【導(dǎo)讀】本設(shè)計(jì)的信號(hào)流程圖...

　　

【正文】 ，對(duì)應(yīng)閥門輸出開度 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 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。液位控制系統(tǒng)控制原理如圖 所示。（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） 貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 22 頁 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)象開始，通過傳感器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)調(diào)理模塊進(jìn)行簡(jiǎn)單的信號(hào)出來，將信號(hào)送 PCLD1710 接線板，然后通過 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。在采集過程中將數(shù)據(jù)保存起來，以便以后的歷史 數(shù)據(jù)查詢。具體框圖見圖 基于虛擬儀器的液位控制系統(tǒng) 信號(hào)流圖 。 貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 23 頁 圖 2. 11基于虛擬儀器的液位控制系統(tǒng) 信號(hào)流圖 貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 24 頁 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 ?將來能否方便的擴(kuò)展虛擬儀器的功能。由于選用 專用的開發(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)往往在開始時(shí)不了解問題的全部細(xì)節(jié)，只能對(duì)問題做出全局性的決策，即設(shè)計(jì)表 征解決問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。在求精過程的每一步，抽象概念 (語句或數(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； 貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 25 頁 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加以限制的必要。一般來講，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 圖 ，模塊 A調(diào)用 B，以后擴(kuò)充時(shí)還要讓 A調(diào)用 C(圖 )。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。 圖 ，增加了一個(gè)中間判斷層模塊 F，以一個(gè)開關(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。 ABAB CAF l a g = ?BAF l a g = ?B C( a ) ( b ) ( c ) ( d ) 圖 3. 1模塊結(jié)構(gòu)增加判斷層次 貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 26 頁 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。具體結(jié)構(gòu)見圖 基于虛擬儀 器的液位控制系統(tǒng)功能模塊圖。 圖 3. 2基于虛擬儀器的液位控制系統(tǒng)功能模塊圖 貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 27 頁 系統(tǒng)總體程序流程圖 圖 3. 3 系統(tǒng)總體程序流程圖 貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 28 頁 設(shè)計(jì)過程中的量程變換 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)?1V5V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)行器閥門開度 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)器來進(jìn)行轉(zhuǎn)化，這里當(dāng)電壓為 1V 時(shí)對(duì)應(yīng)的電流為 4mA,其間為線性變換。其轉(zhuǎn)換公式： Y=(U1) 25 系統(tǒng) 各模塊 應(yīng)用程序 數(shù)據(jù)采集與輸出程序 系統(tǒng)采用的是 PCI1710 的多功能數(shù) 據(jù)采集卡，由于該卡不支持 DAQmx驅(qū)動(dòng)程序，所以本設(shè)計(jì)是在 PCI1710 采集卡提供的例子程序的基礎(chǔ)上開發(fā)的，在這部分中，主要的采集參數(shù)的設(shè)置包括采樣與輸出通道的選擇，采樣模式、采樣周期等。具體程序見圖 。 圖 3. 4數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)輸出程序 貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 29 頁 PID 控制算法程序 根據(jù)畢業(yè)設(shè)計(jì)要求，本設(shè)計(jì)采用了帶死區(qū) PID 算法。圖 是帶死區(qū) PID 算法的程序。 本設(shè)計(jì)中 PID 控制過程采用 Labview 軟件中自帶的軟件包中的 PID 子程序。 本設(shè)計(jì)添加了控制過程的手動(dòng) /自動(dòng)切換功能 ，通過調(diào)節(jié)前面板的 手動(dòng) /自動(dòng) 按鈕就可進(jìn)行手動(dòng)與自動(dòng)之間的切換，是控制過程更加方便，使界面更友好。 圖 3. 5 帶死區(qū) PID算法 數(shù)據(jù)保存程序 數(shù)據(jù)保存是把采集來的數(shù)據(jù)保存到 datalog 里，這里可以通過設(shè)置，將采集的數(shù)據(jù)按照一定的時(shí)間間隔保存到 datalog 的表格里。具體程序見圖 。 貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 30 頁 圖 3. 6數(shù)據(jù)保存程序 歷史數(shù)據(jù)讀取程序 歷史數(shù)據(jù)查詢，因?yàn)橐呀?jīng)把采集的數(shù)據(jù)保存在 datalog 里，所以歷史數(shù)據(jù)只需用讀取程序 讀出來供計(jì)算時(shí)使用，每個(gè)數(shù)據(jù)的在時(shí)間上是唯一的。具體程序見圖 。 圖 3. 7歷史數(shù)據(jù)查詢程序 貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 31 頁 第四章 系統(tǒng)軟件的具體實(shí)現(xiàn) 系統(tǒng)監(jiān)控界面 當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)在監(jiān)控界面中可以選擇控制對(duì)象，可以點(diǎn)擊手動(dòng) /自動(dòng)按鈕改變控制方式，自動(dòng)控制時(shí)可以從鍵盤輸入設(shè)定值、 PID 控制參數(shù)，死區(qū)值，手動(dòng)控制時(shí)可以輸入閥門開度值，界面中顯示實(shí)時(shí)控制曲線及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。圖 4. 1系統(tǒng)監(jiān)控界面 實(shí)驗(yàn) 步驟 及其 調(diào)試 結(jié)果 根據(jù) 本設(shè)計(jì)要求 ，在實(shí)驗(yàn)設(shè)備上連線，按要 求組成單回路水箱液位控制系統(tǒng)。 設(shè)備運(yùn)行前進(jìn)行檢查，確定連線正確及設(shè)備保護(hù)措施具備， 運(yùn)行 Labview 軟件中編寫的程序，將自動(dòng) /手動(dòng)按鈕按到手動(dòng)處， 以使系統(tǒng)處于開環(huán)狀態(tài)。 貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 32 頁 合上兩個(gè)空氣開關(guān)，為設(shè)備通電，按下啟動(dòng)按鈕，水箱開始注水，設(shè)定水箱水位的滿值 為 380mm 和零值 為 0mm，根據(jù)此值對(duì)差動(dòng)變壓器進(jìn)行零點(diǎn)調(diào)整和滿刻度調(diào)整，為以后差動(dòng)變壓器的使用做準(zhǔn)備。 初始化程序中的各參數(shù)， 再次 Labview 軟件中編寫的程序，將自動(dòng) /手動(dòng)按鈕按到手 “ 自動(dòng) ”，系統(tǒng)變?yōu)殚]環(huán)， 直接觀察實(shí)時(shí)曲線 ，等待水位再次達(dá)到平衡，觀察曲線是否滿足實(shí)驗(yàn)要求的性能，如果不滿足， 找出并解決問題，然后 重復(fù)進(jìn)行第 四 步直到完成要求。 最后將滿足要求的曲線保存。 ，關(guān)閉電源，拆掉連線，整理實(shí)驗(yàn)設(shè)備。 Labview 提供了非常豐富的圖形界面來進(jìn)行前面板的設(shè)計(jì)，波形圖表能非常清晰的實(shí)時(shí)顯示采集的液位波形。該面板靈活運(yùn)用采用了屬性節(jié)點(diǎn)來編程實(shí)現(xiàn)的。非常清楚的表達(dá)了采集波形的動(dòng)態(tài)曲線。系統(tǒng)調(diào)試結(jié) 果如 圖 4. 2所示 ，由圖可知，系統(tǒng)很好的實(shí)現(xiàn)了控制功能，經(jīng)過一段時(shí)間的波動(dòng)，也為最終穩(wěn)定在 100mm 處，閥門開度最終穩(wěn) 定在 23%處。 圖 4. 3帶死區(qū) PID運(yùn)行曲線 貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 33 頁 歷史數(shù)據(jù)讀取 對(duì)采集數(shù)據(jù)的保存是本設(shè)計(jì)的一個(gè)突出特點(diǎn)，數(shù)據(jù)保存有著實(shí)際的意義，這樣便于以后訪問歷史數(shù)據(jù)，還可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程訪問。運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)讀取程序即可將記錄的數(shù)據(jù)讀取出來，考慮到有時(shí) 保存 大量數(shù)據(jù) 而 不利于顯示， 我們只要輸入系統(tǒng)運(yùn)行后所經(jīng)歷的時(shí)間即可查詢到從該時(shí)刻開始的連續(xù) 4 秒內(nèi)的數(shù)據(jù)，如 圖 ，在索引出輸入“ 0” 后即可顯示最初四秒的液位值，在如圖 ，在索引出輸入“ 600”后即顯示運(yùn)行開始后第 600， 601， 602， 603 秒的液位值。 圖 4. 4歷史數(shù)據(jù)表格顯示界面 圖 4. 5 歷史數(shù)據(jù)表格顯示界面 貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 34 頁 第五章 總 結(jié) 在這兩個(gè)多月的畢業(yè)設(shè)計(jì)中，我用在課堂上所學(xué)到的知識(shí)親自去設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試一個(gè)完整的自動(dòng)控制系統(tǒng)，雖然只是部分地實(shí)現(xiàn)了所給定的功能要求，但我覺得收獲還是很多的，可以從以下幾個(gè)方面來說： 1. 在整個(gè)設(shè)計(jì)中我學(xué)會(huì)了在復(fù)雜的問題面前怎樣去分析，找到問題的關(guān)鍵所在，而且認(rèn)識(shí)到這種能力的重要性。比如說，在程序設(shè)計(jì)的前幾 天，我對(duì)設(shè)計(jì)中所用到的軟件、控制裝置都不了解，感覺什么都不會(huì)，無從下手，但當(dāng)我了解到這些東西在設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中所起的作用后，從整體上看時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)的流程就明了了，就明白了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需求，知道我應(yīng)該做什么了，我覺得這就算是抓住了問題的關(guān)鍵吧。 ，所涉及的硬件部分都有現(xiàn)成的。但是對(duì)硬件的了解也是必需要做的工作，特別是對(duì) PCI1710 采集卡的了解。在程序編寫的過程中，遇到了很多問題，特別是在開始階段，由于不熟悉 Labview 軟件和編程原則，我犯了很多錯(cuò)誤，在單通道的輸入輸出程序編寫中 ，由于對(duì)基本的條件結(jié)構(gòu)不熟悉，調(diào)試了很多遍，最后在同學(xué)的幫助下才順利完成了數(shù)據(jù)采集與輸出任務(wù)。在編程后期，編寫的 PID控制程序的作用一直無法實(shí)現(xiàn)，經(jīng)過老師的幫助和自己的認(rèn)真思考，找出并順利解決了問題。 3．這次畢業(yè)設(shè)計(jì)也讓我體會(huì)到了現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境特殊性。我在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的后一部分中，遇到的很多問題都與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)本身沒什么關(guān) 系，而是與一些環(huán)境因素有關(guān)的問題。比如說，由于 實(shí)驗(yàn)條件的限制， 在控制過程中由于電壓源的擾動(dòng)特別大，輸出的數(shù)據(jù)波動(dòng)特別大，經(jīng)過分析我在電阻兩端并聯(lián)了一個(gè)電容，使外部擾動(dòng)大大減小，很好的完成了實(shí)驗(yàn)，實(shí) 現(xiàn)了設(shè)計(jì)要求 。我所用的 PC 機(jī)也因經(jīng)常出現(xiàn)故障設(shè)計(jì)進(jìn)度大為減緩。這都說明了在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)條件所遇到的問題是多種多樣的，不同的環(huán)境有不同的特殊性，要具體問題具體分析。 貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 35 頁 ，理論聯(lián)系實(shí)際的能力不夠。我學(xué)過《測(cè)控系統(tǒng)原理與設(shè)計(jì)》和《控制儀表與計(jì)算機(jī)控制裝置》，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原理都可以在所學(xué)的課程中找到，但實(shí)際操作中還有點(diǎn)模糊