基于LabVlEW的温度采集和控制系统研究

秦永晋，郭 亮，付力扬

（洛阳LYC轴承有限公司，471003）

基于LabVlEW的温度采集和控制系统研究

秦永晋，郭 亮，付力扬

（洛阳LYC轴承有限公司，471003）

温度采集和控制系统在功能上表现出了较大的弊端，即系统功能性滞后，在采集控制过程中呈现非线性特征，在功能表达过程中很难建模。过去用的控制方法为PID法，其在控制输出的过程中会出现不利于系统运行的问题，如比例冲击和微变等。因此本文主要研究的是一种基于LabVIEW的控制器，是在传统PID基础上发展形成的，其为FI-FP-FD控制器，又称为新型模糊PID控制器，其在温度采集与控制系统中发挥了较大的作用。

温度采集和控制系统；LabVIEW；FI-FP-FD控制器

0　引言

温度采集与控制系统广泛的应用于工业、农业以及人们的日常生活中，随着现代技术的发展，人们对于温度采集控制系统的功能性要求也越来越高。因此，传统的PUD控制被新型的模糊PID控制取代是大势所趋。新型模糊PID控制器是时代发展的产物，其主要依靠LabVIEW作为虚拟器开发工具，使得控制器在数据采集和界面控制等方面表现出了较大的突破与优势。鉴于此，本文对于基于LabVIEW的温度采集和控制系统的研究具有较大的意义。

图1　温度采集与控制系统结构示意图

1　系统总体设计及工作原理

温度采集和控制系统在组成上主要包括采集、检测、控制显示、执行和调理5部分单元，系统结构运行的设备核心主要依附于计算机。其具体的结构组成如图1所示。

由图1可以看出系统结构的运行主要以计算机设备为主线，在运行之前要通过计算机设置一定的参数标准，例如干燥箱的电阻丝要预先设置出一个标准的温度理想值，使得在晶闸管通过主电路对其加热的过程中得到一定的控制，避免系统运行出现问题。此外，还要在计算机内预先设置好控制算法，从而实现后期对温度信号的控制。温度采集和控制系统功能实现的基本原理主要包括两个方面的内容，一方面是温度值到电压信号的转化，另一方面是电压信号到数字信号的转化。前者主要是通过电阻丝和K型热电偶的作用使得电压信号传输到WP-C803智能数字显示控制仪上，电压信号经过滤波处理以后，进入第二个环节，即在A/D变换器作用下实现模拟信号到数字信号的转化。

在模拟信号转化为数字信号以后，要继续发生作用，即数字信号要经过CB-68LP非屏蔽I/Q接线盒、NI-DAQ数据采集卡PCI-6251等操作处理设备，通过系统的驱动处理将信号输入到计算机，从而实现相关软件对信号的管理。信号进入到计算机以后，计算机会发挥其预制功能，通过预先设计好的算法实现对控制量的精确计算，然后进行信号传输的可逆操作，将标准的温度值信号传输到电阻丝，从而达到控制温度的目的。

基于LabVIEW的温度采集和控制系统实现了对传统的控制系统的结构优化和功能优化，在该系统中具备精准的采集单元和控制机构，再加上屏幕读取显示等机构使得系统逐渐完善。除此之外，该系统中还设置了超温预警功能，使得在电阻丝温度过高时发出预警信号，从而实现对温度的及时控制。

新型模糊PID控制系统具备良好的适应性，操作起来较为方便且便于打印存档等操作，在工作运行过程中表现出了较好的灵活性。

2　系统硬件设计

基于LabVIEW的温度采集与控制系统的硬件组成为该系统结构的基本组成，即温度检测单元温度传感器，信号调理单元智能数字显示仪器，数据采集单元数据采集板卡和控制执行单元触发器，其具体选择的硬件名称如图1所示。

基于LabVIEW的温度采集与控制系统在系统硬件组成的选择过程中要遵循以下基本原则：温度检测单元要灵敏，同时要具备较好的抗氧化和腐蚀等特性；信号调理单元要直观，反应过程要连续；数据采集单元要保证信号采集的速率以及信号的质量；控制执行单元要保证多元化、智能化以及便捷化等特征。

3　系统软件设计

系统软件设计是基于LabVIEW的温度采集与控制系统的设计难点，同时也是控制过程实施的核心组成部分。其在组成上包括新型FI-FP-FD控制器和模糊控制规则，即在一定程度上归于对计算机的设计。

3.1新型FI-FP-FD控制器设计

新型FI-FP-FD控制器在设计过程中其主要目标是为了克服传统PID控制系统中存在的比例冲击和微变。因此，在设计过程中对于误差的计算方式选择为一般的积分运算，在设置过程参数时引入比例和微分运算两种，从而保证不会出现给定值跳跃变化和负载干扰等影响因素。

新型FI-FP-FD控制器又可以分为模糊I控制器、模糊P控制器和模糊D控制器，在设计原理中二者均是在传统控制系统基础上发展起来的。例如模糊I控制器，其传统的积分输出可以表示为：在通过变换以后，即从双线性和z反变换以后得到的表达式为，最后在实现到模糊I控制器的计算时则引入了一定的积分增益，从而实现了从传统到新型的转变。

在新型FI-FP-FD控制器中需要将模糊比例控制作用于模糊微分控制的增益效果求和，在其基础上在减去模糊积分控制作用，即表达式为。鉴于其计算过程较为复杂，本文不再一一赘述，直接得到最终结果。

图2　的隶属度函数图象

3.2模糊控制规则设计

在于LabVIEW的温度采集与控制系统中由于存在3个模糊控制器，且在结构上三者表现出了极大的相似性，因此在输入语言值时要选取6个变量。如图2所示，其为变量输入以后形成的隶属度函数图象。

为了说明系统在执行控制功能时的系统操作状态，本文给主了不同变量值下对语言值的控制规则，以输入变量值为例，得到相应的控制规则表1。在得到相应输入变量的控制表以后，要通过模糊推理算法完成对输出量的计算，最终的控制结果值是在模糊化的基础上采用重心法得到的。其推算理论十分复杂，需要建立较多的数学模型。

表1　控制规则表

表1　控制规则表

通过对基于LabVIEW的温度采集和控制系统软件设计的分析，可以发现虽然在功能上新型模糊PID控制系统优于传统PID系统，但是在设计原理上，其明显比传统控制系统复杂，尤其表现在推算过程。

4　结论

综上所述，本文通过分析基于LabVIEW温度采集和控制系统的结构和原理分析，说明了新型模糊PID控制系统的综合性能。其不仅改善了传统控制系统中存在的弊端，而且在其基础上实现了功能的强化和增益，使得温度采集和控制系统可以满足人们的需求，实现对温度的稳定高效控制。

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Research of temperature acquisition and control system based on LabVIEW

Qin Yongjin，Guo Liang，Fu Liyang
（Luoyang LYC Bearing Co.， Ltd.471003）

The temperature acquisition and control system has a great disadvantage in the function，that is，the system lag，in the process of acquisition and control of nonlinear characteristics，it is difficult to model in the process of functional expression.The control method used in the past is PID method， which is not conducive to the operation of the system in the process of control output， such as the proportion of impact and micro change，etc..This paper mainly studies a LabVIEW based controller is developed on the basis of traditional PID，which is also known as the new FI-FP-FD controller，fuzzy PID controller， which played an important role in the temperature acquisition and control system.

temperature acquisition and control system；FI-FP-FD；LabVIEW controller