论文 细分，将一个复杂的应用分解为一系列的应用程序。因为每个s u b v i 可以单独执行，所 以很容易调试。进一步而言，许多低级s u b v i 可以完成一些常用功能，因此，用户可以 开发特定的s u b v i 库，以适用一般的应用程序。 l a b v i e w 的运行机制就宏观上讲已经不再是传统上的冯诺依曼计算机体系结构 的执行方式。传统的计算机语言( 如c 语言) 中的顺序执行结构在l a b v i e w 中被并行 机制所代替：从本质上讲，它是一种带有图形控制流结构的数据流模式。数据流程序设 计规定，一个目标只有当它的所有输入有效时才能执行；而目标的输出，只有当它的功 能完成时才是有效的。也就是说，在这种数据流程序的概念中，程序的执行是数据驱动 的，它不受操作系统、计算机等因素的影响。这样，l a b v i e w 中被连接的功能节点之 间的数据流控制着程序的执彳亍次序，面不像文本程序受到行顺序执行的约束。从而，我 们可以通过相互连接功能节点快速简洁地开发应用程序，甚至还可以用多个数据通道同 步运行。 l a b v i e w 的核心是。v i 有一个人机对话的用户界面前面板( f r o n tp a n e l ) 和类似于源代码功能的程序图( d i a g r a m ) 。前面板接受来自程序图的指令。在v i 的前 面板中，控件( c o n t r o l s ) 模拟了仪器的输入装置并把数据提供给v i 的程序图；而把一 个控件或指示器放置到前面板上时，l a b v i e w 在程序图中相应地放置了一个端口 ( t e r m i n a l s ) ，这个从属于控件或指示器的端口不能随意删除，只有删除它对应的控件 或指示器时它才随之一起被删除。 用l a b v i e w 编制程序图时，不必受常规程序设计语法细节的限制。首先，从功能 菜单中选择需要的功能节点，将之置于面板上适当的位置；然后用导线连接各功能节点 在程序图中的端口，用来在功能节点之间传输数据。这些节点包括了简单的算术功能， 高级数据采集和分析以及用来存储和检索数据的文件输入输出功能和网络功能。用 l a b v i e w 编制出的图形化是分层次和模块化的。我们可以将之用于顶层( t o pl e v e l ) 程序，也可以用作其它程序或子程序的予程序。显然l a b v i e w 依附并发展了模块化程 序设计的概念。图形化程序设计简单，直观、开发效率高p j 。 3 1 3l a b v i 印软件的优势所在 ( 1 ) 简单的方案，即使没有多少编程，仍可以很方便的使用l a b v i e w ，因为它使用 “所见即所得”的可视化技术建立入机界面，提供了大量仪器面板中的控制对象。 ( 2 ) l a b v i e w 提供了先进的网络技术，如：t c p i p 函数库、数据套接字技术、可以 很容易地实现测控网络的体系结构，并且提高了系统的开放性、稳定性、可靠性。 基于预测控制和l a b v i e w 的中央空调控制系统的研究 ( 3 ) 先进的a c t i v e x 技术融合了简单的拖放编程方法，仪器控制和数据采集交得非 常简单，使用户很容易地开发自己的系统，并将其立即投入使用。 ( 4 ) 灵活的仪器，将l a b v i e w 与一般的数据采集设备加以组合，可以设计出灵活 的虚拟仪器，并可以随时将仪器系统移植到最适合用户的平台上使用。 ( 5 ) l a b v i e w 也拥有大量n i 公司或第三方公司提供的、非常实用的支持软件，如： a p p l i c a t i o nb u i l d e r ( 用于产生可执行文件) 、s q lt o o l k i t ( 用于将l a b v i e w 程序与本 地或远程数据库相连) 等，这些特性为l a b v i e w 环境下应用程序的开发提供了方便。 ( 6 ) l a b v i e w 完整地集成了与g p i b 、v x i 、r s 一2 3 2 、r s 4 8 5 和内插式数据采集卡等 硬件的通讯，而且，l a b v i e w 使得它们的驱动程序具有模块化，可以重复使用，最大 限度地减少软件开发的工作量。 ( 7 ) 使用l a b v i e w 开发环境，用户可以创建3 2 位的编译速度，从而为常规的数据 采集、测试等任务提供了更快的执行速度。 ( 8 ) l a b v i e w 有真正的编译器，用户可以创建独立的可执行程序，能够脱离开发环 境单独运行。 ( 9 ) l a b v i e w 拥有丰富的分析模块，可以满足用户从统计过程控制到数字信号处理 ( d s p ) 等方面的要求。 l a b v i e w 能够充分利用和发挥现有计算机技术，使仪器的测试和测量及自动化工 业的系统测试和监控变得异常方便和快捷。 3 2 基于l a b v i e w 的人机界面设计 3 2 1l a b v i 酬程序的基本构成 l a b v 正w 与虚拟仪器有着紧密联系，在l a b v i e w 中开发的程序都被称为v i ( 虚拟 仪器) ，其扩展名默认为v i 。所有的v i 都包括f r o n tp a n e l ( 前面板) 、b l o c kd i a g r a m ( 框图) 以及i c o na n dc o n n e c t o rp a n e ( 图标和连接器窗格) 三部分。 在n e w 对话框的c r e a t en e w ：控件里选中b l a n kv i ，单击o k 后将建立一个空 l a b v i e w 程序，如图3 1 所示。 大连理工大学硕士学位论文 图3 1 新建的l a b v i e w 程序 f i g 3 1 t h en e w p r o g r a mo f l a b v i e w 3 2 2 前面板和框图 前面板是图形用户界面，也是的前面板。该界面上有交互式的输入和输出两类 对象，分别称为c o n t r o l ( 控制器) 和i n d i c a t o r ( 指示器) 。c o n t r o l 包括开关、旋钮、按钮和 其他各种输入设备；i n d i c a t o r 包括图形( g r a p h 和c h a r t ) 、l e d 和其他显示输出对象。 框图是定义v i 功能的图形化源代码。在框图中对v i 编程的主要工作就是从前面板 上的输入控件( c o n t r 0 1 ) 获得用户信息，然后进行计算和处理，最后在输出控件( i n d i c a t o r ) 中把处理结果反馈给用户。框图上的编程元素除了包括与前面板上的c o n t r o l 和i n d i c a t o r 对应的连线端子( t e r m i n a l ) 外，还有函数、子、常量、结构和连线等。 3 2 3 前面板和框图工具条 从前面板和框图工具条上的工具按钮可以快速访问一些有用的程序功能。在编辑状 态下的框图工具条如图3 2 所示。 基于预测控制和l a b v l e w 的中央空调控制系统的研究 圈3 2 框图工具条 f i g 3 2d i a g r a mt o o l b a r 如果程序没有错误，单击“运行”( r u n ) 按钮后程序进入执行状态：单击“连续运 行”( r u nc o n t i n u o u s l y ) 按钮将使程序反复运行，般用于代码调试等特殊情况；“退出执 行 ( a b o r te x e c u t i o n ) 按钮用于强制停止程序运行，一般在程序编写和调试阶段使用。在 编写程序时应使用适当的程序元素控制程序结束，同时保证释放必要的程序资源：“暂 停 ( p a u s e ) 按钮用于暂时停止程序运行，程序暂停时该图标变为红色且运行按钮变为弹 起状态，此时单击“运行”和“暂停”按钮都可以恢复程序的运行。 “文本字体设置 ( t e x ts e t t i n g ) 下拉列表用于设置各种界面元素中的文本字体。 “对齐对象”( a l i g no b j e c t s ) 用于前面板或框图上多个选中对象在某一规则下对齐。 “分布对象”( d i s t r i b u t eo b j e c t s ) 用于改变多个被选对象之问的分布方式，可以是等距、 等间隔或者无间隔分布。 “重新排序”( r e o r d e r ) 用于组合对象，锁定对象位置以及改变对象纵深层次和叠放次 序。 “加亮执行”打开时按钮图标由白色灯泡变为发亮的黄色灯泡，此时单击“运行”按钮， 程序将“加亮执行”，即以动画的形式运行程序。在这种方式下数据以气泡的形式沿着节 点间的连线流动。该功能可以帮助用户调试程序。 程序正常运行时，单步允许功能是禁用的，只有单击“暂停”按钮，才可以使单步运 行按钮变为可用。也可以直接在编辑模式中单击单步运行功能按钮，进入单步运行模式。 “单步进入 ( s t e pi n t o ) 打开一个节点后暂停，再次单击该按钮将运行子v i 或结构的下 一步操作，然后暂停程序运行。单击“单步跳过”( s t e po v e r ) 按钮程序在执行一个节点后， 在下一个节点处暂停。单击“单步跳出”按钮程序在执行当前节点后暂停。 3 ，2 4 国标和连接器窗格 v i 具有层次化和结构化的特征。一个可以作为另一个v i 的子程序被调用，这 里的子程序称为子v i ( s u b v i ) 。图标用于在主v i 的框图中标识被调用的子v l ，连接器 一1 4 习暂庠西一萋 呷学 大连理工大学硕士学位论文 相当于图形化的子程序参数。在默认状态下，框图和前面板的右上角显示当前v i 的图 标，可以双击该图标开始编辑操作。在新建立的v i 中l a b v w 会自动生成默认图标， 可以使用该默认图标或者建立自定义图标。连接器和图标窗格位于窗口的同一个位 置，只能通过前面板访问连接器窗格【4 】 3 3 界面的总体设计 根据实际的中央空调实验系统由l a b v i e w 设计出的控制界面如图3 3 所示。 图3 3 中央空调控制界面 f i 舀3 3m a n i 删v e i n t e r f a c eo f e e n t r a le o n d i t i 图中的各项参数都与实际的中央空调系统的各项参数一一对应，即实际系统有什么 变化，在控制界面中都能反映出来。如：风门的开度、风机的转动、温度湿度的变化等 等。风门和风机的设计中加入了动态效果，界面中的风门能够根据实际风门的开度同步 的反映在界面上，同样的界面中的风机在启停按钮被按下时也能够进行转动，真实的模 拟出了实际系统的特点。 由于实验所得数据为温度或者湿度信号，所以需要根据测得的数据绘制出相应的图 形，为数据处理提供方便。因此专门设计了波形显示的界面如图3 4 所示。 基于预测控制和l a b v i e w 的中央空调控制系统的研究 图3 4 波形显示界面 f i g 3 4 i n t e r f a c eo f o s c i l l o g r a p h 通过切换曲线选项可以显示不同的实时曲线如送风温度曲线、回风温度曲线、调节 阀曲线等等，不同的实验所显示的曲线也不相同。当实验结束时可以通过图形保存按钮 将所绘制的图形以j p