【導讀】本設計的信號流程圖...

　　

【正文】 ，對應閥門輸出開度 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得到液位反饋信號 Hf(1V5V電信號 )，將其通過數(shù)據(jù)采集卡輸入 PC機，它和液位設定信號的轉換電壓值 Hs 進行比較，得到偏差信號 Hi，調(diào)節(jié)器對輸入偏差 Hi進行 PID 運算，輸出變化量 u 控制信號，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保持在設定值。液位控制系統(tǒng)控制原理如圖 所示。（本設計中 PID 控制環(huán)節(jié)，由 Labview 提供的 PID 控制模塊直接控制） 貴州大學本科畢業(yè)論文（設計） 第 22 頁 圖 2. 10液位控制系統(tǒng)原理方框圖 本設計 的 信號流圖 整個系統(tǒng)從被測對象開始，通過傳感器轉換成電信號，經(jīng)過信號調(diào)理模塊進行簡單的信號出來，將信號送 PCLD1710 接線板，然后通過 PCI 總線送入 PCI1710 多功能數(shù)據(jù)采集卡進行數(shù)據(jù)采集，然后用軟件進行處理。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) 信號流圖 。 貴州大學本科畢業(yè)論文（設計） 第 23 頁 圖 2. 11基于虛擬儀器的液位控制系統(tǒng) 信號流圖 貴州大學本科畢業(yè)論文（設計） 第 24 頁 第三章 系統(tǒng)軟件設計 軟件是虛擬儀器的關鍵。設計一個虛擬儀器系統(tǒng)，在硬件平臺確定之后，就可以通過設計不同的軟件，實現(xiàn)不同的儀器功能。 在設計、實現(xiàn)虛擬儀器的軟件系統(tǒng)時，需要考慮眾多因素，如硬件需求、計算機硬件、操作系統(tǒng)；軟件是否建立在開放的結構上，是否需要編程經(jīng)驗？利用此軟件程序是否能在不同的計算機平臺上移植 ?將來能否方便的擴展虛擬儀器的功能。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)采集設備配合使用。 程序模塊化設計概述 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能在很大程度上取決于其應用軟件的研究與開發(fā)，所以在明確了系統(tǒng)設計目標之后，應該采用好的程序開發(fā)方法，如結構化設計方法、模塊化思想、多線程以及軟件系統(tǒng)的評價標準等等。 軟件系統(tǒng)的模塊化設計原則 為使研制出的軟件具有良好的可靠性、易維護性、易擴充性及易裝卸性，軟件設計應遵循規(guī)范化的模塊化設計原則 [13]。 1）自頂向下逐步求精的設計方法 軟件設計往往在開始時不了解問題的全部細節(jié)，只能對問題做出全局性的決策，即設計表 征解決問題一般策略的抽象算法。對抽象算法做進一步求精，進入下一層抽象。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； 貴州大學本科畢業(yè)論文（設計） 第 25 頁 ③ 模塊的復制。 3）模塊的作用范圍應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）模塊接口應保持簡明 降低模塊接口的復雜性，是模塊設計中必須考慮的問題。保持模塊接口的簡明，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，可以降低錯誤的發(fā)生率。模塊的出口可以有多個，但均應具有明確的邏輯含義。 7）模塊結構增加中間判斷層次，提高可擴充性 圖 ，模塊 A調(diào)用 B，以后擴充時還要讓 A調(diào)用 C(圖 )。這樣在擴展時，除增加 C 外，尚須修改 A，這種修改可能是困難的。 圖 ，增加了一個中間判斷層模塊 F，以一個開關量 Flag 決定模塊 A 要調(diào)用的模塊，這樣對 A 的修改，僅局限于 Flag 的設置，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模塊結構增加判斷層次 貴州大學本科畢業(yè)論文（設計） 第 26 頁 本設計的軟件系統(tǒng)模塊劃分 系統(tǒng)程序的主要功能為模塊劃分的標準，其 中 包括數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)實時顯示，數(shù)據(jù)保存，歷史數(shù)據(jù)的讀取等功能。具體結構見圖 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 貴州大學本科畢業(yè)論文（設計） 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 貴州大學本科畢業(yè)論文（設計） 第 28 頁 設計過程中的量程變換 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，其對應水箱液位值為0mm380mm，要將采集來的信號 Hf 轉化為也為的實際值 H，其轉換公式： H=（ Hf1）（ 380247。 4） =95（ Hf1） ⑵程序中要求輸入的液位設定值 Xs 輸入范圍為 0mm380mm，將其轉變?yōu)?1V5V的電壓信號 Hs，其轉換公式： Hs=Xs247。（ 380247。 4） +1=1+（ Xs247。 95） ⑶偏差信號經(jīng) PID 運算控制后的輸出信號 U范圍為 1V5V,由于執(zhí)行器閥門開度 Y%范圍為 0%100%，其對應的輸入信號為 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備上的調(diào)節(jié)器來進行轉化，這里當電壓為 1V 時對應的電流為 4mA,其間為線性變換。其轉換公式： Y=(U1) 25 系統(tǒng) 各模塊 應用程序 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)動程序，所以本設計是在 PCI1710 采集卡提供的例子程序的基礎上開發(fā)的，在這部分中，主要的采集參數(shù)的設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 貴州大學本科畢業(yè)論文（設計） 第 29 頁 PID 控制算法程序 根據(jù)畢業(yè)設計要求，本設計采用了帶死區(qū) PID 算法。圖 是帶死區(qū) PID 算法的程序。 本設計中 PID 控制過程采用 Labview 軟件中自帶的軟件包中的 PID 子程序。 本設計添加了控制過程的手動 /自動切換功能 ，通過調(diào)節(jié)前面板的 手動 /自動 按鈕就可進行手動與自動之間的切換，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，這里可以通過設置，將采集的數(shù)據(jù)按照一定的時間間隔保存到 datalog 的表格里。具體程序見圖 。 貴州大學本科畢業(yè)論文（設計） 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，因為已經(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 讀出來供計算時使用，每個數(shù)據(jù)的在時間上是唯一的。具體程序見圖 。 圖 3. 7歷史數(shù)據(jù)查詢程序 貴州大學本科畢業(yè)論文（設計） 第 31 頁 第四章 系統(tǒng)軟件的具體實現(xiàn) 系統(tǒng)監(jiān)控界面 當系統(tǒng)運行時在監(jiān)控界面中可以選擇控制對象，可以點擊手動 /自動按鈕改變控制方式，自動控制時可以從鍵盤輸入設定值、 PID 控制參數(shù)，死區(qū)值，手動控制時可以輸入閥門開度值，界面中顯示實時控制曲線及實時數(shù)據(jù)。圖 4. 1系統(tǒng)監(jiān)控界面 實驗 步驟 及其 調(diào)試 結果 根據(jù) 本設計要求 ，在實驗設備上連線，按要 求組成單回路水箱液位控制系統(tǒng)。 設備運行前進行檢查，確定連線正確及設備保護措施具備， 運行 Labview 軟件中編寫的程序，將自動 /手動按鈕按到手動處， 以使系統(tǒng)處于開環(huán)狀態(tài)。 貴州大學本科畢業(yè)論文（設計） 第 32 頁 合上兩個空氣開關，為設備通電，按下啟動按鈕，水箱開始注水，設定水箱水位的滿值 為 380mm 和零值 為 0mm，根據(jù)此值對差動變壓器進行零點調(diào)整和滿刻度調(diào)整，為以后差動變壓器的使用做準備。 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 /手動按鈕按到手 “ 自動 ”，系統(tǒng)變?yōu)殚]環(huán)， 直接觀察實時曲線 ，等待水位再次達到平衡，觀察曲線是否滿足實驗要求的性能，如果不滿足， 找出并解決問題，然后 重復進行第 四 步直到完成要求。 最后將滿足要求的曲線保存。 ，關閉電源，拆掉連線，整理實驗設備。 Labview 提供了非常豐富的圖形界面來進行前面板的設計，波形圖表能非常清晰的實時顯示采集的液位波形。該面板靈活運用采用了屬性節(jié)點來編程實現(xiàn)的。非常清楚的表達了采集波形的動態(tài)曲線。系統(tǒng)調(diào)試結 果如 圖 4. 2所示 ，由圖可知，系統(tǒng)很好的實現(xiàn)了控制功能，經(jīng)過一段時間的波動，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運行曲線 貴州大學本科畢業(yè)論文（設計） 第 33 頁 歷史數(shù)據(jù)讀取 對采集數(shù)據(jù)的保存是本設計的一個突出特點，數(shù)據(jù)保存有著實際的意義，這樣便于以后訪問歷史數(shù)據(jù)，還可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程訪問。運行歷史數(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 保存 大量數(shù)據(jù) 而 不利于顯示， 我們只要輸入系統(tǒng)運行后所經(jīng)歷的時間即可查詢到從該時刻開始的連續(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 貴州大學本科畢業(yè)論文（設計） 第 34 頁 第五章 總 結 在這兩個多月的畢業(yè)設計中，我用在課堂上所學到的知識親自去設計、安裝、調(diào)試一個完整的自動控制系統(tǒng)，雖然只是部分地實現(xiàn)了所給定的功能要求，但我覺得收獲還是很多的，可以從以下幾個方面來說： 1. 在整個設計中我學會了在復雜的問題面前怎樣去分析，找到問題的關鍵所在，而且認識到這種能力的重要性。比如說，在程序設計的前幾 天，我對設計中所用到的軟件、控制裝置都不了解，感覺什么都不會，無從下手，但當我了解到這些東西在設計的系統(tǒng)中所起的作用后，從整體上看時，整個系統(tǒng)的流程就明了了，就明白了系統(tǒng)設計的需求，知道我應該做什么了，我覺得這就算是抓住了問題的關鍵吧。 ，所涉及的硬件部分都有現(xiàn)成的。但是對硬件的了解也是必需要做的工作，特別是對 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，我犯了很多錯誤，在單通道的輸入輸出程序編寫中 ，由于對基本的條件結構不熟悉，調(diào)試了很多遍，最后在同學的幫助下才順利完成了數(shù)據(jù)采集與輸出任務。在編程后期，編寫的 PID控制程序的作用一直無法實現(xiàn)，經(jīng)過老師的幫助和自己的認真思考，找出并順利解決了問題。 3．這次畢業(yè)設計也讓我體會到了現(xiàn)場環(huán)境特殊性。我在系統(tǒng)設計的后一部分中，遇到的很多問題都與控制系統(tǒng)設計本身沒什么關 系，而是與一些環(huán)境因素有關的問題。比如說，由于 實驗條件的限制， 在控制過程中由于電壓源的擾動特別大，輸出的數(shù)據(jù)波動特別大，經(jīng)過分析我在電阻兩端并聯(lián)了一個電容，使外部擾動大大減小，很好的完成了實驗，實 現(xiàn)了設計要求 。我所用的 PC 機也因經(jīng)常出現(xiàn)故障設計進度大為減緩。這都說明了在實際現(xiàn)場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。 貴州大學本科畢業(yè)論文（設計） 第 35 頁 ，理論聯(lián)系實際的能力不夠。我學過《測控系統(tǒng)原理與設計》和《控制儀表與計算機控制裝置》，該系統(tǒng)設計的原理都可以在所學的課程中找到，但實際操作中還有點模糊