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基于虚拟仪器的液位控制系统设计系 部 专 业 年 级 学生姓名 学 号 指导教师 赵XX 职称 讲师 The liquid level control system based on virtual instrument designDepartment Subject Grade Name Student ID Teacher ZHAO X X 目录摘 要VIAbstractVIII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Labview51.3.3 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112.1.6 选择合适的测量系统132.2 PID控制理论142.2.1 控制规律的选择152.3 数据采集卡的选择182.3.1 数据采集卡的主要性能指标182.3.2 数据采集卡(DAQ卡)的组成192.3.3 PCI-1710HG数据采集卡192.4 PC机202.5 液位控制对象202.6 本设计的信号流图23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 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283.2.2 PID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总 结34参考文献36附 录37附录137附录240致 谢43总结与体会44基于虚拟仪器的液位控制系统设计摘 要虚拟仪器VI（Visual Instrument）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“Soft is Instruments (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，LabviewVII 第 页毕业设计（论文）专用纸The liquid level control system based on virtual instrument designAbstractNowadays the Visual Instrument ( VI ) is becoming a popular scheme of instruments constitution. It combines the computer platform with standard interface hardware modules and develops testing software to form a system. Utilizing the powerful function of computer system, the visual instrument system has dramatically broken through the limitation of traditional instruments in data acquisition, processing, displaying, storage, etc. The user can not only freely define and combine the computer platform, hardware, software and the required accessories to complete system functions, but also make maintenance, expansion and upgrading. Therefore people gradually accept the conception that software is the instrument. This design uses the PCI - 1710 multi-function data- acquisition card and visual instrument to devise the control system of the experimental water tanks liquid level. This system has the functions of real-time data acquisition, real-time data displaying and storage, a single-loop or cascade PID control of the water tanks liquid level. Besides, it can output the control signal through the data-acquisition card to a real-time control of the liquid level, etc.This design is a successful attempt of the visual instruments in the testing and controlling field. Practice proves that the Visual Instrument is an excellent solution to efficiently fulfill various testing and controlling tasks.Key words: Visual instrument, Liquid-level control, PCI - 1710, PID, Labview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（Visual Instrument）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（Visual Instrument）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“Soft is Instruments (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(National Instruments Corp，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。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，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，美国的惠普和泰克等5家公司在VME总线的基础上，联合提出了一种新型总线系统-VXI(VME eXtension For Instrumentation)总线，即由微机总线VME扩展而成的微机化仪器专用总线。1997年美国NI公司推出了一种新的仪器总线标准PXI总线标准。制定PXI规范的目的是为了将PC的性能价格比优势和PCI总线面向仪器领域的必要扩展结合起来，以期形成一种主流的虚拟仪器测试平台。相对VXI仪器，按PXI总线标准制成的PXI仪器具有成本低、便于组成便携式测试系统等优点2。这些以PC为核心、由测量功能软件支持，具有虚拟控制面板、必要仪器硬件和通信能力的PC仪器或VXI仪器就是虚拟仪器。虚拟仪器技术的出现，使得用户可以自己定义仪器，灵活地设计仪器系统，满足多种多样的实际需求。随着虚拟仪器软件开发平台及硬件的发展，基于虚拟仪器的仪器系统的开发周期更短，费用更低，测量速度、准确度及可复用性提高，且更便于相应仪器系统的维护和扩展3。基于虚拟仪器技术的数据采集系统的提出在一定程度上解决了传统数据采集所面临的问题，虚拟仪器数据采集系统成为当今数据采集系统发展的重要方向。本文正是在虚拟仪器技术的基础上对多通道数据采集系统进行了设计，实现多路信号的采集，并对实验数据进行实时显示、记录、分析处理。虚拟仪器的出现是仪器发展史上的一场革命，代表着仪器发展的最新趋势和新方向，并且是信息技术的重要领域扩充，对科学技术的发展和工业生产将产生不可估量的影响。1.3 虚拟仪器的开发软件1.3.1 虚拟仪器的开发语言虚拟仪器系统的开发语言有：标准C，Visual C+ ，Visual Basic等通用程序开发语言。但直接由这些语言开发虚拟仪器系统，是有相当难度的。除了通用程序开发语言以外，还有一些专用的虚拟仪器开发语言和软件，其中有影响的开发软件有：NI公司的Labview，LabWindows/CVI。Labview采用图形化编程方案，是非常实用的开发软件。LabWindows/CVI是为熟悉C语言的开发人员准备的，是在Windows环境下的标准ANSIC开发环境。除此以外还有HP公司的HP-VEE ，HP-TIG开发平台，美国Tektronix公司的Ez-Test ，Tek-TNS平台软件，这些都是国际上公认的优秀的虚拟仪器开发软件平台11。1.3.2 图形化虚拟仪器开发平台LabviewLabview(Laboratory Visual Instrument Engineering)是一种图形化的编程语言，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。Labview集成了与满足GPIB、VXI、RS-232和RS-485协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能。它还内置了便于应用TCP/PI、ActiveX等软件标准的库函数，是一个功能强大且灵活的软件。利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得编程及使用过程都更加形象化。目前，在以PC机为基础的测试和工控软件中，Labview的市场普及率仅次于C+/C语言。Labview具有一系列无与伦比的优点：首先，Labview作为图形化语言编程，采用流程图式的编程，运用的设备图标与科学家、工程师们习惯的大部分图标基本一致，这使得编程过程和思维过程非常相似；同时，Labview提供了丰富的VI库和仪器面板素材库，近600种设备的驱动程序(可扩充)如GPIB设备控制、VXI总线控制、串行口设备控制、以及数据分析、显示和存储；并且Labview还提供了专门用于程序开发的工具箱，使得用户能够设置断点，调试过程中可以使用数据探针和动态执行程序来观察数据的传输过程，更加便于程序的调试。因此，Labview受到越来越多工程师、科学家的普遍青睐。利用Labview ，可产生独立运行的可执行文件，它是一个真正的32编译器。像许多通用的软件一样，Labview提供了Windows、UNIX、Linux、Macintosh OS等多种版本12。1.3.3 基于Labview平台的虚拟仪器程序设计所有的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/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、图形以及其他控制和显示对象。但并非画出两个控件后程序就可以运行，在前面板后还有一个与之对应的流程图。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。如果将VI与传统仪器相比较，那么前面板上的控件对应的就是传统仪器上的按钮、显示屏等控件，而流程图上的连线端子相当于传统仪器箱内的硬件电路。这种设计思想的优点体现在两方面： 类似流程图的设计思想，很容易被工程人员接受和掌握，特别是那些没有很多程序设计经验的工程人员。 设计的思路和运行过程清晰而且直观。如通过使用数据探针、高亮执行调试等多种方法，程序以较慢的速度运行，使没有执行的代码显示灰色，执行后的代码会高亮显示，同时在线显示数据流线上的数据值，完全跟踪数据流的运行。这为程序的调试和参数的设定带来诸多的方便。3）图标/连接设计：这部分的设计突出体现了虚拟仪器模块化程序设计的思想。在设计大型自动检测系统时一步完成一个复杂系统的设计是相当有难度的。而在Labview中提供的图标/连接工具正是为实现模块化设计而准备的。设计者可把一个复杂自动检测系统分为多个子系统，每一个都可完成一定的功能。这样设计的优点体现在如下几方面： 把一个复杂自动检测系统分为多个子系统，程序设计思路清晰，给设计者调试程序带来了诸多的方便。同时也对于将来系统的维护提供了便利。 一个复杂自动检测系统分为多个子系统，每一个子系统都是一个完整的功能模块，这样把测试功能细节化，便于实现软件复用，大大节省软件研发周期，提高系统设计的可靠性。 便于实现“测试集成”和虚拟仪器库的思想。同时为实现虚拟仪器设计的灵活性提供了前提。1.4 本设计所做的工作 完成对液位信号的采集； 实现对一个液位控制的单回路PID控制算法或串级PID算法，并通过数据采集卡输出控制信号。 态显示采集信号并保存一定时段的液位采集数据和控制信号。第二章 系统设计理论及硬件平台2.1 数据采集理论该部分主要包括数据采集技术概述，传感器，输入信号的分析、调理以及测量系统的选择，下面分别予以说明。2.1.1 数据采集技术概论在计算机广泛应用的今天，数据采集的重要性是十分显著的。它是计算机与外部物理世界连接的桥梁。各种类型信号采集的难易程度差别很大。实际采集时，噪声也可能带来一些麻烦。数据采集时，有一些基本原理要注意，还有更多的实际的问题要解决。假设现在对一个模拟信号x(t)每隔t时间采样一次。时间间隔t被称为采样间隔或者采样周期。它的倒数l/t被称为采样频率，单位是采样数/每秒。t0，t，2t，3t等等，x(t)的数值就被称为采样值。所有x(0)，x(t)，x(2t)都是采样值。这样信号x(t)可以用一组分散的采样值来表示：x(0)，x(t)，x(2t)，x(3t)，x(kt)，图2.1显示了一个模拟信号和它采样后的采样值。采样间隔是t，注意，采样点在时域上是离散的。图2. 1模拟信号采样图如果对信号x(t)采集N个采样点，那么x(t)就可以用下面这个数列表示：X=x0，xl，x2，x3，xNl这个数列被称为信号x(t)的数字化显示或者采样显示。这个数列中仅仅用下标变量编制索引，而不含有任何关于采样率(或t)的信息。所以如果只知道该信号的采样值，并不能知道它的采样率，缺少了时间尺度，也不可能知道信号x(t)的频率。根据采样定理，最低采样频率必须是信号频率的两倍。反过来说，如果给定了采样频率，那么能够正确显示信号而不发生畸变的最大频率叫做恩奎斯特频率，它是采样频率的一半。如果信号中包含频率高于奈奎斯特频率的成分，信号将在直流和恩奎斯特频率之间畸变。图2.2和图2.3显示了一个信号分别用合适的采样率和过低的采样率进行采样的结果。图2. 2合适采样率采样波形图2. 3采样率过低采样波形采样率过低的结果是还原的信号的频率看上去与原始信号不同。这种信号畸变叫做混叠。出现的混频偏差是输入信号的频率和最靠近的采样率整数倍的差的绝对值。为了避免这种情况的发生，通常在信号被采集(A/D)之前，经过一个低通滤波器，将信号中高于奈奎斯特频率的信号成分滤去。理论上设置采样频率为被采集信号最高频率成分的2倍就够了，但实际上工程中选用5-10倍，有时为了较好地还原波形，甚至更高一些。2.1.2 采集系统的一般组成图2. 4数据采集结构图图2.4表示了数据采集的结构。在数据采集之前，程序将对采集板卡初始化，板卡上和内存中的Buffer是数据采集存储的中间环节。2.1.3 传感器传感器部分是跟外界沟通的门户，负责把外界的各种物理信息，如光、压力、温度、声音等物理信号变成电信号。因为被控制对象的信号来源已经是变换好的1V-5V的电信号，所以传感器部分在设计中没有得到具体体现，但是这部分是设计过程中必需要考虑的。2.1.4 信号调理从传感器得到的信号大多要经过调理才能进入数据采集设备，信号调理功能包括放大、隔离、滤波、激励、线性化等。由于不同传感器有不同的特性，除了这些通用功能外，还要根据具体传感器的特性和要求来设计特殊的信号调理功能。信号调理的通用功能如下：放大隔离滤波激励 线性化数字信号调理 2.1.5 输入信号的连接方式一个电压信号可以分为接地和浮动两种类型。测量系统可以分为差分(Differential)、参考地单端(RSE)、无参考地单端(NRSE)三种类型。测量系统分类1）差分测量系统(DEF)差分测量系统中，信号输入端与一个模拟入通道相连接。具有放大器的数据采集卡可配置成差分测量系统。图2.5描述了一个8通道的差分测量系统，用一个放大器通过模拟多路转换器进行通道间的转换。标有AIGND(模拟输入地)的管脚就是测量系统的地。一个理想的差分测量系统仅能测出(+)和(-)输入端口之间的电位差，完全不会测量到共模电压。然而，实际应用的板卡却限制了差分测量系统抵抗共模电压的能力，数据采集卡的共模电压的范围限制了相对与测量系统地的输入电压的波动范围。共模电压的范围关系到一个数据采集卡的性能，可以用不同的方式来消除共模电压的影响。如果系统共模电压超过允许范围，需要限制信号地与数据采集卡的地之间的浮地电压，以避免测量数据错误。图2. 5八通道差分测量系统2）参考地单端测量系统(RSE)一个RSE测量系统，也叫做接地测量系统，被测信号的一端接模拟输入通道，另一端连接系统地AIGND。图2.6表示了一个16通道的RSE测量系统。图2. 6十六通道RSE测量系统3）无参考地单端测量系统(NRSE)在NRSE测量系统中，信号的一端接模拟输入通道，另一端接一个公用参考端，但这个参考端电压相对于测量系统的地来说是不断变化的。图2.7说明了一个NRSE测量系统，其中AISENSE是测量的公共参考端，AIGND是系统的地。图2. 7十六通道NRSE测量系统2.1.6 选择合适的测量系统两种信号源和三种测量系统一共可以组成如表2.1的六种连接方式：表2.1 测量系统连接方式接地信号浮动信号DEFRSENRSE其中，推荐使用带号的方式。从上表可以看出，浮动信号和差分连接方式的系统较好，但实际测量时还要看情况而定，本设计采用的是差分方式进行连接。2.2 PID控制理论 PID控制器（比例-积分-微分控制器），由比例单元P积分单元 I 和微分单元 D 组成。通过Kp，Ki和Kd三个参数的设定。PID控制器主要适用于基本线性和动态特性不随时间变化的系统。 PID 控制器是一个在工业控制应用中常见的反馈回路部件。这个控制器把收集到的数据和一个参考值进行比较，然后把这个差别用于计算新的输入值，这个新的输入值的目的是可以让系统的数据达到或者保持在参考值。和其他简单的控制运算不同，PID控制器可以根据历史数据和差别的出现率来调整输入值，这样可以使系统更加准确，更加稳定。PID是以它的三种纠正算法而命名的。这三种算法都是用加法调整被控制的数值。而实际上这些加法运算大部分变成了减法运算因为被加数总是负值。这三种算法是： 比例- 来控制当前，误差值和一个负常数P（表示比例）相乘，然后和预定的值相加。P只是在控制器的输出和系统的误差成比例的时候成立。这种控制器输出的变化与输入控制器的偏差成比例关系。积分 - 来控制过去，误差值是过去一段时间的误差和，然后乘以一个负常数I，然后和预定值相加。I从过去的平均误差值来找到系统的输出结果和预定值的平均误差。一个简单的比例系统会振荡，会在预定值的附近来回变化，因为系统无法消除多余的纠正。通过加上一个负的平均误差比例值，平均的系统误差值就会总是减少。所以，最终这个PID回路系统会在预定值定下来。 导数 - 来控制将来，计算误差的一阶导，并和一个负常数D相乘，最后和预定值相加。这个导数的控制会对系统的改变作出反应。导数的结果越大，那么控制系统就对输出结果作出更快速的反应。这个D参数也是PID被称为可预测的控制器的原因。D参数对减少控制器短期的改变很有帮助。一些实际中的速度缓慢的系统可以不需要D参数。 用更专业的话来讲，一个PID控制器可以被称作一个在频域系统的滤波器。这一点在计算它是否会最终达到稳定结果时很有用。如果数值挑选不当，控制系统的输入值会反复振荡，这导致系统可能永远无法达到预设值。2.2.1 控制规律的选择尽管不同类型的控制器，其结构、原理各不相同，但是基本控制规律只有三个：比例（P）控制、积分（I）控制和微分（D）控制。这几种控制规律可以单独使用，但是更多场合是组合使用。如比例（P）控制、比例-积分（PI）控制、比例-积分-微分（PID）控制等。 比例（P）控制单独的比例控制也称“有差控制”，输出的变化与输入控制器的偏差成比例关系，偏差越大输出越大。实际应用中，比例度的大小应视具体情况而定，比例度太大，控制作用太弱，不利于系统克服扰动，余差太大，控制质量差，也没有什么控制作用；比例度太小，控制作用太强，容易导致系统的稳定性变差，引发振荡。 对于反应灵敏、放大能力强的被控对象，为提高系统的稳定性，应当使比例度稍大些；而对于反应迟钝，放大能力又较弱的被控对象，比例度可选小一些，以提高整个系统的灵敏度，也可以相应减小余差。 单纯的比例控制适用于扰动不大，滞后较小，负荷变化小，要求不高，允许有一定余差存在的场合。工业生产中比例控制规律使用较为普遍。 比例积分（PI）控制比例控制规律是基本控制规律中最基本的、应用最普遍的一种，其最大优点就是控制及时、迅速。只要有偏差产生，控制器立即产生控制作用。但是，不能最终消除余差的缺点限制了它的单独使用。克服余差的办法是在比例控制的基础上加上积分控制作用。 积分控制器的输出与输入偏差对时间的积分成正比。这里的“积分”指的是“积累”的意思。积分控制器的输出不仅与输入偏差的大小有关，而且还与偏差存在的时间有关。只要偏差存在，输出就会不断累积（输出值越来越大或越来越小），一直到偏差为零，累积才会停止。所以，积分控制可以消除余差。积分控制规律又称无差控制规律。 积分时间的大小表征了积分控制作用的强弱。积分时间越小，控制作用越强；反之，控制作用越弱。 积分控制虽然能消除余差，但它存在着控制不及时的缺点。因为积分输出的累积是渐进的，其产生的控制作用总是落后于偏差的变化，不能及时有效地克服干扰的影响，难以使控制系统稳定下来。所以，实用中一般不单独使用积分控制，而是和比例控制作用结合起来，构成比例积分控制。这样取二者之长，互相弥补，既有比例控制作用的迅速及时，又有积分控制作用消除余差的能力。因此，比例积分控制可以实现较为理想的过程控制。比例积分控制器是目前应用最为广泛的一种控制器，多用于工业生产中液位、压力、流量等控制系统。由于引入积分作用能消除余差，弥补了纯比例控制的缺陷，获得较好的控制质量。但是积分作用的引入，会使系统稳定性变差。对于有较大惯性滞后的控制系统，要尽量避免使用。 比例微分（PD）控制比例积分控制对于时间滞后的被控对象使用不够理想。所谓“时间滞后”指的是：当被控对象受到扰动作用后，被控变量没有立即发生变化，而是有一个时间上的延迟，比如容量滞后，此时比例积分控制显得迟钝、不及时。为此，人们设想：能否根据偏差的变化趋势来做出相应的控制动作呢？犹如有经验的操作人员，即可根据偏差的大小来改变阀门的开度（比例作用），又可根据偏差变化的速度大小来预计将要出现的情况，提前进行过量控制，“防患于未然”。这就是具有“超前”控制作用的微分控制规律。微分控制器输出的大小取决于输入偏差变化的速度。 微分输出只与偏差的变化速度有关，而与偏差的大小以及偏差是否存在与否无关。如果偏差为一固定值，不管多大，只要不变化，则输出的变化一定为零，控制器没有任何控制作用。微分时间越大，微分输出维持的时间就越长，因此微分作用越强；反之则越弱。当微分时间为0时，就没有微分控制作用了。同理，微分时间的选取，也是需要根据实际情况来确定的。 微分控制作用的特点是：动作迅速，具有超前调节功能，可有效改善被控对象有较大时间滞后的控制品质；但是它不能消除余差，尤其是对于恒定偏差输入时，根本就没有控制作用。因此，不能单独使用微分控制规律。 比例和微分作用结合，比单纯的比例作用更快。尤其是对容量滞后大的对象，可以减小动偏差的幅度，节省控制时间，显著改善控制质量。 比例积分微分（PID）控制最为理想的控制当属比例-积分-微分控制规律。它集三者之长：既有比例作用的及时迅速，又有积分作用的消除余差能力，还有微分作用的超前控制功能。当偏差阶跃出现时，微分立即大幅度动作，抑制偏差的这种跃变；比例也同时起消除偏差的作用，使偏差幅度减小，由于比例作用是持久和起主要作用的控制规律，因此可使系统比较稳定；而积分作用慢慢把余差克服掉。只要三个作用的控制参数选择得当，便可充分发挥三种控制规律的优点，得到较为理想的控制效果。2.3 数据采集卡的选择数据采集板卡的性能与众多因素相关，要根据具体情况来具体分析。所以在选择数据采集卡构成系统时，首先必须对数据采集卡的性能指标有所了解。2.3.1 数据采集卡的主要性能指标1）采样频率采样频率的高低，决定了在一定时间内获取原始信号信息的多少，为了能够较好的再现原始信号，不产生波形失真，采样率必须要足够高才行。根据奈奎斯特理论采样频率至少是原信号的两倍，但实际中，一般都需要510倍。2）采样方法采集卡通常都有好几个数据通道，如果所有的数据通道都轮流使用同一个放大器和A/D转换器，要比每个通道单独使用各自的经济的多，但这仅适用于对时间不是很重要的场合。如果采样系统对时间要求严格，则必须同时采集，这就需要每个通道都有自己的放大和A/D转换器。但是处于成本的考虑，现在普遍流行的是各个数据通道公用一套放大器和A/D转换器。3）分辨率ADC的位数越多，分辨率就越高，可区分的电压就越小。例如，三位的A/D转换把模拟电压范围分成23=8段，每段用二进制代码在000到111之间表示。因而，数字信号不能真实地反映原始信号，因为一部分信息被漏掉了。如果增加到十二位，代码数从8增加到212=4096，这样就可以获得就能获得十分精确的模拟信号数字化表示。4）电压动态范围电压范围指ADC能扫描到的最高和最低电压。一般最好能够使进入采集卡的电压范围刚好与其符合，以便利用其可靠的分辨率范围。5）I/O通道数该参数表明了数据采集卡所能够采集的最多的信号路数。2.3.2 数据采集卡(DAQ卡)的组成1）多路开关。将各路信号轮流切换至放大器的输入端，实现多参数多路信号的分时采集。2）放大器。将切换进入采集卡的信号放大至需要的量程内。通常中的放大器都是增益可调的，使用者可根据需要来选择不同的增益倍数。3）采样保持器。把采集到的信号瞬间值，保持在A/D转换的过程中不变化。4）A/D转换器。将模拟的输入信号转化为数字量输出，完成信号幅值的量化。目前，通常将采样保持器和A/D转换器集成在同一块芯片上。以上四个部分是数据采集卡的重要组成部分，与其他的电路如定时/计数器、总线接口等电路仪器组成DAQ。2.3.3 PCI-1710HG数据采集卡PCI-1710HG 是一款 PCI 总线的多功能数据采集卡。其先进的电路设计使得它具有更高的质量和更多的功能。 这其中包含五种最常用的测量和控制功能：12位 A/D转换、D/A转换、数字量输入、数字量输出及计数器/定时器功能。 PCI-1710HG是研华公司的M系列多功能采集卡。该板卡的主要性能如下：1. 16路单端或 8 路差分模拟量输入, 或组合方式输入；2. 12位 A/D 转换器, 采样数率可达 100KHz； 3. 每个通道的增益可编程； 4. 单端或差分输入自由组合； 5. 卡上 4K 采样 FIFO 缓冲器； 6. 2 路 12 位模拟量输出； 7. 16 路数字量输入及 16 路数字量输出； 8. 可编程触发器/定时器； 9. 板卡 ID 10. PCI 总线数据传输基于以上原因，本设计选择了PCI-1710数据采集卡。2.4 PC机虚拟仪器就是用通用计算机强大的数据处理能力代替以往需要硬件电路才能完成的功能，所以液位控制系统软件运行的计算机平台的选择至关重要。本次设计的实验设备都在实验室，不用考虑设备在工业现场运行时常常有的较强振动、电源干扰和电磁干扰等因素。因此可以选用实验室通常用的计算机。推荐配置：处理器：Intel (R) Core (TM)2 Duo CPU E6550 2.33GHz内存：1GB硬盘：160GB显卡：128M2.5 液位控制对象 测控技术与仪器实验室水箱液位实验对象组成如图2.8所示。本实验要求根据图2.8,正确开关手动截止阀将1#2#中任意一组水箱的其中一个液位作为被控参数，。实验所需仪器设备和材料清单如下：液位水箱、差压变送器、调节器、操作器、伺服放大器、调节阀、万用表、连接导线、其它实验主要仪器的连接端子已安装于实验接线面板上。图2. 8水箱液位实验对象系统总体接线图如图2.9所示：C：控制器（调节器）。本设计中调节器被用作电压/电流转换器，测量值输入为1V-5V,操作输出信号为420mA，每个调节器设有多对插座孔（，插孔）。其中:1，2孔为测量值输入，11，12外部供压信号，27，28孔为调节器输出。27孔（）插孔接电压/电流转换器来的正信号，28孔（）插孔接电压/电流转换器来的负信号，不能接错。R：伺服放大器，输入信号420mA，每个通道有两个插座孔，其中1孔（）接调节器来的信号，2孔（）电动操作端子的信号，注意不能接错。HT：液位变送器。液位变送器为LSRY或LSRT，水箱量程为0380mmH2O，变送输出为420mA，通过接入R=250欧的电阻，使其输入到数据采集卡的信号为1V5V。VL：电子式电动调节阀为电子小流量调节阀，电动调节阀输入420 mA电流信号，对应阀门输出开度0100%。图2. 9系统总体接线图该装置中的被控变量为1#水箱的液位，并将其调节阀的开度作为操作变量。一般，支路 1（VL1）流量作为操作变量通路。被调参数是1#水箱的液位H，调节参数是流入4#水箱的水流量Q，水箱液位由液位变送器检测得到液位反馈信号Hf(1V-5V电信号)，将其通过数据采集卡输入PC机，它和液位设定信号的转换电压值Hs进行比较，得到偏差信号Hi，调节器对输入偏差Hi进行PID运算，输出变化量u控制信号，控制电子调节阀门的阀位，改变调节参数Q，使被调参数H保持在设定值。液位控制系统控制原理如图2.10所示。（本设计中PID控制环节，由Labview提供的PID控制模块直接控制）图2. 10液位控制系统原理方框图2.6 本设计的信号流图整个系统从被测对象开始，通过传感器转换成电信号，经过信号调理模块进行简单的信号出来，将信号送PCLD-1710接线板，然后通过PCI总线送入PCI-1710多功能数据采集卡进行数据采集，然后用软件进行处理。在采集过程中将数据保存起来，以便以后的历史数据查询。具体框图见图2.11基于虚拟仪器的液位控制系统信号流图。图2. 11基于虚拟仪器的液位控制系统信号流图第三章 系统软件设计软件是虚拟仪器的关键。设计一个虚拟仪器系统，在硬件平台确定之后，就可以通过设计不同的软件，实现不同的仪器功能。在设计、实现虚拟仪器的软件系统时，需要考虑众多因素，如硬件需求、计算机硬件、操作系统；软件是否建立在开放的结构上，是否需要编程经验？利用此软件程序是否能在不同的计算机平台上移植?将来能否方便的扩展虚拟仪器的功能。由于选用专用的开发软件，必须具有一定的仪器以及数据采集设备配合使用。3.1 程序模块化设计概述数据采集系统的性能在很大程度上取决于其应用软件的研究与开发，所以在明确了系统设计目标之后，应该采用好的程序开发方法，如结构化设计方法、模块化思想、多线程以及软件系统的评价标准等等。3.1.1 软件系统的模块化设计原则为使研制出的软件具有良好的可靠性、易维护性、易扩充性及易装卸性，软件设计应遵循规范化的模块化设计原则13。1）自顶向下逐步求精的设计方法软件设计往往在开始时不了解问题的全部细节，只能对问题做出全局性的决策，即设计表征解决问题一般策略的抽象算法。对抽象算法做进一步求精，进入下一层抽象。在求精过程的每一步，抽象概念(语句或数据)都被精细化。2）根据逻辑功能划分物理模块 模块的分解：消除重复的功能部分，使得模块的块内联系较高，块间联系较低。 模块的合并； 模块的复制。3）模块的作用范围应处在模块的控制范围之内模块的作用范围是指模块内判定影响的范围。只要某模块中含有依赖于某种判定操作，则该模块就处于该判定的作用范围之内。4）依据逻辑功能确定模块之间的调用关系模块之间的调用与被调用，决定于模块各自的逻辑功能，因而对模块的扇入扇出并无加以限制的必要。一般来讲，底层模块的扇入较高，顶层模块的扇出较高。5）模块接口应保持简明降低模块接口的复杂性，是模块设计中必须考虑的问题。保持模块接口的简明，一方面须减少模块间传递的信息量，更重要的是使所传递的必要信息具有明确的逻辑含义。6）模块应保持单入口性质单入口模块，易于理解。由于副作用的减少，可以降低错误的发生率。模块的出口可以有多个，但均应具有明确的逻辑含义。7）模块结构增加中间判断层次，提高可扩充性图3.1-a，模块A调用B，以后扩充时还要让A调用C(图3.1-b)。这样在扩展时，除增加C外，尚须修改A，这种修改可能是困难的。图3.1-c ，增加了一个中间判断层模块F，以一个开关量Flag决定模块A要调用的模块，这样对A的修改，仅局限于Flag的设置，大大较少了工作量。图3. 1模块结构增加判断层次3.1.2 本设计的软件系统模块划分系统程序的主要功能为模块划分的标准，其中包括数据采集，数据实时显示，数据保存，历史数据的读取等功能。具体结构见图3.2基于虚拟仪器的液位控制系统功能模块图。 图3. 2基于虚拟仪器的液位控制系统功能模块图系统总体程序流程图 图3. 3系统总体程序流程图3.1.3 设计过程中的量程变换从差压变送器传送到数据采集卡中的是1V-5V的电信号，其对应水箱液位值为0mm-380mm，要将采集来的信号Hf转化为也为的实际值H，其转换公式：H=（Hf-1）（3804）=95（Hf-1）程序中要求输入的液位设定值Xs输入范围为0mm-380mm，将其转变为1V-5V的电压信号Hs，其转换公式：Hs=Xs（3804）+1=1+（Xs95）偏差信号经PID运算控制后的输出信号U范围为1V-5V,由于执行器阀门开度Y%范围为0%-100%，其对应的输入信号为4mA-20mA，而数据采集卡的输出为1V-5V, 1V-5V与4mA-20mA之间的变换可以用设备上的调节器来进行转化，这里当电压为1V时对应的电流为4mA,其间为线性变换。其转换公式：Y=(U-1)253.2 系统