基于LabVIEW的水箱液位控制系统的设计文献综述

 2021-11-07 10:11

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  由于计算机技术的快速发展和普及,当今测控领域的一个重要发展趋势就是以计算机技术为中心的虚拟仪器逐步取代了传统仪器。虚拟仪器以透明的方式把计算机资源(如微处理器、内存、显示器等)与仪器硬件(如A/D、D/A、数字I/O、定时器、信号调理等)的测量、控制能力结合在一起,通过软件实现对数据的分析处理、表达以及图形化用户接口。虚拟仪器代表着从传统硬件为主的测控系统到以软件为中心的测控系统的根本性转变。

  LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)是一种程序开发环境,由美国国家仪器(NI)公司研制开发的,类似于C和BASIC开发环境,但是LabVIEW与其他计算机语言的显著区别是:其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码,而LabVIEW使用的是图形化编辑语言G编写程序,产生的程序是框图的形式。传统文本编程语言根据语句和指令的先后顺序决定程序执行顺序,而 LabVIEW 则采用数据流编程方式,程序框图中节点之间的数据流向决定了VI及函数的执行顺序。VI指虚拟仪器,是 LabVIEW的程序模块。LabVIEW 提供很多外观与传统仪器(如示波器、万用表)类似的控件,可用来方便地创建用户界面。用户界面在 LabVIEW中被称为前面板。使用图标和连线,可以通过编程对前面板上的对象进行控制。这就是图形化源代码,又称G代码。LabVIEW图形化源代码在某种程度上类似于流程图,因此又被称作程序框图代码。

  而为了实现从传感器或其它待测设备等模拟或数字被测单元中自动将非电量或者电量信号送到LabVIEW中进行分析和处理,必须使用数据采集卡。

  数据采集卡,即实现数据采集(DAQ)功能的计算机扩展卡,可以通过USB、PXI、PCI、PCI Express、火线(1394)、PCMCIA、ISA、CompactFlash、485、232、以太网、各种无线网络等总线接入个人计算机。这类板卡均参照IBM-PC机的总线技术标准设计和生产,用户只要把这类板卡插入IBM-PC机主板上相应的I/O扩展槽中,就可以迅速方便地构成一个数据采集与处理系统,从而大大节省了硬件的研制时间和投资,又可以充分利用IBM-PC机的软硬件资源,还可以使用户集中精力对数据采集与处理中的理论和方法进行研究、进行系统设计以及程序的编制等。

LabVIEW 图形化的编程语言结合NI 公司数据采集板卡,可以快速设计控制器,扩展了过程控制实验装置的功能,具有设计灵活,开发周期短,人机交互界面良好的特点。在该实验平台上也可以进行其它控制算法( 如模糊控制、模糊PID 控制) 和复杂控制系统( 双回路控制系统、前馈反馈控制系统、比值控制系统) 的实际应用。

液位和流量的控制问题在生活和工业生产中显得尤为突出,例如饮料、食品加工,居民生活用水的供应,溶液过滤,污水处理,化工生产等多种行业的生产加工过程,通常要使用蓄液池。蓄液池中的液位需要维持合适的高度,太满容易溢出造成浪费,过少则无法满足需求。因此,需要设计合适的控制器自动调整蓄液池的进出流量,使得蓄液池内液位保持正常水平,以保证产品的质量和生产效益。这些不同背景的实际问题都可以简化为某种水箱的液位控制问题。因此液位是工业控制过程中一个重要的参数。特别是在动态的状态下,采用适合的方法对液位进行检测、控制,能收到很好的生产效果。

液位控制系统在国内各行各业的应用已经十分广泛,但从国内生产的液位控制器来讲,同国外的日本、美国、德国等先进国家相比,仍然有差距。目前,我国液位控制主要以常规的PID控制器为主,它只能适应一般系统控制,难于控制滞后、复杂、时变温度系统控制。而适应于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表,国内技术还不十分成熟,形成商品化并广泛应用的控制仪表较少。由于工业过程控制的需要,特别是在微电子技术和计算机技术的迅猛发展以及自动控制理论和设计方法发展的推动下,国外液位控制系统发展迅速,并在智能化、自适应、参数自整定等方面取得成果,在这方面,以日本、美国、德国、瑞典等国技术领先,都生产出了一批商品化的、性能优异的液位控制器及仪器仪表,并在各行业广泛应用。

除本课题所讲方法外,目前液位控制系统主要还包括以下几种设计方法:

(1)基于单片机的液位控制系统

(2)基于PLC的液位控制系统

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