基于LabVIEW的太陽能噴射制冷測控系統(tǒng)的開發(fā)
加入技術交流群
空調(diào)系統(tǒng)向新能源發(fā)展、減少電能消耗已經(jīng)是必然的趨勢。目前，在世界范圍內(nèi)，對太陽能驅(qū)動的噴射式制冷、吸收式制冷及吸附式制冷的研究和應用，已受到普遍重視并取得一定的效果。在早期的研究中，吸收式制冷系統(tǒng)是眾多研究人員關注的焦點。但是，其設計和運行維護比較復雜，且運行一段時間后，工質(zhì)的化學穩(wěn)定性下降、系統(tǒng)難以保持高真空等問題會導致系統(tǒng)效率下降。同時，吸收式制冷的初期投資較大，也是其進一步發(fā)展的障礙。因此，近年來，噴射式制冷受到了較多的關注[1]。
但是如果直接利用太陽能做熱源來加熱，易受天氣影響，難以保證實驗過程的穩(wěn)定進行。因此，目前進行的實驗多以電能直接做熱源來進行的。為了保證實驗的精度，必須對水溫進行準確的控制。PID控制器就是一種可以進行方便、精確控溫的控制方式。但此種方法的缺點是需要另外購置PID控制器，且不便于遠程的電腦控制。為此，筆者針對太陽能噴射制冷實驗系統(tǒng)，在labVIEW平臺上開發(fā)了一套測控系統(tǒng)。LabVIEW 是美國National Instrument 公司推出的應用于測控領域的圖形化編程軟件。本文主要介紹了一種利用LabVIEW的公式節(jié)點實現(xiàn)的PID 控制技術和使用其簡便的數(shù)據(jù)采集方式建立的測控系統(tǒng)。
2. 工作原理
PID控制原理
PID控制是從比例、積分和微分三個環(huán)節(jié)來實現(xiàn)對系統(tǒng)控制的。常規(guī)PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖1 所示。PID控制是一種線性控制方式,它根據(jù)給定值r（t）與實際輸出值c（t）構(gòu)成控制偏差:
e（t）=r（t）-c（t） （1）
對偏差進行比例（P）、積分（I）、微分（D）計算后通過線性組合構(gòu)成控制量,作用于被控對象,其控制規(guī)律為：
Ti — 積分時間常數(shù)
Td — 微分時間常數(shù)
比例環(huán)節(jié)成比例的反映控制系統(tǒng)的偏差信號,一旦產(chǎn)生偏差,控制器就產(chǎn)生控制作用,來減少偏差。積分環(huán)節(jié)主要用于消除靜態(tài)誤差, 提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強弱取決于時間常數(shù)Ti, Ti越小,積分作用越強。微分環(huán)節(jié)反映偏差信號的變化趨勢,在系統(tǒng)中引入一個有效的提前修正信號,來加快系統(tǒng)的動作速度,縮短調(diào)節(jié)時間。
LabVIEW中實現(xiàn)PID控制
LabVIEW提供了PID工具包（PID Toolkit），用以實現(xiàn)對控制對象的PID控制。本文則介紹了一種新的通過公式節(jié)點（formula node）實現(xiàn)PID控制的簡單方法。公式節(jié)點的程序如圖1所示。其中Tset為設定的溫度值，input為實際溫度值，unew為輸出的控制調(diào)壓模塊的電壓值。P值、I值和D值分別通過前面板設定。為了防止在系統(tǒng)啟動過程中造成PID運算的積分積累，致使算得的控制量超過電加熱的最大動作范圍，引起系統(tǒng)超調(diào)，本系統(tǒng)采用了積分分離PID控制方法。e為設定的閾值，當enew大于e值時，起作用的僅是PD控制，可避免過大的超調(diào)，又使系統(tǒng)有較快的響應。當enew小于等于e值時，即偏差較小時，采用PID控制，可保證系統(tǒng)的控制精度。通過公式節(jié)點內(nèi)的簡短運算，將結(jié)果unew以電壓信號的形式輸出至調(diào)壓模塊，通過它控制電加熱的功率大小。
圖1. 公式節(jié)點程序
圖2 系統(tǒng)整體框圖
整個系統(tǒng)包括6個HT100型壓力傳感器、8個Pt100溫度傳感器和USB2000A共同完成數(shù)據(jù)采集功能。USB接口、PC和LabVIEW共同構(gòu)成了數(shù)據(jù)接收和顯示單元。控制功能則由調(diào)壓模塊TY-H380D來完成。系統(tǒng)框如圖2所示。
首先在PC上設定發(fā)生器溫度、P值、I值、D值等所需參數(shù)，系統(tǒng)開始運行。傳感器將信號送至數(shù)據(jù)采集卡USB2000A，經(jīng)由USB接口送至PC。通過將實際測得的發(fā)生器溫度與設定值比較，PC發(fā)出信號控制調(diào)壓模塊調(diào)節(jié)加熱量。
3. 系統(tǒng)軟件設計
本系統(tǒng)應用LabVIEW編制了測控軟件，可以方便的實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時采集、存儲、處理和分析。此外，本程序通過與VC++編寫的仿真計算程序的鏈接，實現(xiàn)了仿真計算和實驗數(shù)據(jù)的比較。通過這種直觀的比較，可以分析在給定的工況下實驗結(jié)果和仿真計算之間的誤差。從而可以對仿真計算方法加以修正，使其更加完善，計算結(jié)果能夠更加符合實際的實驗結(jié)果。程序前面板通過tab container可以方便的實現(xiàn)系統(tǒng)原理flash展示、實時數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)分析之間的切換，如圖3所示。
圖3 程序前面板
數(shù)據(jù)采集模塊的主要功能是選擇板卡的通道范圍，并將采集的溫度、壓力數(shù)據(jù)按一定順序打包，等待下一步的處理。模塊的主要構(gòu)成如圖4所示。
數(shù)據(jù)保存模塊的功能則是將采集模塊得到的數(shù)據(jù)以電子表格形式保存下來。在數(shù)據(jù)采集過程中，系統(tǒng)會建立測量的數(shù)據(jù)文件，以便記錄測量中的數(shù)據(jù)。該模塊可以將采樣得到的數(shù)據(jù)和采樣時間轉(zhuǎn)換為標準電子表格數(shù)據(jù)，追加在建立的數(shù)據(jù)文件后。由于數(shù)據(jù)的寫入是實時的，即沒完成一次采樣，就將數(shù)據(jù)寫入文件中，所以可以將意外情況對測量系統(tǒng)的影響降至最低。
控制模塊則是針對發(fā)生器的電加熱控制而設計的，該模塊主要通過公式節(jié)點實現(xiàn)電加熱的積分分離PID控制。實驗證明，該控制算法可以很好的滿足控溫精度的要求。
數(shù)據(jù)分析模塊可以處理和顯示從采樣模塊傳來的數(shù)據(jù)，并可經(jīng)過處理，將其在用戶終端上以一個完成的數(shù)據(jù)表格輸出。同時，該模塊通過LabVIEW提供的CIN節(jié)點實現(xiàn)了與VC++仿真程序的鏈接[2]，可以將仿真計算結(jié)果和實驗數(shù)據(jù)同時顯示出來，方便進行比較和誤差分析。
圖4 數(shù)據(jù)采集模塊主要構(gòu)成
利用LabVIEw的強大功能，結(jié)合VC++的仿真計算程序，開發(fā)了形象直觀的太陽能噴射制冷系統(tǒng)測控系統(tǒng)。可以對實驗臺進行實時的數(shù)據(jù)采集、顯示、分析以及控制。該系統(tǒng)簡單可靠、實時性良好，可以為實驗的順利進行提供保障。
參考文獻
[1] HUANG B J, CHANG J M, PETRENKO V A，et al.，A solar ejector cooling system using refrigerant 141b，Solar Energy，1998，64：223-226
[2] 黃秋云譯，Е.Я.索科洛夫，H.М.津格爾著，噴射器，1977，北京：科學出版社
[3] 陶永華,新型PID控制及其應用,北京：機械工業(yè)出版社,2000
[4] 李志軍，宋豫全，郭軍偉，尚萬峰,基于LabVIEW的筒蓋綜合測控系統(tǒng)設計, 微計算機信息,2005,21（19）:113-116
[5] 王永皓，姜周曙，基于LabVIEW的中央空調(diào)計算機輔助測試系統(tǒng)，杭州電子工業(yè)學院學報，2002，（4）：62-66
[6] 宋智罡，郁其祥，王益明，陸殿健，基于LabVIEW的PID參數(shù)自適應模糊控制器設計，機械設計與制造，2003（4）：11-13(end)
評論