基于LabVIEW的水循环温度控制系统设计

引 言

　　随着虚拟仪器的功能和性能被不断地提高，在许多应用中已成为传统仪器的主要替代方式。

　　本文以水循环系统为研究对象，针对水循环的温度，在比较研究不同控制策略的基础上，建立精确的数学模型，对水循环温度控制进行了研究。通过数据采集卡对温度信号进行实时采集，并由软件平台对采集的信号进行分析，然后用数学模型控制算法处理输出，以使当前温度逼近设定值，从而达到温控目的，最后将采集数据保存记录，以备日后读取分析。利用虚拟仪器的巨大优越性改善水循环温度的控制品质，提高控制效果。
 

　　1 水循环温度控制系统数学模型的建立

　　1.1 水循环温控系统介绍

　　水循环温控系统由储水箱、水泵、传感器、散热器和电加热装置组成，水循环原理图如图1所示。由于本系统对温度要求较高，要保证水管环境温度保持在20℃，故需建立合理的数学模型及控制算法，将温度传感器PT100采样性能通过散热器及电加热器的动态温度值模拟出来，最终达到高精度控制温度的作用。

　　1.2 水循环温控系统数学模型的建立

　　水循环温控系统各个部分的温度因管道、散热装置和加热装置的原因会产生很大的变化。为了表达清楚达到预想的结果，就需要建立正确的数学模型。本设计根据实际情况，选择了几个特殊的点来建立模型。如图1所示，A，B，C，D，E，F六个点的温度，将引起变化的原因全部考虑进去，列出函数关系式，然后借助LabVIEW编程，由程序控制温度。

　　(1)B点的温度函数关系式

　　B点为采样点，B点的温度跟A点的温度因中间隔水箱会有一个延时K1，取在A点第N个采样值经过K1延时之后的平均值为B点的温度，它的温度函数关系为：

　　K1)分别为A点第N-1，N-2，…，N-K1个采样时的温度值;V1为水箱的容积，V1=5 L;q为泵流量，q=0.083 L/s;T为采样周期，T=1 s;K1：为注满水箱需要的时间，即延时周期，通过计算K1=60 s。

　　(2)A点的温度函数关系式

　　A点的温度与D点的温度因水管而有个延时，故A点的温度函数关系如式(2)所示：

　　为D点第N-K3个采样点的温度;V3为D点到A点水管的容积，V3=0.5 L;K3为从D点到A点的延时周期，通过计算K3=6 s。

　　(3)D点的温度函数值

　　D点的温度与C点温度相比，不仅仅是水管的散失而延时，还与电加热装置有关，函数关系如式(3)所示：

　　为C点第N-K2个采样点的温度;P为电加热器的功率，P=1 kW;C为水的比热容，C=4.18 kJ/kg·℃;△T为电热前后的温度变化，通过计算△T=3℃;P'为采样占控比，通过验证P'=1或0;V2为C点与D点间水管的容积，V2=1 L;K2为从C点到D点的延时周期，通过计算K2=6 s。
(4)C点的温度函数关系式

　　C点的温度与F点的温度相近，就是F点延时的某一个温度值，它的函数关系如式(4)所示。

　　为F点第N-K5个采样点的温度;V5为F点到C点水管的容积，V5=0.5 L;K5为从F点到C点的延时周期，通过计算K5=6 s。

　　(5)F点的温度函数关系式

　　F点与E点相比，因为散热器和水管的同时作用，温度也相差很大，该点的温度函数关系如式(5)所示：

　　式中：

为E点第N-K4个采样点的温度;K为制冷系数，K=0.3;T0为环境温度，T0=20℃;V4为E点到F点水管的容积，V4=1 L;K4为从F点到E点的延时周期，通过计算K4=12 s。

　　(6)E点的温度函数关系式

　　E点的温度与B点的温度相比也有个延时，该点的温度函数关系如式(6)所示：

　　为B点第N-K6个采样点的温度;V6为B点到E点的水管的容积，V6=0.5 L;K5为从B点到E点的延时周期，通过计算Ks=6 s。

　　综上所述，A，B，C，D，E，F六个点的函数关系式及相互联系已经表达清楚，通过LabVtEW建立相应的数学模型。

　　2 水循环温度控制系统的软件设计

　　本设计通过数据采集卡对温度传感器传感信号进行实时采集，并由软件平台LabVIEW对采集的信号进行分析，采用上述的数学模型控制算法处理输出，使当前温度以零稳态误差逼近设定值，达到精确控温目的。根据水循环温度控制系统的基本要求，系统划分为五个功能模块，即：用户登录模块、数据存储模块、参数计算模块、控制算法模块等，系统的控制模块框图如图2所示。

　　2.1 主控模块

　　系统的主控模块提供了温度控制功能。它通过与其他模块的通讯来完成数据采集与处理、数据的保存等功能。根据模块化的编程思想，用LabVIEW图形化编程语言，可以方便地写出温度控制系统的程序代码。
2.2 参数计算模块

　　由前面建立的数据模型，通过计算分别可以算出每个点的延时周期K，再由延时周期找到每个点的温度采样值，如图3参数计算程序框图所示。

　　式中：B点为采样点，该点的温度采样值是A点温度采样值延时之后的所有采样值的平均值，该算法程序框图如图4所示。

　　2.4 数据采集模块

　　该模块通过调节控制占空比，进而改变采样占空比，调节控制系统，提高控制质量，如图5所示。

　　3 程序调试

　　通过调试各个模块，并将所有功能联系起来，实现水循环自动温度控制系统。调试结果如图6所示。A点和D点，C点和F点，E点和B点温度曲线相近;A点和B点，C点和D点，E点和F点温度曲线相差大，并且采样点B温度波动值仅为0.75℃，较为稳定，从而表明本系统设计的控制方案合理可行，精度达到原设计的技术要求，可预见该系统设计在今后的工业控制实验中具有广阔的应用前景。

　　4 结 语

　　在本设计中，利用LabVIEW软件平台构建温度控制系统，具有设计时间短，参数调整灵活，系统仿真结果直观、准确、稳定等特点。实践证明，在LabVIEW环境下能够开发出各种功能强大，开放性好的虚拟仪器软件，构造出经济实用的计算机辅助测试、分析与控制系统。