【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 質(zhì)量差，也沒(méi)有什么控制作用；比例度太小，控制作用太強(qiáng)，容易導(dǎo)致系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差，引發(fā)振蕩。 對(duì)于反應(yīng)靈敏、放大能力強(qiáng)的被控對(duì)象，為提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，應(yīng)當(dāng)使比例度稍大些；而對(duì)于反應(yīng)遲鈍，放大能力又較弱的被控對(duì)象，比例度可選小一些，以提高整個(gè)系統(tǒng)的靈敏度，也可以相應(yīng)減小余差。 單純的比例控制適用于擾動(dòng)不大，滯后較小，負(fù)荷變化小，要求不高，允許有一定余差存在的場(chǎng)合。工業(yè)生產(chǎn)中比例控制規(guī)律使用較為普遍。 ②比例積分（PI）控制比例控制規(guī)律是基本控制規(guī)律中最基本的、應(yīng)用最普遍的一種，其最大優(yōu)點(diǎn)就是控制及時(shí)、迅速。只要有偏差產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用。但是，不能最終消除余差的缺點(diǎn)限制了它的單獨(dú)使用。克服余差的辦法是在比例控制的基礎(chǔ)上加上積分控制作用。 　積分控制器的輸出與輸入偏差對(duì)時(shí)間的積分成正比。這里的“積分”指的是“積累”的意思。積分控制器的輸出不僅與輸入偏差的大小有關(guān)，而且還與偏差存在的時(shí)間有關(guān)。只要偏差存在，輸出就會(huì)不斷累積（輸出值越來(lái)越大或越來(lái)越?。恢钡狡顬榱?，累積才會(huì)停止。所以，積分控制可以消除余差。積分控制規(guī)律又稱無(wú)差控制規(guī)律。 積分時(shí)間的大小表征了積分控制作用的強(qiáng)弱。積分時(shí)間越小，控制作用越強(qiáng)；反之，控制作用越弱。 積分控制雖然能消除余差，但它存在著控制不及時(shí)的缺點(diǎn)。因?yàn)榉e分輸出的累積是漸進(jìn)的，其產(chǎn)生的控制作用總是落后于偏差的變化，不能及時(shí)有效地克服干擾的影響，難以使控制系統(tǒng)穩(wěn)定下來(lái)。所以，實(shí)用中一般不單獨(dú)使用積分控制，而是和比例控制作用結(jié)合起來(lái)，構(gòu)成比例積分控制。這樣取二者之長(zhǎng)，互相彌補(bǔ)，既有比例控制作用的迅速及時(shí)，又有積分控制作用消除余差的能力。因此，比例積分控制可以實(shí)現(xiàn)較為理想的過(guò)程控制。比例積分控制器是目前應(yīng)用最為廣泛的一種控制器，多用于工業(yè)生產(chǎn)中液位、壓力、流量等控制系統(tǒng)。由于引入積分作用能消除余差，彌補(bǔ)了純比例控制的缺陷，獲得較好的控制質(zhì)量。但是積分作用的引入，會(huì)使系統(tǒng)穩(wěn)定性變差。對(duì)于有較大慣性滯后的控制系統(tǒng)，要盡量避免使用。 ③比例微分（PD）控制比例積分控制對(duì)于時(shí)間滯后的被控對(duì)象使用不夠理想。所謂“時(shí)間滯后”指的是：當(dāng)被控對(duì)象受到擾動(dòng)作用后，被控變量沒(méi)有立即發(fā)生變化，而是有一個(gè)時(shí)間上的延遲，比如容量滯后，此時(shí)比例積分控制顯得遲鈍、不及時(shí)。為此，人們?cè)O(shè)想：能否根據(jù)偏差的變化趨勢(shì)來(lái)做出相應(yīng)的控制動(dòng)作呢？猶如有經(jīng)驗(yàn)的操作人員，即可根據(jù)偏差的大小來(lái)改變閥門(mén)的開(kāi)度（比例作用），又可根據(jù)偏差變化的速度大小來(lái)預(yù)計(jì)將要出現(xiàn)的情況，提前進(jìn)行過(guò)量控制，“防患于未然”。這就是具有“超前”控制作用的微分控制規(guī)律。微分控制器輸出的大小取決于輸入偏差變化的速度。 微分輸出只與偏差的變化速度有關(guān)，而與偏差的大小以及偏差是否存在與否無(wú)關(guān)。如果偏差為一固定值，不管多大，只要不變化，則輸出的變化一定為零，控制器沒(méi)有任何控制作用。微分時(shí)間越大，微分輸出維持的時(shí)間就越長(zhǎng)，因此微分作用越強(qiáng)；反之則越弱。當(dāng)微分時(shí)間為0時(shí)，就沒(méi)有微分控制作用了。同理，微分時(shí)間的選取，也是需要根據(jù)實(shí)際情況來(lái)確定的。 微分控制作用的特點(diǎn)是：動(dòng)作迅速，具有超前調(diào)節(jié)功能，可有效改善被控對(duì)象有較大時(shí)間滯后的控制品質(zhì)；但是它不能消除余差，尤其是對(duì)于恒定偏差輸入時(shí)，根本就沒(méi)有控制作用。因此，不能單獨(dú)使用微分控制規(guī)律。 比例和微分作用結(jié)合，比單純的比例作用更快。尤其是對(duì)容量滯后大的對(duì)象，可以減小動(dòng)偏差的幅度，節(jié)省控制時(shí)間，顯著改善控制質(zhì)量。 ④比例積分微分（PID）控制最為理想的控制當(dāng)屬比例積分微分控制規(guī)律。它集三者之長(zhǎng)：既有比例作用的及時(shí)迅速，又有積分作用的消除余差能力，還有微分作用的超前控制功能。當(dāng)偏差階躍出現(xiàn)時(shí)，微分立即大幅度動(dòng)作，抑制偏差的這種躍變；比例也同時(shí)起消除偏差的作用，使偏差幅度減小，由于比例作用是持久和起主要作用的控制規(guī)律，因此可使系統(tǒng)比較穩(wěn)定；而積分作用慢慢把余差克服掉。只要三個(gè)作用的控制參數(shù)選擇得當(dāng)，便可充分發(fā)揮三種控制規(guī)律的優(yōu)點(diǎn)，得到較為理想的控制效果。 數(shù)據(jù)采集卡的選擇數(shù)據(jù)采集板卡的性能與眾多因素相關(guān)，要根據(jù)具體情況來(lái)具體分析。所以在選擇數(shù)據(jù)采集卡構(gòu)成系統(tǒng)時(shí)，首先必須對(duì)數(shù)據(jù)采集卡的性能指標(biāo)有所了解。 數(shù)據(jù)采集卡的主要性能指標(biāo)1）采樣頻率采樣頻率的高低，決定了在一定時(shí)間內(nèi)獲取原始信號(hào)信息的多少，為了能夠較好的再現(xiàn)原始信號(hào)，不產(chǎn)生波形失真，采樣率必須要足夠高才行。根據(jù)奈奎斯特理論采樣頻率至少是原信號(hào)的兩倍，但實(shí)際中，一般都需要5～10倍。2）采樣方法采集卡通常都有好幾個(gè)數(shù)據(jù)通道，如果所有的數(shù)據(jù)通道都輪流使用同一個(gè)放大器和A/D轉(zhuǎn)換器，要比每個(gè)通道單獨(dú)使用各自的經(jīng)濟(jì)的多，但這僅適用于對(duì)時(shí)間不是很重要的場(chǎng)合。如果采樣系統(tǒng)對(duì)時(shí)間要求嚴(yán)格，則必須同時(shí)采集，這就需要每個(gè)通道都有自己的放大和A/D轉(zhuǎn)換器。但是處于成本的考慮，現(xiàn)在普遍流行的是各個(gè)數(shù)據(jù)通道公用一套放大器和A/D轉(zhuǎn)換器。3）分辨率ADC的位數(shù)越多，分辨率就越高，可區(qū)分的電壓就越小。例如，三位的A/D轉(zhuǎn)換把模擬電壓范圍分成23=8段，每段用二進(jìn)制代碼在000到111之間表示。因而，數(shù)字信號(hào)不能真實(shí)地反映原始信號(hào)，因?yàn)橐徊糠中畔⒈宦┑袅恕Ｈ绻黾拥绞?，代碼數(shù)從8增加到212=4096，這樣就可以獲得就能獲得十分精確的模擬信號(hào)數(shù)字化表示。4）電壓動(dòng)態(tài)范圍電壓范圍指ADC能掃描到的最高和最低電壓。一般最好能夠使進(jìn)入采集卡的電壓范圍剛好與其符合，以便利用其可靠的分辨率范圍。5）I/O通道數(shù)該參數(shù)表明了數(shù)據(jù)采集卡所能夠采集的最多的信號(hào)路數(shù)。 數(shù)據(jù)采集卡(DAQ卡)的組成1）多路開(kāi)關(guān)。將各路信號(hào)輪流切換至放大器的輸入端，實(shí)現(xiàn)多參數(shù)多路信號(hào)的分時(shí)采集。2）放大器。將切換進(jìn)入采集卡的信號(hào)放大至需要的量程內(nèi)。通常中的放大器都是增益可調(diào)的，使用者可根據(jù)需要來(lái)選擇不同的增益倍數(shù)。3）采樣保持器。把采集到的信號(hào)瞬間值，保持在A/D轉(zhuǎn)換的過(guò)程中不變化。4）A/D轉(zhuǎn)換器。將模擬的輸入信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字量輸出，完成信號(hào)幅值的量化。目前，通常將采樣保持器和A/D轉(zhuǎn)換器集成在同一塊芯片上。以上四個(gè)部分是數(shù)據(jù)采集卡的重要組成部分，與其他的電路如定時(shí)/計(jì)數(shù)器、總線接口等電路儀器組成DAQ。 PCI1710HG數(shù)據(jù)采集卡PCI1710HG 是一款 PCI 總線的多功能數(shù)據(jù)采集卡。其先進(jìn)的電路設(shè)計(jì)使得它具有更高的質(zhì)量和更多的功能。 這其中包含五種最常用的測(cè)量和控制功能：12位 A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換、數(shù)字量輸入、數(shù)字量輸出及計(jì)數(shù)器/定時(shí)器功能。 PCI1710HG是研華公司的M系列多功能采集卡。該板卡的主要性能如下：1. 16路單端或 8 路差分模擬量輸入, 或組合方式輸入；2. 12位 A/D 轉(zhuǎn)換器, 采樣數(shù)率可達(dá) 100KHz； 3. 每個(gè)通道的增益可編程； 4. 單端或差分輸入自由組合； 5. 卡上 4K 采樣 FIFO 緩沖器； 6. 2 路 12 位模擬量輸出； 7. 16 路數(shù)字量輸入及 16 路數(shù)字量輸出； 8. 可編程觸發(fā)器/定時(shí)器； 9. 板卡 ID 10. PCI 總線數(shù)據(jù)傳輸基于以上原因，本設(shè)計(jì)選擇了PCI1710數(shù)據(jù)采集卡。 PC機(jī)虛擬儀器就是用通用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力代替以往需要硬件電路才能完成的功能，所以液位控制系統(tǒng)軟件運(yùn)行的計(jì)算機(jī)平臺(tái)的選擇至關(guān)重要。本次設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備都在實(shí)驗(yàn)室，不用考慮設(shè)備在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行時(shí)常常有的較強(qiáng)振動(dòng)、電源干擾和電磁干擾等因素。因此可以選用實(shí)驗(yàn)室通常用的計(jì)算機(jī)。推薦配置：處理器：Intel (R) Core (TM)2 Duo CPU E6550 @ 內(nèi)存：1GB硬盤(pán)：160GB顯卡：128M 液位控制對(duì)象 。,正確開(kāi)關(guān)手動(dòng)截止閥將1~2中任意一組水箱的其中一個(gè)液位作為被控參數(shù)。實(shí)驗(yàn)所需儀器設(shè)備和材料清單如下：液位水箱、差壓變送器、調(diào)節(jié)器、操作器、伺服放大器、調(diào)節(jié)閥、萬(wàn)用表、連接導(dǎo)線、其它實(shí)驗(yàn)主要儀器的連接端子已安裝于實(shí)驗(yàn)接線面板上。圖2. 8水箱液位實(shí)驗(yàn)對(duì)象：C：控制器（調(diào)節(jié)器）。本設(shè)計(jì)中調(diào)節(jié)器被用作電壓/電流轉(zhuǎn)換器，測(cè)量值輸入為1V5V,操作輸出信號(hào)為4~20mA，每個(gè)調(diào)節(jié)器設(shè)有多對(duì)插座孔（＋，－插孔）。其中:1，2孔為測(cè)量值輸入，11，12外部供壓信號(hào)，27，28孔為調(diào)節(jié)器輸出。27孔（＋）插孔接電壓/電流轉(zhuǎn)換器來(lái)的正信號(hào)，28孔（－）插孔接電壓/電流轉(zhuǎn)換器來(lái)的負(fù)信號(hào)，不能接錯(cuò)。R：伺服放大器，輸入信號(hào)4~20mA，每個(gè)通道有兩個(gè)插座孔，其中1孔（＋）接調(diào)節(jié)器來(lái)的信號(hào)，2孔（－）電動(dòng)操作端子的信號(hào)，注意不能接錯(cuò)。HT：液位變送器。液位變送器為L(zhǎng)SRY或LSRT，水箱量程為0~380mmH2O，變送輸出為4~20mA，通過(guò)接入R=250歐的電阻，使其輸入到數(shù)據(jù)采集卡的信號(hào)為1V—5V。VL：電子式電動(dòng)調(diào)節(jié)閥為電子小流量調(diào)節(jié)閥，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥輸入4~20 mA電流信號(hào)，對(duì)應(yīng)閥門(mén)輸出開(kāi)度0~100%。圖2. 9系統(tǒng)總體接線圖該裝置中的被控變量為1水箱的液位，并將其調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度作為操作變量。一般，支路 1（VL1）流量作為操作變量通路。被調(diào)參數(shù)是1水箱的液位H，調(diào)節(jié)參數(shù)是流入4水箱的水流量Q，水箱液位由液位變送器檢測(cè)得到液位反饋信號(hào)Hf(1V5V電信號(hào))，將其通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡輸入PC機(jī)，它和液位設(shè)定信號(hào)的轉(zhuǎn)換電壓值Hs進(jìn)行比較，得到偏差信號(hào)Hi，調(diào)節(jié)器對(duì)輸入偏差Hi進(jìn)行PID運(yùn)算，輸出變化量u控制信號(hào)，控制電子調(diào)節(jié)閥門(mén)的閥位，改變調(diào)節(jié)參數(shù)Q，使被調(diào)參數(shù)H保持在設(shè)定值。（本設(shè)計(jì)中PID控制環(huán)節(jié)，由Labview提供的PID控制模塊直接控制）圖2. 10液位控制系統(tǒng)原理方框圖 本設(shè)計(jì)的信號(hào)流圖整個(gè)系統(tǒng)從被測(cè)對(duì)象開(kāi)始，通過(guò)傳感器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理模塊進(jìn)行簡(jiǎn)單的信號(hào)出來(lái)，將信號(hào)送PCLD1710接線板，然后通過(guò)PCI總線送入PCI1710多功能數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，然后用軟件進(jìn)行處理。在采集過(guò)程中將數(shù)據(jù)保存起來(lái)，以便以后的歷史數(shù)據(jù)查詢。圖2. 11基于虛擬儀器的液位控制系統(tǒng)信號(hào)流圖第三章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)軟件是虛擬儀器的關(guān)鍵。設(shè)計(jì)一個(gè)虛擬儀器系統(tǒng)，在硬件平臺(tái)確定之后，就可以通過(guò)設(shè)計(jì)不同的軟件，實(shí)現(xiàn)不同的儀器功能。在設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)虛擬儀器的軟件系統(tǒng)時(shí)，需要考慮眾多因素，如硬件需求、計(jì)算機(jī)硬件、操作系統(tǒng)；軟件是否建立在開(kāi)放的結(jié)構(gòu)上，是否需要編程經(jīng)驗(yàn)？利用此軟件程序是否能在不同的計(jì)算機(jī)平臺(tái)上移植?將來(lái)能否方便的擴(kuò)展虛擬儀器的功能。由于選用專用的開(kāi)發(fā)軟件，必須具有一定的儀器以及數(shù)據(jù)采集設(shè)備配合使用。 程序模塊化設(shè)計(jì)概述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能在很大程度上取決于其應(yīng)用軟件的研究與開(kāi)發(fā)，所以在明確了系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)之后，應(yīng)該采用好的程序開(kāi)發(fā)方法，如結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)方法、模塊化思想、多線程以及軟件系統(tǒng)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)等等。 軟件系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)原則為使研制出的軟件具有良好的可靠性、易維護(hù)性、易擴(kuò)充性及易裝卸性，軟件設(shè)計(jì)應(yīng)遵循規(guī)范化的模塊化設(shè)計(jì)原則[13]。1）自頂向下逐步求精的設(shè)計(jì)方法軟件設(shè)計(jì)往往在開(kāi)始時(shí)不了解問(wèn)題的全部細(xì)節(jié)，只能對(duì)問(wèn)題做出全局性的決策，即設(shè)計(jì)表征解決問(wèn)題一般策略的抽象算法。對(duì)抽象算法做進(jìn)一步求精，進(jìn)入下一層抽象。在求精過(guò)程的每一步，抽象概念(語(yǔ)句或數(shù)據(jù))都被精細(xì)化。2）根據(jù)邏輯功能劃分物理模塊① 模塊的分解：消除重復(fù)的功能部分，使得模塊的塊內(nèi)聯(lián)系較高，塊間聯(lián)系較低。② 模塊的合并；③ 模塊的復(fù)制。3）模塊的作用范圍應(yīng)處在模塊的控制范圍之內(nèi)模塊的作用范圍是指模塊內(nèi)判定影響的范圍。只要某模塊中含有依賴于某種判定操作，則該模塊就處于該判定的作用范圍之內(nèi)。4）依據(jù)邏輯功能確定模塊之間的調(diào)用關(guān)系模塊之間的調(diào)用與被調(diào)用，決定于模塊各自的邏輯功能，因而對(duì)模塊的扇入扇出并無(wú)加以限制的必要。一般來(lái)講，底層模塊的扇入較高，頂層模塊的扇出較高。5）模塊接口應(yīng)保持簡(jiǎn)明降低模塊接口的復(fù)雜性，是模塊設(shè)計(jì)中必須考慮的問(wèn)題。保持模塊接口的簡(jiǎn)明，一方面須減少模塊間傳遞的信息量，更重要的是使所傳遞的必要信息具有明確的邏輯含義。6）模塊應(yīng)保持單入口性質(zhì)單入口模塊，易于理解。由于副作用的減少，可以降低錯(cuò)誤的發(fā)生率。模塊的出口可以有多個(gè)，但均應(yīng)具有明確的邏輯含義。7）模塊結(jié)構(gòu)增加中間判斷層次，提高可擴(kuò)充性，模塊A調(diào)用B，以后擴(kuò)充時(shí)還要讓A調(diào)用C()。這樣在擴(kuò)展時(shí)，除增加C外，尚須修改A，這種修改可能是困難的。 ，增加了一個(gè)中間判斷層模塊F，以一個(gè)開(kāi)關(guān)量Flag決定模塊A要調(diào)用的模塊，這樣對(duì)A的修改，僅局限于Flag的設(shè)置，大大較少了工作量。圖3. 1模塊結(jié)構(gòu)增加判斷層次 本設(shè)計(jì)的軟件系統(tǒng)模塊劃分系統(tǒng)程序的主要功能為模塊劃分的標(biāo)準(zhǔn)，其中包括數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示，數(shù)據(jù)保存，歷史數(shù)據(jù)的讀取等功能。 圖3. 2基于虛擬儀器的液位控制系統(tǒng)功能模塊圖系統(tǒng)總體程序流程圖 圖3. 3系統(tǒng)總體程序流程圖 設(shè)計(jì)過(guò)程中的量程變換⑴從差壓變送器傳送到數(shù)據(jù)采集卡中的是1V5V的電信號(hào)，其對(duì)應(yīng)水箱液位值為0mm380mm，要將采集來(lái)的信號(hào)Hf轉(zhuǎn)化為也為的實(shí)際值H，其轉(zhuǎn)換公式：H=（Hf1）（380247。4）=95（Hf1）⑵程序中要求輸入的液位設(shè)定值Xs輸入范圍為0mm380mm，將其轉(zhuǎn)變?yōu)?V5V的電壓信號(hào)Hs，其轉(zhuǎn)換公式：Hs=Xs247。（380247。4）+1=1+（Xs247。95）⑶偏差信號(hào)經(jīng)PID運(yùn)算控制后的輸出信號(hào)U范圍為1V5V,由于執(zhí)行器閥門(mén)開(kāi)度Y%范圍為0%100%，其對(duì)應(yīng)的輸入信號(hào)為4mA20mA，而數(shù)據(jù)采集卡的輸出為1V5V, 1V5V與4mA20mA之間的變換可以用設(shè)備上的調(diào)節(jié)器來(lái)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，這