基于Labview的流量控制系统开发_崔城诚.pdf

自动化技术与应用2023 年第 42 卷第 6 期行业应用与交流Industrial Applications and CommunicationsTechniques ofAutomation&Applications基于Labview的流量控制系统开发崔城诚,陈 伟,张 璇（中国船舶科学研究中心，江苏 无锡 214082）摘要:为开展水下航行体操纵舵翼环量控制技术的试验研究，需开发一套小量程流量控制系统。按照试验研究所需流量控制范围及精度要求，基于Labview开发了该流量控制系统。首先进行系统硬件选型设计，其次确定系统闭环控制模式下的控制算法及参数整定方法，在此基础上设计流量控制程序，最后通过实验应用验证系统控制性能。应用结果表明系统的流量控制范围及精度满足试验研究的需要，经济可靠，具有较强的实用性及推广价值。关键词:Labview；PID；流量控制；数据采集卡中图分类号：TP273文献标识码:B文章编号:1003-7241(2023)06-0143-03Development of Flow Control System Based on LabviewCUI Cheng-cheng1,CHEN Wei1,ZHANG Xuan1(China Ship Scientific Research Center,Wuxi 214082 China)Abstract:In order to carry out the experimental research on the circulation control technology of the longitudinal rudder in underwater navi-gation gymnastics,it is necessary to develop a set of small range flow control system.According to the flow control range and ac-curacy requirements of the experimental research,the flow control system is developed based on Labview.Firstly,the hardwareselection of the system is designed.Secondly,the control algorithm and parameter tuning method under the closed-loop controlmode are determined On this basis,the flow control program is designed.Finally,the control performance of the system is veri-fied through the experimental application.The application results show that the flow control range and accuracy of the systemmeet the needs of experimental research,and it is reliable and stable.The development of this system has strong practicability andpromotion value.Keywords:Labview;PID;flow control;data acquisition card收稿日期:2021-05-11DOI:10.20033/j.1003-7241.（2023）06-0143-03.1引言环量控制技术是指无需改变航行体俯仰角且无运动构件，而能产生很高升力的主动控制技术。其中具有壁面切向喷流的环量控制舵翼作为一种高升力舵翼，在航空领域已有多处应用实例，将它用作水下航行体的操纵舵翼亦具有良好前景，为开展相关试验研究，需研制一套尾缘开槽舵翼环量控制系统，其中关键技术是开发小量程流量控制系统，从而实现舵翼尾缘开槽处的射流及其流量控制。电泵调速、调节阀开度调节是流量控制的常用方法1-2，常规电泵低速状态时，电机转速易波动从而导致小量程流量控制不稳定；而通过高性能伺服电机结合精密减速机构开发小流程调速泵成本较高。通过调节阀开度控制流量，需建立稳定水压3，本文利用水压较为稳定的自来水管路引出水作为系统水源，基于Labview及其PID工具包、DAQmx工具包开发了实验研究所需流量控制系统。2系统组成及工作原理本流量控制系统由数据采集卡、流量控制阀、流量传感器、无源信号隔离器、24 VDC直流稳压电源、工控机等组成。数据采集卡为NI公司PCIe 6323 多功能采集卡，最大输入输出电压范围：10 VDC；流量控制阀型号为：CLT-02T，控制电压0-5 VDC；流量传感器型号为：SJ-LW-GY-G10L，流量范围：3.5l/min200 l/min，精度等级：0.5级,输出信号：4-20 mA；电流隔离器型号为：MIK-602S，4-20 mA转0-5 VDC，传输精度：0.15%FS。系统硬件结构框图如图1所示，24 VDC直流电源为流量控制阀、流量传感器、信号隔离器提供工作电源，流量传感器测量水流流量输出4-20 mA电流信号，该电流信号经过电流隔离器转换成0-5 VDC电压信号输入数据采集卡的电压信号输入端，数据采集卡的电压输出端输出0-5 VDC电压信号控制流量控制阀的开度。本系统控制模式为开环、闭环模式。开环模式时通过流量控制软件流量控制界面的“手动控制”控件调节控制阀的开度实现流量开环调节。143行业应用与交流Industrial Applications and Communications自动化技术与应用2023 年第 42 卷第 6 期Techniques ofAutomation&Applications图1系统硬件结构框图闭环模式控制流程图如图2所示，数据采集卡采集的电压信号经过调理运算得出实际流量值，设定流量值与实际流量值相减得偏差值，该偏差值通过PID及修正系数运算得出流量控制水阀控制电压从而对其开度实时调节，实现对流量的闭环控制。闭环模式时通过流量控制软件流量控制界面的“流量设定值”控件设定目标流量值，系统通过PID控制达目标流量并保持稳定，流量控制界面如图3所示。图2闭环模式控制流程图图3流量控制界面3软件实现3.1数字PID控制算法及参数整定方法数字PID控制系统是时间的离散系统，计算机对过程的控制是断续的过程。每个采样周期中，传感器将所测数据转换成统一的标准信号输入给调节器，PID控制器根据设定值与实际值构成控制偏差，对偏差进行比例、积分、微分计算后通过线性组合构成控制器输出，其表达式为：(1)式中，u(k)为第k次采用时刻控制器的输出；e(k)、e(k-1)分别为控制器第k次及第(k-1)次采样时刻的偏差；根据式(1)可知：控制器的比例放大系数为kp；积分时间为Ki=Kp；微分时间为Kd=Kp。PID参数采用继电反馈自整定方法，该方法不需要先验知识，可自动从被控对象的频率响应中抽取信息，从而整定PID控制器的参数4-5。3.2基于Labview的控制软件实现3.2.1前面板设计控制软件的前面板分为两部分：流量控制、参数设置界面，如图3、4所示。通过流量控制界对流量进行控制；通过参数设置界面对控制模式、PID参数、自整定参数等进行设置。图4参数设置界面3.2.2程序框图设计图5PID运算程序流程图控制软件运用Labview的DAQ工具包中的模拟量读取、写入函数实现对输入电压的采集以及输出电压的控制。采集信号经过滤波函数处理得出实际流量值。当选择闭环控制模式时，通过Labview的PID工具包中的144自动化技术与应用2023 年第 42 卷第 6 期行业应用与交流Industrial Applications and CommunicationsTechniques ofAutomation&ApplicationsPID自整定函数实现PID参数的自动整定及PID运算控制。根据实际使用需求，在程序中加入了判断环节，当流量偏差小于0.05l/min时，视为偏差为0，保持PID.vi输出不变；当流量偏差大于0.05l/min时，将实际流量输入PID.vi的实际值输入端，与设定值相减，进行PID调节，这样一方面满足使用需求，另一方面简化了系统控制。PID运算程序流程图如图5所示。4调试及效果图6闭环运行效果在对PID参数进行整定前，先将控制模式设置为“闭环”，然后设置自整定设置参数。根据流量信号噪声较大，且惯量小，易震荡的特点6-7，对自整定参数进行设置，如图4所示。由于现阶段流量范围为5-9l/min，设定值居中选择7l/min，点击“自整定”按钮完成PID自整定。闭环运行效果如图6所示。使用时尾缘开槽舵翼放置于循环水槽中，循环水槽中水流速度是在一定范围内调节的，流量控制系统的水源压力也有小幅波动，在这样的使用工况下，系统均能保持良好的使用效果,控制误差小于0.05l/min。5结束语本流量控制系统开发投入低、周期短，系统简洁可靠，避免了电动水泵控制等其他流量控制方案在小量程流量控制时可能出现的控制性能差、开发成本高等情况。确保了非恒定稳定的工况下，高精度的流量控制，为环量控制技术的应用研究提供有力支撑，具有较强的实用性及推广价值。参考文献:1 庄园,张宁宁,马龙博,黄咏梅.液体流量标准装置流量控制系统设计J.中国测试,2020,46(11):126-131.2 张彩萍,侯江,侯录,杨翀钰,夏新成.水冶吸附塔进液流量智能控制浅析J.铀矿冶,2018,37(2):104-107,111.3 吴上.模糊预测控制技术在变频恒压供水系统中的研究与应用D.株洲:湖南工业大学,2015.4 李宁,郑艺华.基于LabVIEW的PID自整定温控系统研究J.青岛大学学报(工程技术版),2019,34(2):27-32.5 高继昆.基于继电反馈PID自整定控制算法的环境温控系统实现J.电子器件,2019(3):679-683.6 陆之谔,蔡林松,赵爱菊.淬火线冷却水流量自动控制J.北方交通大学学报,1996,20(4):513-516.7 殷华文.流量控制继电反馈参数自整定研究J.自动化仪表,2020,41(6):68-72,76.作者简介:崔城诚（1983-），男,工程师，研究方向：测控技术。参考文献:1 吕干云,吴启宇,吴晨媛,等.基于双向谐波电压变动的光伏并网孤岛检测J.电力自动化设备,2019,39(3):194-199.2 王炳楠,谭占鳌.中国典型类辐照地区的光伏并网逆变器性能评价方法J.电力系统自动化,2020,44(12):139-145.3 柳君波,张静静,徐向阳,等.中国城市分布式光伏发电经济性与区域利用研究J.经济地理,2019,39(10):54-61.4 庄双勇,赵伟,何学农,等.超谐波引发的电能质量问题及相关研究J.电测与仪表,2019,56(1):41-52.5 邓威,郭钇秀,李勇,等.基于特征选择和Stacking集成学习的配电网网损预测J.电力系统保护与控制,2020,48(15):108-115.6 李晓华,刘飘,蔡旺延,等.适用于同塔四回输电线路的保护性能评估系统J.电力科学与技术学报,2019,34(1):59-66.7 王文焕,杨国生,周泽昕,等.基于随机截尾数据及极大似然估计的继电保护可靠性分布J.电力系统保护与控制,2019,47(12):125-131.8 曾江,丘国斌,黄艺英.基于等效算法和解析式拟合的快速配网暂降评估J.电测与仪表,2020,57(9):26-32.9 史林,郭宝锋,马俊涛,等.基于图像旋转相关的空间目标ISAR等效旋转中心估计算法J.电子与信息学报,2019,41(6):