基于LABVIEW的温度测控仪表设计

基于LABVIEW的温度测控仪表设计 毕业设计(论 文) 基于LABVIEW的温度测控仪表设计 系 别 自动化工程系 专 业 检测技术与仪器 学 号 5060912 姓 名 封居强 指导教师 金伟 2010年 6 月 15日 东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第I页 基于LABVIEW的温度测控仪表设计 摘 要 针对现有的测控仪器产品更新换代的速度太快，彼此之间的兼容性差，难以满足不同层次用户和不断变化的要求。本文利用现有的计算机，加上适当设计的仪器硬件和应用软件LABVIEW构成了基于LABVIEW的温度测控仪表，使其既具有传统仪器的基本功能，又能让用户根据自己的需求变化随时定义，实现多种多样的应用要求。 论文首先概述了温度控制的发展与现状，介绍了虚拟仪器的发展及其突出特点。 其次根据小型加热器模型温度控制的原理，考虑各方面因素，利用前人对温度研究的成果主要是温度实时的测量数据对小型加热器模型进行了数学建模，确定其为一阶纯滞后的系统。通过分析小型加热器模型的非线性、时变性、大时滞、等特点。根据传统PID控制和大林算法各自的特点，结合其优点设计了一种大林算法的PID控制器。 再次本文详细地论述了系统的设计与实现方法，把虚拟仪器与温度控制相结合，用LABVIEW开发了一套大林算法自整定的PID控制算法的温度测控仪表，通过LABVIEW的MATLAB script节点对温度进行PID控制，同时前面板实现检测实时数据、设置PID参数、数据保存、错误报警等功能。 论文的最后阐述了虚拟仪器对现在和将来的科学研究的重要性及LABVIEW在仪表设计人机界面的智能化。同时利用LABVIEW中MATLAB script节点的强大功能验证了对于一阶纯滞后环节大林算法优越于普通的增量式PID控制。 关键词:虚拟仪器，PID控制，小型加热器模型，大林算法 东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第II页 LABVIEW-based design of temperature control instrumentation Autho:Feng ju qiang Tutor:Jin wei Abstract Measurement and control instrumentation products for the replacement of the existing speed too fast, poor compatibility between each other are difficult to meet different and changing user requirements. This use of editing’s computer, with appropriate design of the instrument hardware and application software LABVIEW Grouching of the temperature measurement and control instruments based on LABVIEW, it both Chanting instruments of the basic features, You Negron user according to the changing needs of customize at any time, to achieve a wide variety of applications Firstly an overview of the development of temperature controls and status of virtual instrument development and salient features. Next, the small heater temperature control Yuan Li model, considering all factors, using previous research results on the temperature of the main yes Temperature Real measured data for small heater model a mathematical model, it an order to determine the pure delay system. By analyzing a small heater model nonlinear, time-varying, large time delay, and so on. According to the traditional PID control and their own characteristics Dahlia, combined with the advantages of designing a PID controller Dahlia algorithm. This once again discussed in detail the system design and implementation, the virtual instrument and temperature control combined with LABVIEW Dahlia developed a set of self-tuning PID control algorithm for temperature measurement and control instrument, by LABVIEW the MATLAB script node temperature PID control, while the front panel to achieve detection of real-time data, set PID parameters, the other for data preservation, false alarms and other functions. 东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第III页 The final paper described a virtual instrument on the present and future importance of scientific research in instrument design LABVIEW intelligent human-machine interface. While using LABVIEW in the MATLAB script node proved the power of the first order lag element for the object, Dahlia algorithm is superior to ordinary incremental PID control. Keywords: Virtual Instruments, PID control, small heater, Dahlia 东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第IV页 目录 1 绪论 ................................................................................................................ 1 1.1 研究目的和研究意义 ............................................................................ 1 1.2 课题国内外研究的现状 ........................................................................ 1 1.3 课题研究的主要内容 ............................................................................ 2 2 虚拟仪器的概述 ............................................................................................. 3 2.1 虚拟仪器的概念 .................................................................................... 3 2.2 LABVIEW的概念 ................................................................................ 3 2.3 LABVIEW的应用现状 ......................................................................... 5 2.4 本章小结 ............................................................................................... 6 3 温度控制总体设计 ......................................................................................... 7 3.1 系统实现的功能 .................................................................................... 7 3.2 系统设计的原则 .................................................................................... 7 3.3 系统设计的总体 ............................................................................ 9 3.3.1 下位机硬件的选择 ................................................................................... 9 3.3.2 上位机软件开发平台的选择 .................................................................. 13 3.4 本章小结 ............................................................................................. 14 4 被控对象的数学模型 ................................................................................... 15 4.1 被控对象的机理法建模 ...................................................................... 15 4.2 阶跃响应曲线法建模 .......................................................................... 17 4.2.1 阶跃响应曲线的获取 ............................................................................... 17 4.2.2 实验数据 ................................................................................................. 18 4.2.3 被控对象的传递函数求解 ...................................................................... 19 4.3 本章小结 ............................................................................................. 23 5 系统控制算法的研究 ..................................................................................... 25 5.1 PID控制的概论 .................................................................................. 25 5.2 数字PID控制技术 ............................................................................. 26 东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第V页 5.2.1 位置式PID控制算法 ....................................................................... 26 5.2.2 增量式PID控制算法 ............................................................................. 28 5.3 大林算法 ............................................................................................. 29 5.3.1 大林算法的基本形式 ............................................................................. 29 5.3.2 大林算法的设计目标 ............................................................................. 30 5.3.3 带纯滞后一阶惯性对象的大林算法 ...................................................... 31 5.3.4 大林算法的设计步骤 ............................................................................. 32 5.4 本章小结 ............................................................................................. 32 6 温度测控仪表的软件设计............................................................................ 33 6.1 温度测控仪表的软件总体设计 ........................................................... 33 6.2 LABVIEW的串行通讯模块设计 ..................................................... 33 6.2.1 串行通信基本功能模块介绍 .................................................................. 34 6.2.2 串行设计的基本步骤 ............................................................................. 35 6.3 数据分析处理模块设计 ...................................................................... 36 6.3.1越限报警模块设计 .................................................................................... 36 6.3.2 数数据存储模块设计 ............................................................................... 37 6.3.3 数据读取 ................................................................................................... 38 6.4 PID控制器模块设计 ......................................................................... 38 6.4.1 增量式PID控制器的程序流程 .............................................................. 38 6.4.2 用MATLAB Script节点实现PID控制算法 ......................................... 39 6.5 本章小结 ............................................................................................. 42 结 论 ............................................................................................................ 43 致 谢 ............................................................................................................ 44 参考资料 ............................................................................................................ 45 附 录 ............................................................................................................ 46 附录A(英文) .......................................................................................... 46 附录B(中文) ........................................................................................... 50 东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第1页 1 绪论 1.1 研究目的和研究意义 在现代化的生产过程中，温度是工业生产和科学研究实验中的一个非常重要的参数，物体的许多物理现象和化学性质都与温度有关，许多生产过程都是在一定的温度范围内进行的，需要测量温度和控制温度的场合极其广泛。目前的温度测量控制系统一般使用的都是传统仪器，传统仪器的功能都是通过硬件或者固化的软件来实现的。这种框架结构决定了它只能由仪器厂家来定义、制造，而且功能和规格一般都是固定的，用户无法随意改变其结构和功能。随着科学技术的进步，计算机技术的飞速发展，传统仪器已经不能适应现代监测系统的要求，美国国家仪器公司(National Instruments，简称NI)率先提出虚拟仪器(Virtual Instrumentation)的概念，它彻底打破了传统仪器由厂家定义生产，用户无法改变的模式，从而使测控仪器发生了一场巨大的变革。20世纪90年代初在我国兴起对虚拟仪器的开发和应用，现在已进入航空、航天、通信、医疗、电力、石油勘探、铁路等行业，并得到了广泛的应用，未来市场潜力巨大。虚拟仪器是当前测控领域的技术热点，它代表了未来仪器技术的发展方向。 1.2 课题国内外研究的现状 虚拟仪器目前在国外发展得非常快，以美国国家仪器公司(NI公司)为代表的一些厂商己经在市场上推出了基于虚拟仪器技术而设计的商品化仪器产品。在美国虚拟仪器及其图形编程语言，己经作为各大学理工科学生的一门必修课。我们学校就在大三的第二学期开设了关于虚拟仪器的基本课程，并且本课程是以全英语版教学。 当今虚拟仪器的系统开发采用的总线包括传统的RS232串行总线、GPIB通用接口总线、VXI总线，以及已经被Pc机广泛采用的USB通用串行总线和IEEE 1394通用高速串行总线(即Fire wire，火线)。 R5232总线是Pc机早期采用的通用串行总线，至今仍然适用于要求较低的虚拟仪器或测试系统。GPIB仪器总线已经风行多年，由于它只是8位并行仪器总 东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第2页 线，传输速率和传输距离有限，已经跟不上当今大规模自动测试系统的需求。但是，采用GPIB总线的仪器或插件，仍然大量存在，一直在应用，因此GPIB总线仍然是组建中等水平自动测试系统所采用的总线。 虚拟仪器的开发厂家为了扩大虚拟仪器的功能，在测量结果的数据处理、表达模式及其变换方面也做了许多工作，发布了各种软件，建立了数据处理的高级分析库和开发工具库(例如测量结果的谱分析、快速傅立叶变换、各种数字滤波器、卷积处理和相关函数处理、微积分、峰值发生、噪声发生、回归分析、数值运算、时域和频域分析等)，使虚拟仪器发展成为可以组建极为复杂的自动测量系统。 1.3 课题研究的主要内容 本文以小型加热器模型为研究对象，以计算机控制技术为理论基础，以计算机控制技术实验中小型加热器模型的温度为本文研究的主要内容，以LABVIEW，MATLAB为研究工具,在比较研究传统PID控制、大林算法的PID控制的基础上，主要对大林算法的PID控制在小型加热器模型温度测控中的应用进行了研究。利用大林算法和虚拟仪器的巨大优越性，改善小型加热器模型温度的测控品质，提高测控效果。本文主要进行了以下几方面的工作: (1)论述了温度测控系统的课题目的及意义，温度测控系统的国内外发展概况及本论文的主要内容。 (2)详细介绍了虚拟仪器技术的概念、特点和体系结构，虚拟仪器开发软件LABVIEW及图形化编程语言LABVIEW的特点及应用现状。 (3)小型加热器模型温度控制系统的设计思路及方案，对系统硬件和软件开发平台进行选择。 (4)对被控对象进行机理法建模和阶跃响应法建模，求被控对象的传递函数。 (5)详细介绍了数字PID控制、大林算法PID控制的原理及算法，并分析了各种PID控制的优缺点。 (6)小型加热器模型温度控制系统软件整体设计方案，及各个子模块设计过程。 (7)对所做工作进行了总结，对未来的研究作了展望。 东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第3页 2 虚拟仪器的概述 2.1 虚拟仪器的概念 虚拟仪器(VI)是计算机辅助测试(CAT)的最新发展，它充分利用快速发展的计算机及通信网络技术来提高测试计量仪器设备的功能、性能和应用范围，为用户定义和构造自己的测试仪器系统提供了全新的解决方案。虚拟仪器并不完全等同于计算机辅助测试，它是一种基于信号采集与分析理论、具有化软硬件及其接口和良好集成性与柔性的仪器系统，是一种新的测试仪器标准和技术。 2.2 LABVIEW的概念 LABVIEW是实验室虚拟仪器集成环境(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)的简称，是目前应用最广、功能最强、发展最快的图形化软件开发环境。得到工业界和学术界的普遍认可和好评。它可以把复杂、繁琐、费时的文本语言编程简化成用菜单或图标提示的方法选择功能(图形)，用线条将各种功能(图形)连接起来的简单图形编程方式，为没有编程经验的用户进行编程、调试提供了简单方便、完整的坏境和工具，尤其适合于从事科研、开发的科学家和工程技术人员使用。LABVIEW是一种虚拟仪器开发平台软件，能够以其直观简便的编程方式、众多的源代码级的设备驱动程序、多种多样的分析和表达功能支持，为用户快捷地构筑自己在实际工程中所需要的仪器系统创造了基础条件。而且LABVIEW与其它计算机语言相比，有一个特别重要的不同点:其它计算机语言都是采用文本语言产生代码行，而LABVIEW采用图形化编程语言—G语言，产生的程序是框图的形式，易学易用，特别适合硬件工程师、工程技术人员、生产线工艺技术人员的学习和使用，可以在很短的时间内掌握并应用到实践中去。特别是对于熟悉仪器结构和硬件电路的硬件工程师、工程技术人员和测试技术人员来说，编程就像设计电路图一样;因此，硬件工程师、工程技术人员和测试技术人员们学习LABVIEW驾轻就熟，在较短的时间内就能够学会并应用 东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第4页 LABVIEW，也不必去记忆那眼花缭乱的文本式程序代码。 LABVIEW的功能十分强大。像C和C++等其它计算机高级语言一样，LABVIEW也是一种通用编程语言，具有各种各样、功能强大的函数库，包括数据采集、GPIB、串行仪器控制、数据分析、数据显示及数据存储，甚至还有网络功能。LABVIEW也有完善的仿真、调试工具，如设置断点、单步执行等。LABVIEW的动态连续跟踪方式，可以连续、动态地观察程序中的数据流向及其变化情况，比其它语言的开发环境更方便、更有效。 G语言编写的程序称为虚拟仪器VI(Virtual Instrument)，因为它的界面和功能与真实仪器十分相像，在LABVIEW环境下开发的应用程序都以VI为后缀的，以表示虚拟仪器的含义。一个VI由交互式用户接口、数据流框图和图标连接端口组成。同时，G语言很好地实现了模块化编程思想。用户可以将一个应用分解为多个任务，再将任务细分，将一个复杂的应用分解为多个简单的子任务，为每个子任务建立一个VI，然后把这些VI组合在一起成为最终的应用程序。因为每个子VI可以单独执行，所以很容易调试。进一步而言，许多低级子VI可以完成一些常用功能，因此，用户可以开发特定的子VI库，以适用一般的应用程序。 LABVIEW的运行机制从宏观上讲已经不再是传统上的冯?诺依曼计算机体系结构的执行方式。传统的计算机语言中的顺序执行结构在LABVIEW中被并行机制所代替:从本质上讲，它是一种图形控制流结构的数据流模式。数据流程序设计，一个函数只有当它的所有输入有效时才能执行;而目标的输出，只有当它的功能完成时才是有效的。也就是说，在这种数据流程序的概念中，程序的执行是数据驱动的，它不受操作系统、计算机等因素的影响。这样，LABVIEW中被连接的功能节点之间的数据流就能控制程序的执行次序，而不像文本程序受到行顺序执行的约束。从而，我们可以通过相互连接功能节点快速地开发应用序，甚至还可以有多个数据通道同步运行。 LABVIEW的核心是VI。VI有一个人机对话的用户界面，即前面板(From Panel)和类似于源代码功能的程序图(Diagram)。前面板接收来自程序图的指令。在VI的前面板中，输入控件(Controls)模拟了仪器的输入装置并把数据提供给VI的程序图;而显示控件(Indicators)模拟了仪器的输出装置并显示由程序图获得或 东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第5页 产生的数据。当把一个输入控件或显示放置到前面板上时，LABVIEW在程序图中相应地放置了一个端EI(Terminals)，这个从属于输入控件或显示控件的端口不能随意删除，只有删除它对应的输入控件或显示控件时它才随之一起被删除。 用LABVIEW编制框图程序时，不必受常规程序设计语法的限制。首先，从功能菜单中选择需要的功能节点，将之置于面板上合适的位置;然后用线(Wires)连接各功能节点在程序图中的端口，用来在功能节点之间传输数据。这些节点包括了简单的算术功能，高级数据采集和分析以及用来存储和检索数据的文件输入输出功能和网络功能。用LABVIEW编制出的图形化VI是分层次和模块化的。我们可以将之用于顶层程序，也可用作其它程序或子程序的子程序。显然LABVIEW依附并发展了模块化程序设计的概念。图形化程序设计编程简单、直观、开发效率高。 2.3 LABVIEW的应用现状 LABVIEW广泛应用于包括自动化、通信、半导体、电路设计、航空和生产、过程控制及生物医学在内的各种工业领域中，用来提高应用系统的开发效率。这些应用涵盖了产品的研发、测试、生产到后期服务的各个环节。在系统设计中协调使用LABVIEW，共享软件及信息资源，可以节约大量的时间和金钱。LABVIEW的应用大致可分为以下几个主要方面: (1)应用于生产检测:LABVIEW已经成为用于测试测量领域的工业标准化开发工具。LABVIEW结合NI Test Stand测试执行环境和该领域中最大的仪器驱动程序库，为整个系统建立稳固完整的检测管理平台。 (2)应用于研究与分析:运用LABVIEW，可在汽车、能源研究和其它众多工业领域的应用系统中进行实时数据的分析和处理、对于图像处理、时频分析、小波和数字滤波的应用系统，LABVIEW特别提供各种附加工具包以加速系统的开发。 (3)应用于过程控制和工厂自动化:可利用LABVIEW来建立过程控制和工业自动化应用系统。在LABVIEW平台下，可以实现多通道的高速测量和控制。对于大型复杂的工业自动化和控制系统，有专门的LABVIEW数据和监控模块， 东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第6页 用于监控多通道I,O、与工业控制器和网络进行通信，以及提供基于PC机的控制。 (4)应用于机器监控:对于要求有实时控制、视觉和图像分析或运动控制的机器监视和预先维护的应用系统，LABVIEW是理想的选择。LABVIEW系列产品，包括用于可靠、确定性控制的实时LABVIEW(LABVIEW RT)软件，能够快速、准确的建立起功能强大的机器监视和自动控制应用程序。 (5)应用于测控系统:LABVIEW有着强大的功能和广阔的应用前景，但就目前国内的现状来看，大多数的用户还是把LABVIEW作为虚拟仪器，仅仅利用它来进行数据的处理、分析和显示，忽略了LABVIEW强大的数据采集和控制功能，特别是基于PC机的实时控制，在国内应用较少。 2.4 本章小结 本章主要介绍了虚拟仪器与LABVIEW的相关知识。本章分别阐述了它的概念、特点及应用等内容，并介绍了虚拟仪器软件开发平台及NI公司的提供的图形化编程语言LABVIEW的特点及应用。 东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第7页 3 温度控制总体设计 小型加热器模型是一种具有纯滞后的大惯性系统，环境温度、加热材料以及电网等都影响控制过程，基于精确数学模型的常规控制难以保证加热要求。因此小型加热器模型的温度控制是一项关键性的技术，本章主要讨论小型加热器模型温度控制系统的设计方案。首先介绍了测控系统的设计原则;然后具体介绍了系统的总体设计方案，最后讨论了系统软件开发平台的选择 3.1 系统实现的功能 本论文针对传统测控仪表功能由仪器厂商定义，与其它仪器设备的连接十分有限，图形界面小，人工读取数据信息量小，数据无法编辑、存储、打印，系统封闭、功能固定、可扩展性差，技术更新慢，开发和维护费用较高的特点，设计了一个基于LABVIEW的温度测控系统。此小型加热器模型温度测控系统主要实现以下功能: (1)实现下位机硬件与PC机的串口通信，能及时地将温度数据传给PC机，并将运算得到的控制量输出。 (2)实现大林算法的PID控制器，能对小型加热器模型的温度进行实时测控，能达到测控精度高，响应速度快。 (3)测试和控制参数的显示:如测试时间、设定温度、当前温度等，当温度超出某个范围进行报警等。 (4)加热器温度实时控制曲线，而且具有数字显示和波形图显示。 (5)测试结果的数据处理与分析:可以进行在线分析和离线分析。当采集或读入数据后，可选用不同的滤波器进行数字滤波。 (6)测试结果的数据保存:将采集到的数据保存在数据库中，并在数据库中加入数据创建的时问等信息，便于数据采集后的读取与处理。 3.2 系统设计的原则 本论文研究开发的是基于LABVIEW的温度测控系统，要开发出好的测控系 东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第8页 统，首先要对整个系统进行总体设计。在设计开发中主要考虑以下几个原则: (1)从整体到部分的设计原则。首先把一个复杂的系统分解成为若干相对独立的、简单的、容易实现的几个部分，再把这些部分分解成为实现不同具体功能的模块，采用模块化的设计思想，分别设计各个模块，完成后再进行综合而形成整个系统。本论文所开发的基于LABVIEW的温度测控系统将系统分成多个模块进行设计，正是考虑了从整体到部分的设计原则。 (2)可扩展性原则。好的系统应该具有较好的可扩展性，当使用者需要增加系统的功能或者需要改善系统的功能时，系统的可扩展性显得格外重要。如果只需对系统中软件部分或硬件部分作一定的修改，系统的功能就会得到加强或者增加了一些新功能，那么该系统就具有良好的可扩展性。本论文所开发的基于LABVIEW的智能温度测控系统具有良好的可扩展性。 (3)经济性原则。在设计一个系统时，较高的性价比，是系统设计和开发所不容忽视的。在满足性能指标的前提下，应尽可能采用易实现、简洁、实用的方案，因为方案简洁意味着所用环节较少，可靠性较高，而且比较经济。另外，在考虑经济性时，除造价外还应考虑使用期间的运转费，维护费等，必须综合考虑后才能评估出其真正的经济效果，从而选出最佳的方案。本论文所开发的基于LABVIEW的智能温度测控系统，采用PC机与自己搭建的温度测控仪表板构成的虚拟仪器系统，正是由于此系统成本低。 (4)可靠性原则。所谓可靠性是指系统在特定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。对于本论文设计开发的基于LABVIEW的智能温度测控系统，在软硬件支持的条件下确保计算机与外围硬件的通信畅通，不能在测试过程中出现通信的中断，还需要软件的容错能力，因此本系统采用了多线程技术。 (5)易操作性原则。在智能温度测控系统的设计开发时，应该考虑系统的操作难易程度，尽量使系统的操作简单，人机界面友好，以降低对操作人员的专业知识的要求， (6)可移植性原则。在设计一个系统时，应该考虑到可以将其它语言所设设计的程序能够为此系统所用。本论文所设计的基于大林算法的PID控制器是用MATLAB编程的，最后可以在LABVIEW设计的系统中进行调用，正是考虑了可 东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第9页 移植性原则。 3.3 系统设计的总体方案 本论文设计开发的基于LABVIEW的温度测控系统，根据从总体到局部的设计原则，通过对系统功能的分析，将整个系统分解为实现不同功能的几个部分，然后分别对每个部分设计。为了能够实现小型加热器模型温度测控系统所提出的各项具体功能，可以将整个系统分解为上位机和下位机两个部分:上位机为装有LabVlEW软件的PC机，下位机为自己搭建的温度测控仪表及温度报警组成的硬件。两个部分是通过PC机中的串口进行通信的。其中下位机部分主要完成温度信号的采集以及控制信号的输出;上位机部分完成对硬件的驱动与控制，数据显示、处理与存储，超温报警及人机交互操作界面的生成，其中控制器采用的是为本系统所开发的一种基于大林算法的PID控制器，运用MATLAB编程语言编写相应的程序，通过LABVIEW中的MATLAB Script节点建立与温度信号采集系统 .1所示。 的连接。系统总体设计框图如图3 参数设置 串联通信温度采集电路搭单LabVIEW 小建片8.6数据分析型计的机加算电小越限报警热机MATLAB 路系器温度控制电路7.6板统 数据存储 PID控制器 图3. 1 系统总体设计框图 3.3.1 下位机硬件的选择 该系统将计算机和强大的图形化编程软件LABVIEW结合在一起，建立起具有灵活性的基于计算机的测量与控制应用方案，最终构建起满足自己需要的系统。 在下位机的硬件选择和设计利用单片机以及单片机周围的硬件组成的最小系统，以下几个部分组成:装有LABVIEW软件的计算机，由AT89S52单片机和最 东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第10页 小系统组成的试验箱，电平转换电路MAX232，RS.232串口线，温度测控实验板(对象、传感器、变送器部分、信号分析电路、手动自动转换部分、温度控制部分)。 由计算机上位机给小型加热器一个加热电压，加热器加热的信号由单片机组成的小系统进行信号采集、调理和转换，然后通过PC机的RS.232串口将数据传送给计算机，在计算机上运行的LABVIEW程序对输入的数据进行分析处理，将结果由计算机显示出来，同时计算机中LABVIEW利用PID控制算法，求出系统输出信号的大小，并通过串口将输出信号输出给单片机，通过单片机控制固态继电器的开关，以达到控制温度的作用。其实验硬件的组成框图如图3 .2: 手动控制 单LabVIEW小温片计型PN结检测信号调理度报警电路机算加测元件电路小机热控系器板统 固态继电器 图 3. 2 用实验板组成的系统硬件组成框图 系统网络结构框图如下: 师员 站站 工操 程作 串 口 线 象加 热 单对 片机 图 3. 3 系统网络结构图 系统实物图形如下: RS.232 东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第11页 图3.4系统实物图 温度测控板是有老师的指导下由同学自己完成搭建的，完全可以实现实验温度测控系统的功能。其中温度测控实验板板前后面板如下图: 图 3. 5温度测控实验板前板和电源 东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第12页 图3.6温度测控实验板后板 在以上网络结构中，对象的温度检测电路主要由同相放大、反相、设定、比较放大和报警几部分组成，其流程图如下图3.7: 报警设置 值 同相放大 反相电路 比较放大报警电路 电路 图3. 7流程图 实际电路图如3.8: 东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第13页 图3. 8 实际电路图 PN结热电偶是集成电路温度检测元件。利用硅晶体管基极一发射极间电压与温度关系(即半导体PN结的温度特性)进行温度检测，并把测温、激励、信号处理电路和放大电路集成一体，封装与小型管壳内，就构成了集成电路温度检测元件。目前，国内外已有大量成型产品。 从整个检测与控制过程考虑我们很容易发现利用方案一是简单的，现在的学生自己都有一块由AT89S52单片机组成的最小系统的开发板，开发板自带A\D、D\A转换器、DS18b20等常用的芯片，为简单的实验提供了很多的帮助，同时开发板还自带了很多有C语言编程的库文件以供实验者使用。 从实验的可实行和准确性考虑，拥有了单片机开发板可以进行了检测和控制但是对象并不好寻找;对象过大加热时间长、受外界环境影响大，准确度下降。利用自己开发的温度测控实验板就可以做个小型的加热器来实验，同时在软件的编程上也不仅仅局限于C语言的编程了，有了更大的学习空间。 综上考虑本文选择方案二。实验的原理大致是:温度测控板实验板得到的温度信息通过A\D转换和交换机传到计算机中。在计算机上运行的LABVIEW程序对输入的数据进行分析处理，将结果由计算机显示出来，同时计算机中LABVIEW利用PID控制算法，求出系统输出信号的大小，并通过串口将输出信号输出给控制模块，通过固态继电器的开关，以达到控制温度的作用。 3.3.2 上位机软件开发平台的选择 在本系统的开发过程中，下位机是以开发板为主要的硬件支持，其中各部分 东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第14页 的详细电路没有做具体说明，本文重点放在上位机的软件研究，其中上位机部分采用的是虚拟仪器技术，并且用MATLAB做PID的仿真。在虚拟仪器的设计过程中软件的设计开发非常重要并且占据系统设计的大部分工作量，这是虚拟仪器较传统仪器具有的优点，即用软件代替部分硬件的功能。它可以通过软件实现许多由传统仪器硬件所实现的功能，这是虚拟仪器“软件就是仪器”最根本的体现。而基于大林算法的PID控制器，全部都是由软件来实现的。通过以上分析可知在系统的设计过程中，该系统的设计主要是软件程序的设计，所以软件的开发质量也将决定温度测控系统的性能好坏。只有设计出执行效率高、运行可靠的程序，才能得到整体性能良好的系统。要设计出可靠并且效率高的程序就需要对软件开发平台进行选择。上位机系统是基于虚拟仪器技术而设计的，该部分的软件设计就是虚拟仪器的软件设计。本论文采用专用的虚拟仪器开发软件LABVIEW。LABVIEW是一种强大的图形化编程虚拟仪器软件开发平台，本系统中使用的LABVIEW能够完成硬件的驱动与控制，数据显示、处理与存储，超温报警及人机交互操作界面的生成等全部功能。PID控制器是系统的一个重要组成部分，实现对小型加热器模型温度的控制。本论文采用的是基于大林算法的PID控制器。由于LABVIEW开发环境中没有专门的大林算法模板，而且数据处理能力不够强，直接运用LABVIEW编写控制器比较麻烦，而且处理速度不够快，因此选择数据处理功能强大的MATLAB编程语言作为PID控制器的开发平台。然后通过NI公司的LABVIEW提供的MATLAB Script节点连接到温度信号采集系统中并进行相应的操作，就可以构建高效、可靠的控制系统。 3.4 本章小结 本章主要讨论了温度测控系统的总体设计方案。首先阐述了系统的总体设计原则，即从整体到部分的设计思想，在系统设计中要重点综合考虑系统经济性、可靠性、可扩展性及易操作性等性能指标，再根据系统的实际情况提出本系统的总体设计方案。系统分解为两大部分，即上位机部分和下位机部分。两部分是通过计算机的串口进行通信的。同时选择LABVIEW作为温度测控系统的软件开发平台。在系统的整体设计中，软件的设计是关键，也占大部分工作量。 东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第15页 4 被控对象的数学模型 4.1 被控对象的机理法建模 设计PID控制器的基础是要对被控对象进行数学建模，需要确定被控对象数学模型中的参数。被控对象的数学模型不同，所用的整定程序和整定公式也会不同。 本论文的被控对象小型加热器模型是一种能自衡的对象，将小型加热器模型箱内的温度作为唯一变量。当小型加热器模型箱内温度稳定时，则某一时刻加热 QQ元件放出的热量应该等于该时刻小型加热器模型箱内积累热量和通过箱体t1 Q散失掉的热量之和，即: 2 Q,Q，Qt12 (4.1) QQ、大致可以用以下两个式子表示 12 dTkQC,1dt (4.2) TT式中,C为烤箱的热容量, 为箱内温度, 为加热时间。 k TT,k0Q (4.3) ,2R RT式中，为周围环境温度，为小型加热器模型的热阻(绝缘材料及箱内，0 T外部流动气体产生的)。当箱内温度远远大于环境温度时,可以忽略，于是，式0 (4.3)可以写成: TkQ,2R (4.4) dTTkkQC,，tdtR (4.5) 对式(4.5)取拉氏变换得: 东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第16页 11Q(s),C*S*T(s)，T(s),(C*S，)*T(s)tkkkRR (4.6) 对(4.6)整理可得: Ts()1k,1Qs()tCS*，R (4.7) QT由于控制器的输出为设定正比，系统的输出为烤箱内的温度，U(s)Ut(s)k可得: K*U(s),Q(s),t,Y(s),T(s)k, (4.8) 由于检测原件的滞后，加上小型加热器模型本身的热惯性，使得控制器与温 ,度测量值之间存在着一个滞后的时间，因此要给(4.7)添加一个滞后环节，及 ,,se右端乘以，可得: ()1Ts,,sk,e1()Qst*，CSR (4.9) 将(4.9)代入(4.8)得: ()*()YskTsKK,,s,,sk,,,ee1()()，1UsQsTt*，CSR (4.10) T,RCK,kR其中称之为被控对象的时间常数，称之为被控对象的增益。 式(4.10)就是被控制对象的数学模型，设(称被控对象的传递函G(s)G(s) 数)则系统结构框图如图4.1: R(s) Y(s) D(s) G(s) 图4. 1系统结构框图 东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第17页 表示控制器的传递函数，即为控制器的数学模型，也可称之控制算D(s)D(s) 法，它是控制系统的核心。 4.2 阶跃响应曲线法建模 阶跃响应曲线法是对处于开环、稳态的被控过程，使其输入量作相应变化，测得被控过程的阶跃响应曲线，然后再根据阶跃响应曲线，求出被控对象输入与输出之间的动态数学关系传递函数。由阶跃响应曲线求出传递函数，首先要选定模型传递函数的形式，然后再确定具体参数。确定了传递函数形式之后，只要能 KT由阶跃响应曲线求得被控过程动态特性的特征参数(即放大倍数、时间常数、 等)，被控过程的数学模型(传递函数)就可确定。 延迟时间, 4.2.1 阶跃响应曲线的获取 用实验方法测定对象的阶跃响应曲线应在较狭的动态范围内进行，这样既可以保持对象输入输出特性的近似线性，又不至于影响生产的正常运行。当对象已处于稳定状态时，可通过各种方式快速输入一个正向或反向的阶跃扰动，并保持不变。记录对象的输入与输出信号，即可得到对象的阶跃响应曲线。 实测时应注意以下事项: ?扰动量要选择适当，选择大了会影响生产;扰动量也不能太小，小了就得不到实验所要得到的阶跃响应曲线。 ?实验时要进行到被控量接近稳态值，或者至少要达到被控量变化速度变化已达到最大值之后，防止因只看到局部信息忽略了整体信息而造成辨识失真较大。 ?实验要是在额定负荷或平局负荷下重复进行几次，至少获得两次基本相同的响应曲线，以排除偶然性干扰的影响。 ?扰动要为正、反方向变化，分别正、反方向变化的响应曲线，以检验对象的非线性。对于线性或近似线性系统来说，正反方向变化的响应曲线是形状相同而方向相反的。 ?要特别注意记录下响应曲线的起始部分，如果这部分没有测出或者欠准，就难以获得准确度的对象动态特性参数。 东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第18页 4.2.2 实验数据 图4. 2 实验原始数据采集曲线 从该曲线可以看出，此系统近似为一个有延迟的一阶系统，即传递函数可设 K,,s(),Hse，1Ts为，同时曲线中存在一个明显的问题，波动太大，这将直接影响到检测和控制的精度，为了提高实验的准确性，在通过LABVIEW软件中工具库 里的滤波器对原始数据进行滤波，滤波程序如图: 图4. 3滤波程序 滤波后的数据采集曲线如下: 东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第19页 图4. 4数据采集曲线 其中红线是原始数据，白线是滤波后的数据。 4.2.3 被控对象的传递函数求解 基于阶跃响应确定传递函数的方法有两种，其一是时域法辨识对象的数学模型;其二是根据理论公式求解法。 方法一:时域法辨识对象的数学模型 本设计中使用的小型加热器模型为纯滞后的一阶对象，设被控对象的传递函数的形式为: K,,s(),Gse，1T (4.11) ,KT式中是对象放大系数; 是对象时间常数;是对象纯滞后。 K 从传递函数可以看出要是想求出准确的传递函数只要求出静态增益、时间 ,T常数和纯延迟时间即可。 东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第20页 ,T图4. 5作图法确定参数、 ,KT图4-2由阶跃响应曲线确定、和的图解法则可以在曲线拐点处做切线，.2，各参数求法如下: 如图4 ?静态增益K ,y(,),y(,)k,,,uT (4.12) T?时间常数 y(,)由响应曲线的拐点P作切线，切线与时间轴的焦点为A，与相交为B T线段AB在时间横轴坐标的投影，就是时间常数。 ?纯延迟时间 如图所示，响应曲线拐点P的切线与时间轴的交点A点的横坐标即位纯延迟,时间。 通过以上分析，我们利用上面的方法对本实验数据处理，等到曲线图4.6: 东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第21页 图4. 6实验数据的处理计算 从上图中， 我们可得: ,,14s,T,159s0 (4.13) yyV(,),(0),0K,,,5.710xV,i0 (4.14) 所以该系统的数学模型为 5.71,14s(),Wse0159，1s (4.15) 方法二:理论公式求解法 y(t)y(t),0y(,)t,,或t,,上述动态特性参数也可以用计算求的。被控量，当 时有: ,0t,,y(t),,0,(t,,)1-et,,, (4.16) y(t)t,t,012选着几个不同的时间„，可以得到响应的，由上图所示。由此可以 t,t,12得到时间的两个联立方程: ,t,1,,Ty(t),1,e,0,t,,2,,Ty(t)1e,,t,t,T02,21 (4.17) 东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第22页 两边取对数 ,t,,1,,ln[1,y(t)]01,T,t,,2,,,ln[1,y(t)]02T, (4.18) 联立求解得 t,t21T,ln[1,y(t)],ln[1,y(t)]0102 tln[1,y(t)],tln[1,y(t)]201102,,ln[1,y(t)],ln[1,y(t)]0102 (4.19) tt21在响应曲线上的量出与、相对应的纵轴的值，及可求的时间常数T和纯 tttt,2211延迟的值。一般选择、是y()=39.3%、y()=63.2%值相对应的时间。 T,2(t,t),,,2t,t2112 (4.20) 根据图4.3和前面介绍的各参数求解方法，求得 : t,80s,t,145s12 ,,2t,t,15T,2(145,80),13012 (4.21) K由于值是由变送器的放大倍数所决定的，两种方法计算的结果是一样的 故: k,5.71 (4.22) 因此我们可以得到小型加热器模型的传递函数: 5.71,15S(),GSe130，1S (4.23) 在上面两种计算对象模型的时候，前人一般是选用第一种方法，其主要是因 为当我们通过实验做出数据曲线图时，我们只要用作图的方法在数据曲线上做切 ,K线就可以很方便的得到调节时间T和延迟时间常数;对象的增益由实验当中 的变送器的放大倍数决定的，也易得到，因此这种方法适应与那些能够自身消除 东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第23页 干扰的闭环系统同时要求控制准确度不高的系统。同时第一种方法中对作图及做出一条准确切线的要求很高，因此在这一点上很易出错，导致数据分析不准确甚至出现错误。而第二种方法是通过理论公式求解，虽然用的是经验公式，在计算上有误差。但从准确性上评价第二种方法还是比第一种方法更准确些。 对两种方案计算出的数学模型进行MATLAB仿真，仿真图如下 图4.7 MATLAB仿真结果 上图为方案一时域辨别对象法，下图为方案二时域公式计算法。 4.3 本章小结 本章首先根据小型加热器模型的内在机理，综合考虑各方面的因素，运用数学分析的方法，对小型加热器模型进行了机理建模，确定小型加热器模型为纯滞 东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第24页 后的一阶对象。根据实验获得的数据得到阶跃响应仿真曲线，然后通过阶跃响应 KT法求得小型加热器模型动态特性的特征参数(即放大倍数、时间常数、延迟时间等)，最终确定小型加热器模型的传递函数并且通过LABVIEW仿真工具仿真。 东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第25页 5 系统控制算法的研究 5.1 PID控制的概论 PID控制器是建立在经典控制理论基础上的一种控制策略，PID控制器由于结构简单、使用方便、鲁棒性强等优点，在工业控制中得到了广的应用，但由于传统PID控制器的结构还不完美，普遍存在积分饱和、过渡时间与调量之间矛盾大等缺点。所以改进传统PID控制器也就成了人们研究的热点。本章先介绍常规PID控制器，重点在本章的第三节介绍数字PID控制器大林算法。常规的PID控制系统框图如图5.l所示: 比 V(t) 例 Y(t) + Ue积R + + 被控对 分 象 + 1(t) (t) - u(t) 微 分 图5. 1模拟PID控制系统原理框图 r(t)c(t)PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值与实际输出值构成控制偏差: e,r,cttt (5.1) 从而针对控制偏差进行比例、积分、微分调节的一种方法，其连续形式为: tTdet()1DUtKetetdt()[()()],，，P,0TdtI (5.2) 在图5.1的基础上，我们不妨简单分析一下PID控制器各校正环节的作用: (1)比例P控制 比例控制是简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。 (2)积分I控制 在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系 东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第26页 统为有差系统。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。 (3)微分D控制 在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分(即误差的变化率)成正比关系。 自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡。其原因是由于存在有较大惯性环节或有滞后，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差作用的变化“超前”，具有比例+微分的控制器，够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。 5.2 数字PID控制技术 由于计算机控制是一种采样控制，通过传感器测量得到的连续信号，必须经过采样和量化后，变成数字量，方能进入计算机的存贮器和寄存器，因而在计算机控制系统中，使用的是数字PID控制器，数字PID控制算法通常又分为位置式PID控制算法和增量式PID控制算法。在数字计算机中的计算和处理，不论是积分还是微分，只能用数值计算去逼近。因而数字PID控制规律的实现，也必须用数值逼近的方法。 5.2.1 位置式PID控制算法 随着微机技术的迅猛发展，实际应用中大多数采用数字PID控制器。其中经常采用的有位置式和增量式PID控制算法。计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量。因此，连续PID控制算法不能直接采用，需要进行离散化处理。对模拟PID控制算法的算式(4.7)进行离散化，令: 东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第27页 UtUkT()(), etekT()(), ktetdtTejT(),，，,,0j,0 detekTekTT()()(),,,dtT (5.3) 式中T为采样周期，显然，上述离散化过程中，采样周期T必须足够短，才 e(K)u(KT)u(K)能保证有足够的精度。为书写方便，将简化为， 简化成，G(s) T。可得离散PID表达式: 即省略 kTTDUkKekejekek(){()()[()(1)]},，，,,,PTTj,0I (5.4) k[()(1)]ekek,,UkKekKejTK()()(),，，,PIDTj,0或 (5.5) 式中 KPK,IKTII--积分系数， KKKT,DDPD--微分系数， k,1,2,;k--采样序号， ek(1),(1)k,--第次采样时刻输入的偏差值 ek()k--第次采样时刻输入的偏差值 uk()k--第次采样时刻的计算机输出值 uk()uk()由于计算机输出的直接去控制执行机构，的值和执行机构的位置是 一一对应的，所以称式(5.4)或式(5.5)为位置式PID控制算法。这种算法的实现方 式如下图 东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第28页 Y(k) R eD\A 执行机被控对PID位置算uu 象 法 构 (k) (k) (t) YT (k) 图5. 2位置式PID控制 由于位置式PID控制算法是全量输出，每次输出均与过去的状态有关，计算 uk()uk()时要对进行累加，计算机运算工作量大。而且，因为计算机输出的对应 uk()的是执行机构的实际位置，如计算机出现故障，的大幅度变化会引起执行机构位置的大幅度变化，这种情况往往是生产实践中不允许的，在某些场合，还可能造成重大的生产事故，因而产生了增量式PID控制算法。 5.2.2 增量式PID控制算法 ,Uk()增量式PID是指数字控制器的输出是控制器的增量当执行机构需要的是控制量的增量(例如驱动步进电机)时，应采用增量式PID控制。根据递推原理可得 k,1[(1)(2)]ekek,,,UkKekKejTK(1)(1)(),,,，，,PIDTj,0 (5.6) 用式(5.5)减式(5.6)可得增量式PID控制算法 [()2(1)(2)]ekekek,,，,,,,,，，UkKekekKekTK()[()(1)()PIDT [()(1)],,,,ekek,,，，KekKekTK()()IDT (5.7) ,,,,ekekek()(1)，， 式(6.7)称为增量式PID控制算法。这种算法的实现如下 Y R e执行机PID增量式算uD\A u被控对象 (法 构 (k) (k) (t) YT k) 图5. 3增量式PID控制系统框图 (k) 东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第29页 KKKPID由于一般计算机控制系统采用恒定的采样周期T，一旦确定了，，。只要使用前三次测量的偏差，即可由式(5.7)求出控制增量。采用增量式算法时， ,Uk()计算机输出的控制增量对应的是本次执行机构位置的增量。对应闸板实际 UkUkUk()(1)(),,，,位置的控制量，目前采用较多的是利用算法通过软件来完成。增量式PID控制虽然只是算法上作了一点改进，却带来了不少优点:由于计算机输出增量，所以误动作时影响小，必要时可用逻辑判断方法去掉;手动/自动切换时冲击小，便于实现无扰动切换。此时，当计算机发生故障时，由于输出通道或执行装置具有信号的锁存作用，故能仍然保持原值;算式中不需要累加。控制增量与最近k次的采样值有关，所以较容易通过加权处理而获得比较好的控制效果。但增量式PID也有其不足之处:积分截断效应大，有静态误差，溢出的影响大。下面从系统稳定性、响应速度、超调量和控制精度等各方面特性来分析PID三参数对PID控制品质的影响。 5.3 大林算法 1968年IBM公司的大林提出一种针对工业过程中含有纯滞后的对象的控制算法，获得良好的效果。 从被控对象小型加热器模型本身考虑，小型加热器模型是一个只含温度一个参数的一阶纯滞后的对象，因此在对小型加热器模型的温度控制时我们完全可以利用大林算法来解决小型加热器模型的温度控制。从这个角度来说本文重点就是研究大林算法对小型加热器模型温度控制、因此在本章重点是介绍大林算法的基本形式、大林算法的设计步骤，在下一章利用MATLAB仿真来比较大林算法与普通的PID的优缺点。 5.3.1 大林算法的基本形式 假设带有纯延迟对象的PID控制系统图如下5.4所示。是一个负反馈控制系 统。纯延迟对象的特性为G(S)，H(S)为零阶保持器，D(S)为控制器 东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第30页 uE(s) T Y(s) R T D(s) H(s) G(s) (t) 图5. 4数字控制系统原理框图 大林算法是用来解决含有纯延迟对象的控制问题，其适用于被控对象具有纯延迟的一阶或二阶惯性环节，他们的传递函数分别是: K,,s0(),Gse，1Ts0 (5.8) K,s,0Gse(),TsTs(，1)(，1)12 (5.9) ,式中，k是放大倍数;T是对象的时间常数，是延迟的时间，一般假设他们是采集周期的整数倍。 5.3.2 大林算法的设计目标 大林算法的设计是:设计合适的数字控制器D(Z)，使整个计算机控制系统等效的闭环传递函数期望为一个纯滞后环节和一阶惯性环节相串联，并期望闭环系统的纯滞后时间等于被控对象的纯滞后时间，即闭环传递函数为: K,,s0(),Gse，1Ts0 (5.10) , 式中，k是放大倍数;T是对象的时间常数，是延迟的时间，其中与采集周期T有整数倍关系，即 N,,NT (=1、2、3、„) (5.11) G(s) 对用零阶保持器离散化，可以得系统的闭环Z的传递函数 ,Ts,,sY(z)1,ee()[()()][]Gs,,ZHsGs,Z0R(z)sTs，1 (5.12) 将式(5.11)带入(5.12)并进行Z变换得: 东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第31页 T,T,(N，1),(1,e)ZG(z),cT,T,1,1,eZ ( 5.13) 由图(5.4)可知广义对象的Z传递函数为: HG(z),Z[H(s)G(s)]0 (5.14) 由(5.4)和式(5.13)、(5.14)可以推导出大林算法的数字控制器: T,T,(N，1),G(z)11(1,e)ZCD(z),,TT,,HG(z)1,G(z)HG(z)CTT,1,(N，1),,1,eZ,(1,e)Z (5.15) HG(z)Z若已知被控对象的传递函数,就可以利用式(5.8)求出数字控制器的 D(Z)Z传递函数的。 5.3.3 带纯滞后一阶惯性对象的大林算法 在第四章对象数学建模中，我们已经知道了小型加热器模型的数学模型是带纯滞后的一阶惯性环节 K,,s0(),Gse，1Ts0 (5.16) 将式(5.11)带入上式(5.16)并进行Z变换得: TT,,TT,s,,,1,eKe1,e,,1NHG(z),Z[H(s)G(s)],Z[],Kz0T,sTs，11T,1,1,eZ (5.17) 将上式(5.17)带入(5.15)可得出带纯滞后一阶惯性对象的数字控制器的大林算式: TT,,TT,1,,G(z)1(1,e)(1,eZ)CD(z),,TTT,,,HG(z)1,G(z)CTTT,1,(N，1),,,k(1,e),[1,eZ,(1,e)Z] 东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第32页 (5.18) 5.3.4 大林算法的设计步骤 用直接设计具有纯滞后系统的数字控制器，主要考虑的性能指标是控制系统无超调量或超调量小，为了保证系统稳定，允许有较长的调节时间。设计中应注意的问题是振铃想象。下面是考虑振铃现象影响时设计的数字控制器的一般步骤: ?根据系统性能，确定闭环系统的参数T，给出振铃幅度的指标。 由振铃幅度和采集周期的关系，解出给定振铃幅度对应下的采样周期。 ? ?确定纯滞后时间与采集周期之比的最大值整数N。 ?求出广义对象的脉冲传递函数机闭环系统的脉冲传递函数。 ?求数字控制器的脉冲传递函数 5.4 本章小结 本章首先对PID控制进行了概述，简单分析了PID控制器各校正环节的作用。接着详细介绍了数字PID控制、大林算法的PID控制的原理及设计步骤，并分析了各种PID控制的优缺点，最后对这几种PID控制进行了仿真，并对仿真结果进行了比较。 东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第33页 6 温度测控仪表的软件设计 6.1 温度测控仪表的软件总体设计 虚拟仪器的许多功能都是通过软件来实现的，它充分利用了通用计算机的系统资源，特别是软件资源来为自己服务，它的重要特征之一，“软件就是仪器"，充分的说明了虚拟仪器软件的重要作用。设计虚拟仪器时，一定要重视软件的设计，它关系到虚拟仪器的性能，也决定了是否能将虚拟仪器较传统仪器的优越性发挥出来。下面详细介绍温度测控系统软件的设计方法与具体实现。 6.2 LABVIEW的串行通讯模块设计 本温度控制系统采用的是模块化的设计方法，将系统划分成几个相互独立的功能模块，各模块内部分别完成确定的任务。采用模块化编程的主要优点是:单个模块容易编写、查错和测试;有利于程序设计任务的划分;模块可以共享，一个模块可被多个任务在不同的条件下调用。根据小型加热器模型温度控制系统的基本要求，将系统划分为七个功能模块，即:测温范围和参数设置模块、串行通讯模块、数据分析处理模块、越限报警模块、数据存取模块以、数据打印模块及PID控制器模块等。温度控制系统软件总体组成框图如图6(1所示。 测控系统主控模板 测数温串据越数数范控行分限据据围制通析报存打和器信处警储印参模模理模模模数块块模块块块设块 置 图6. 1系统软件组成框图 在设计程序时为每一个模块创建Sub VI程序，作为未来VI子程序的非功能性原型表征，时Sub VI工程序定义图标和也憷前面板，使其包含所需的输入输出接n，使这些Sub VI程序去组装顶层框图。在LABVIEW书写程序时，仍有几点 东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第34页 需要注意。首先，根据任务的逻辑划分情况，使用模块化途径创建Sub VI程序。其次，对于那些通用问题(考虑使用专门的VI程序解答。最后，需要对Sub VI程序进行调试，这或许会影响高层测试程序的结构(但子模块里进行测试工作比在由多个VI程序组成的层次化程序中更容易找出问题。 温度测控仪表运行时界面如图6.2所示，该界面主要包括温度历史趋势圈显示、温度计圈显示、温度数据表显示、串口配置、参数输入旋钮等。系统通过串口将单片机上传的温度数据进行实时采集，并出开发的软件平台对采集的信号进行分析与处理，同时将采集的数据存盘，以备系统运行时随时查阅、分析和打印。 图6. 2温度测控仪表前面板 6.2.1 串行通信基本功能模块介绍 目前，串口通信程序的开发，在Windows操作系统下一般用VB、VC等高级语言编写。当用VB、VC开发串行通信程序时，开发人员不得不面对非常烦琐的API函数编程;用文本语言编串口通信程序较为复杂，花费的时间较长。所以在主机通信程序设计中，我们采用LABVIEW图形化语言作为编程语言，它把高级语言中的函数封装为图形功能模块，图标间的连线表示各功能模块之间的数据传递。编程方式简单、直观、便于使用。串口通信功能模块包括串口初始化模块、串口读模块以及串口写模块，通过这些模块就可以实现对单片机的控制。 在LABVIEW功能面板的仪器F0串口目录下，包含串行通信所需的集成模块。利用这些模块，可以非常方便的设计出基于串行通信的测控系统。需要注意 东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第35页 的是，在使用这些模块之前，需安装光盘上的VISA驱动程序;也可从NI的网站免费下载最新VISA驱动程序。下面介绍一下最常用的串行通信模块: (1)VISA Configure Serial Pod。 用于初始化所选择的串行口。其中VISA resource name用于选择所用到的串行口，PC机中常用到的串口号分别用COM1和COM2表示。Flow control用于设置握手方式，buffer size用于设置缓冲区的大小。Baud rate，data bits，stop bits，parity分别用于设置串行通信的波特率，数据位长度，停止位长度，校验方式。 (2)VISA Write。 用于将write buffer中的字符写到VISA resource name指定的串行接口中。 (3)VISA Read。 从VISA resource name指定的串行接口中读取规定字节数的数据，并将这些数据传递给read buffer。Byte count用于设置要读取的字节数。 (4)VISA Close。 用于关闭VISA resource name指定的串行口，让出串行口的使用权。 6.2.2 串行设计的基本步骤 首先需要调用VISA Configure Serial Port完成串口参数的设置，包括所用串口号、比特率、一帧信息中有效数据的位数、停止位、奇偶校验等，本设计中的串行通讯程序框图如图6.3所示。 东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第36页 图6. 3串行通信程序框图 其中串行通信的主要参数设置如下:串n号COM1，波特率为9600bit,s，数据位为8，校验位为none。如果初始化没有问题，就可以使用这个串门进行数据收发。发送数据使用VISA Write，接收数据使用VISA Read。如果VISA Read要读取的字节数大于缓冲区中的数据字节数，VISA Read操作将一直等待，直至Time out或者缓冲区中的数据字节数达到要求的字节数。在某些特殊情况F，需要设置串口接收,发送缓冲区的大小，此时可以使用VISA Set,Buffer Size;而使用VISA Flush,Buffer则可以清空接收与发送缓冲区。 6.3 数据分析处理模块设计 数据分析处理大致包括以下几部分:信号的滤波、越限报警、数据的存储、数据的读取等等。其中信号滤波是指对信号进行某种加工变换或运算(滤波、卷积、相关、变换、增强等)来获取信息或变换为人们希望的信号形式。信号处理包括时域和频域处理。时域处理中最典型的是波形分析。而把信号从时域变换到频域进行分析和处理，可以获得更多的信息，因而频域处理更为重要。在测试领域中(信号的频域处理主要指滤波，即把信号中有效信呼提取出来，抑制干扰或噪声的一种处理。然而在第四章数学模型的建立已经介绍过了滤波的过程，主要介绍越限报警、数据的存储、数据的读取的程序。 6.3.1越限报警模块设计 当温度超过了环境或系统所允许的最大值最小值时，程序应能实现声光报警， 东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第37页 这也是控制系统中做必需的一部分。为此设置了越限报警模块。其工作原理很简单:通过对所测量的实时温度和设置的温度的上下限的比较所产生的信号给条件结构的True或False来驱动报警灯以及报警声。其后面板程序如下图: 图6. 4越限报警模块程序框图 6.3.2 数数据存储模块设计 数据存储模块主要是将实时的数据如:时间、设定温度、实际温度、高限值、低限值等等有用的历史数据存储到指定的地址以方便以后或者其他使用者查看读出。 图6. 5 数据存储模块程序框图 东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第38页 其设计原理是:将所有的存储数据经过数值至十进制数字符串转换，统一转换成十进制字符串。利用数组中的创建数组工具把所有的数据重新组成新的数组并且保存到指定的C\data\数据SSS.xls文件中已被随时查看调用。 6.3.3 数据读取 数据的读取就很简单的，就仅仅需用一个读取测量文件或者是文件对话框。在读取程序设计中我采用的是读取文件的方式。其程序框图如下: 图6. 6数据读取程序框图 其中路径就是在存储过程中所存储的地址:C\data\数据SSS.xls文件。 6.4 PID控制器模块设计 6.4.1 增量式PID控制器的程序流程 本文采用的是基于遗传算法的PID控制器，下面主要介绍在LABVIEW中实现PID控制器。主要是利用其外部接口调_E{{其它软件或编程语言的代码。LABVIEW具有强大的外部接口能力，可以实现LABVIEW与外部的应用软件如 东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第39页 SQL Server、C语占、Windows API、MATLAB等编程语言之间的通信。在LABVIEW中可用的外部接13包括:DLL、CIN、MATLAB script等。PID控制器的原理在本文的第6章已经详细介绍，本章主要介绍PID控制器的程序实现的基本思想。PID的公式如第6章中增量式PID公式。其程序实现的流程图如图6.6所示: 图6. 7增量式PID控制算法程序流程图 6.4.2 用MATLAB Script节点实现PID控制算法 MATLAB是美国Math works软件公司于1982年推出的一种功能非常强大的软件，目前它己成为当今国际上最为流行的科学与编程计算软件工具。它具有强大的科学计算与可视化功能、开放式可扩展环境以及简单易学，使用方便等一系 东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第40页 列优点，成为各行各业计算机辅助设计和分析、算法研究和应用开发的卓越平台。MATLAB常用于数值计算，能处理大量的数据，而且效率比较高。MATLAB语言不同于其他高级语言的特点，它丰富的函数库使开发者省去了大量的重复编程。MATLAB语言的主要特点:编程效率高:简单易学，使用方便: 扩充能力强;语句简单(内涵丰富:高教方便的矩阵和数组运算;方便的绘图功能。 为了方便熟悉MATLAB的用户，LABVIEW提供了MATLAB Script节点，可以在MATLAB SCript节点中编辑MATLAB程序，并在LABVIEW环境下运行，也可直接调入己经存在的MATLAB程序。程序运行时将自动调用MATLAB，所以要使用MATLAB Script节点，系统中必须装有MATLAB5. 0以上版本。本论文中使用的是7.6版本的MTLAB。LABVIEW是通过MATLAB Script节点方式与MATLAB语言进行通讯接口的。MATLAB Script节点位于函数>>数学>>脚本与公式>>脚本节点>>MATLAB Script节点，它的模板如图6.7 图 6. 8MATLAB节点模板 虚拟仪器的主要开发平台LABVIEW是一个高效的图形化程序设计环境，结合G编程语言，大大简化了过程控制和测试软件的开发。MATLAB是高性能的数值计算分析软件，为大林算法的设计与仿真提供了方便。本文通过应用MATLAB Seript 节点在LABVIEW中调用和操作MATLAB的方法，实现增量式PID控制与基于大林算法的PID控制器的仿真比较，验证大林算法对纯滞后环节的速度快、精度高、鲁棒性好等优点。 在混合编程中，采用LABVIEW设计用户界面，负责数据的采集，MATLAB则在后台提供大型算法以供LABVIEW调用。为了简化调用过程，LABVIEW提供了了ATLAB Script节点。MATLAB Script节点具有多输入、多输出的特点，对数据类型有明确要求，仅支持Real，Matrix，Real Vector，Real Marx，Complex， 东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第41页 Vector Complex等六种数据格式。只有当两者数据类型匹配时才能进行数据传输。 MATLAB Script节点的使用比较简单，在程序中加入节点，定义好输入输出端El，加入MATLAB程序就可以了。MATLAB程序相对于C程序要简短得多，而且运算速度较快。这种方法的缺陷在于运行时需要启动另外一个复杂庞大的应用程序，这增加了系统的不确定性和开销。同时它也存在与CIN节点应用类似的调试上的不方便。并且MATLAB支持的数据类型较少，经常需要在LABVIEW中进行数据类型的转换。如图6.9所示为采用MATLAB Script节点实现增量式PID控制器和基于大林算法控制器比较的框图程序。 图6. 9PID控制器程序框图 本程序中，S=1时采用大林控制算法;S=2时采用普通的增量式PID控制算法。阶跃响应的结果如图6.10所示。可见采用大林控制算法可取得很好的控制效果。 东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第42页 图6.10仿真曲线 6.5 本章小结 主要讨论温度控制系统的软件设计。首先介绍了系统软件的总体设计方案并进行了总体的规划，把整个软件系统分解为多个功能模块，并分析实现不同的功能模块，主要包括串行通信模块、数据存储模块、数据读取模块、越限报警模块以及PID控制器模块等，然后主要针对各个模块进行设计，最后讨论了PID控制算法通过LABVIEW自带的MATLAB Script节点实现各种仿真，并且做了普通增量时PID控制算法与基于大林控制算法的比较。 东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第43页 结 论 本文利用LABVIEW的优点来实现一个智能的人机界面，针对于一阶滞后惯性环节的温度加热器模型进行数据采集与数据分析运用时域分析和公式计算法完成了对象模型的建立，而后进行了大林PID控制算法的研究，完成一个温度控制仪表。在控制过程中，使当前温度值逼近设定值，从而实现温度的实时控制。同时将采集的数据存储到数据库中，采用的以备系统运行时随时查阅和分析。 在课题的研究试验过程中，我主要作了以下工作: (1)对前人关于温度控制研究的学习，借用前人对温度研究留下的实验平台和部分实验数据，进行了更进一步的研究。 (2)根据加热器温度控制的内在机理，综合考虑各方面的因素，运用数学分析的方法，通过两种不同的方案对加热器进行了数学建模，并且进行了不同方案的比较最终确定小型加热器模型。 (3)本文对传统PID控制控制技术，大林PID控制技术进行了理论探讨，并分析总结了各种控制策略的优、缺点。 (4)运用LABVIEW scrit节点实现大林算法的PID控制器，能对加热器的温度进行实时测控，能达到测控精度高，响应速度快; (5)本课题充分利用了LABVIEW语言的优点，在开发测控系统的同时，设计了易于操作的菜单界面，可操作性强，界面友好。 (6)在实验室中，对整个系统进行了调试与实验，通过对实验结果的分析，可以看到本测控系统能够很好地完成所需的测控任务，实时地进行温度采集与控制。 总之，本次毕业设计成功地开发了一个温度实时采集控制系统，在理论研究的基础上其实验经验可以广泛拓展到工业现场中去。由于时间、硬件条件、软件条件及图像化编程语言的限制，尚有若干问题有待进一步研究，比如:(1)控制程序的优化;(2)温度控制的精度;(3)智能控制等问题。 东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第44页 致 谢 值此论文完成之际，谨向所有曾给予我帮助和指导的老师、同学和朋友们致以衷心的感谢～ 本论文的构思、规划设计、撰写得到了金伟老师的悉心指导，在论文设计时给予热心的指导与帮助，他广博的学术知识、敏锐的学术洞察力、认真的工作态度和严谨的治学作风、平易近人的为人风格给予我深刻的印象，使我受益匪浅。在此向金伟老师表示诚挚的谢意～同时在此向为我提供实验仪器与部分实验数据的张虹涛学长表示诚挚的谢意。 东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第45页 参考资料 [1]顾德英，张健，马淑华等(计算机控制技术[M](北京邮电大学出版社，2006.2 [2]任彦硕，赵一丁，张家生(自动控制系统[M](北京邮电大学出版社，2006.3 [3]何离庆，张寿明，朱文嘉(过程控制系统与装置[M](重庆大学出版社，2003， 7.1 [4]向婉成，冯兴华，徐文辉，黄晓玲，孙大平.控制仪表与装置[M](机械工业出 版社，2003.1 [5]刘志新，魏立新，丁华锋(控制系统仿真及MATLAB语言[M](电子工业出版 社，2009.1 [6]李刚，林凌(LABVIEW-易学易用的计算机图形化编程语言[M](北京航天航 空大学出版社，2001.10 [7]徐晓东，郑对元，肖武(LABVIEW8.5常用功能与编程实例精讲[M](电子工 业出版社，2009.10.1 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Has been published since 1986, in world scope engineer and the scientist all depend upon NI in the entire product design cycle the LABVIEW graph development environment development project, thus obtains a higher quality, and short enters the market the time, with higher project and production efficiency. The LABVIEW graph data stream language very natural has attracted world engineer and the scientist takes it as one more direct-viewing way to use in automatically to survey and the control system. Unified in has set at I/O, the interactive user contact surface controls and the display data stream language enables LABVIEW to become engineer and scientist's ideal choice. In view of beginners express technology regarding the beginner, the Express technology the commonly used test and the automated duty will simplify high level to, the interactive function block. Using the Express technology, the thousands of non- programmers may fast also with ease use the LABVIEW platform to establish the automated system. In view of has experiences programmer's complete function graph language regarding the experienced programmer, LABVIEW has provided the tradition programming language (for example C) the performance, the flexibility, and the compatibility. In fact, the LABVIEW graph programming has with the traditional language same structure, including variable, data type, circulation and smooth structure and error processing. Using LABVIEW, you may entrust with heavy responsibility have packed DLL or the sharing storehouse traditional code, and may with the use NET, ActiveX, TCP and other standard technical software unifies. From is simple, the daily project start, VI and the I/O assistant does not need using the Express technology fast development use based on disposition Express to program then fast founds the common survey 东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第47页 application procedure. The thousands of examples regulation, uses 500 kind of examples Cheng many on-line examples regulation fast to start. Modular and level movement modulation LABVIEW VI or takes sub- VI and with ease expands your procedure according to yours need. The integrated help comes using the integration based on the text help and each kind of guide fast to understand the LABVIEW development. Tows put the type user contact surface storehouse through in interactive to control the disposition board from to define hundreds of in to set at the user contact surface object to design the specialized user contact surface. Thousands of in sets at the function to tow from the function disposition board puts thousands of in to set at the function to found your application procedure. With ease from defines your function disposition board to come fast to use in fast to carry out already the language development high performance code which translates. LABVIEW is one kind of translation language; it uses may which compare favorably with the code with translation C which carries out the speed to produce optimizes. The gathering open LABVIEW environment causes with any survey hardware between the connection to change simply, and has provided the interactive assistant, the code automatic production, as well as with ease collects the data with the thousands of equipment connection. Because LABVIEW has provided to the nearly all measurement equipment connection, therefore you may with ease the newest LABVIEW application procedure union to the existing system, but cannot lose your hardware investment. How regardless of your hardware does request, LABVIEW all provided a connection to cause with your I/O connection to change with ease. The analysis regarding the measurement result, you needs is not without the processing data. Formidable, Yi Yong analysis function to your software application is must. LABVIEW has surpasses in 500 to construct the function, helps you to withdraw the effective information from the gathering data, the analysis measurement result and the processing signal. The frequency analysis, the signal occurrence, mathematics operation, the curve draws up with, function and so on interpolation can cause your 东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第48页 logarithm according to carry on significant the statistics and processing. The LABVIEW analysis tool use is simple, does not need you to consider the complex first floor algorithm. Surpasses 15 fast to analyze VI enables you through the interactive disposition dialog box in advance to look at the analysis result immediately, and the very great degree reduced you to carry out survey analysis complex in the application procedure. (1) The curve drew up with and counts (3) fast Fourier with the interpolation (2) probability to transform and the frequency analysis (4) time domain and the frequency range analyzes (5) signal to have (6) digital signal processing (7) mathematics operation demonstration data demonstration to contain the many kinds of functional scope: Visualization, production report form data management. LABVIEW has contained the visualized tool which is easy to found, causes your data display attraction, including the graph and the graph tool, 2D and the 3D demonstration tool which in constructs. You may directly dispose the demonstration the attribute, like the color, the typeface size, the graph type and so on, and may when the movement revolves, and swings moves your picture. Moreover, you also may watch and control you through LABVIEW on Internet VI. Regarding the report form production, NI provides the multiple options, including documents production tool, HTML report form, programmable production Microsoft Word and Excel report form, with NI Diadem interactive report form production. (1) The document processing tool in (2) constructs the user contact surface design object (3) interactive report form to produce (4) Microsoft Word and the Excel report form (5) database connects (6) open style language (NET, ActiveX) (7) long-distance watches with the control table model machine compact vision system, PXI/Compact PCI, the FPGA module, Compact Field Point notebook MPU/DSP, the industry touches the screen, the Compact RIOPDA table model machine table model machine goal series including PC, the notebook, PXI, industry PC and all that. You may with ease unify the jack-in type and exterior I/O function and may use Windows, Linux, and Mac in the OS platform in the LABVIEW 东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第49页 programming, I/O, the analysis and the demonstration function. The LABVIEW application procedure production may help you to issue may the execution file and the sharing storehouse, but does not use the payment table model machine system the copyright expense. Portable regarding needs then to take along the nature and the stable application, LABVIEW the PDA module to grasps the LABVIEW application program extension the type equipment, these grasp the type equipment movement in view of Pocket PC 2,003 or the renewal edition, Palm OS, and the Windows CE Windows migration edition. Using the logarithm according to gathering, the digital multitester (DMM), the CAN main line and the wireless hardware support, the data analysis, the demonstration which as well as in sets, and the correspondence function, you may with ease design through the graph programming to grasp the type survey application procedure from the definition. The industry control if you need the determinism, the real-time execution, you may use the LABVIEW real-time module to issue various movement real-time operating system the goal, including PXI, Compact Field Point, Compact RIO, compact visual system CVS, and Windows PC. Founds for the definite system from defines the hardware, you may use LABVIEW the FPGA module. In addition, the LABVIEW data record and the surveillance controlled (DSC) the module for high to pass the magical skill the industrial system to provide the record, to report to the police, as well as with the OPC equipment union. Inserts the type regarding to need in the chip the complete determinism and carries out the performance application to say that, LABVIEW has provided the many kinds of solution. LABVIEW the FPGA module may duplicate with PCI and PXI disposes I/O (RIO) the equipment, Compact RIO or the compact visual system CVS union, may provide a convenient movement on the NI FPGA programmable solution. In addition, LABVIEW inserts the type development module production to be possible to use in any 32 microprocessors code, uses in each kind to insert the type control and the analysis application. 东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第50页 附录B(中文) NI LABVIEW是行业领先的用于开发设计、控制和测试系统的软件工具。自1986 年问世以来，世界范围内的工程师和科学家在整个产品设计周期内都依靠NILABVIEW图形化开发环境来开发项目，从而获得更高的质量，更短进入市场的时间，和更高的工程和生产效率。LABVIEW的图形化数据流语言很自然地吸引了全世界的工程师和科学家将其作为一种更加直观的方式用于自动测量和控制系统。结合了内置I/O、交互式用户界面控件和指示器的数据流语言使得LABVIEW成为工程师和科学家的理想选择。对于初学者，Express技术将常用的测试和自动化任务简化至高层的、交互式功能块。利用Express 技术，数以千计的非程序员可以快速且轻松地利用LABVIEW平台来建立自动化系统。针对有经验程序员的完整功能的图形化语言对于有经验的程序员，LABVIEW提供了传统编程语言(例如C)的性能、灵活性、和兼容性。事实上，LABVIEW 图形化编程具有与传统语言相同的结构，包括变量、数据类型、循环和顺序结构和错误处理。利用LABVIEW，您可以重用已打包成DLL或共享库的传统代码，并且可以与使用.NET、ActiveX、TCP 和其他标准技术的软件相结合。从简单的、日常的项目开始，利用Express 技术快速开发利用基于配置的Express VI 和I/O 助手无需编程即可快速地创建常见的测量应用程序。数以千计的例程，利用500 余种例程和更多的网上例程快速地开始。LABVIEW VI 或作为子VI 并且根据您的需要轻松地扩展您的程序。 利用集成的基于文本的帮助和各种指南来快速地了解LABVIEW开发。 通过在控件配置板交互式地自定义数以百计的内置用户界面对象来设计专业的用户界面。从函数配置板拖放数以千计的内置函数来创建您的应用程序。轻松地自定义您的函数配置板来快速地用于快速执行的已编译的语言开发高性能代码。LABVIEW是一种编译语言，它利用可与编译的C 相媲美的执行速度来生成优化的代码。 采集 开放的LABVIEW环境使得与任何测量硬件之间的连接变得更为简单，并且提供了交互式助手、代码自动生成、以及与数以千计设备的连接来轻松地收集数据。因为LABVIEW提供了对几乎所有测量设备的连接，所以您可以轻 东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第51页 松地将最新的LABVIEW应用程序结合至现有的系统，而不会损失您的硬件投资。无论您的硬件要求如何，LABVIEW 都提供了一个接口以使得与您I/O 的连接变得更为轻松。分析 对于测量结果，你需要的不是未经处理的数据。强大的，易用的分析功能对你的软件应用是必须的。LABVIEW拥有超过500个内建函数，帮助你从采集的数据中提取有效信息，分析测量结果和处理信号。频率分析，信号发生，数学运算，曲线拟和，插值等函数能够使你对数据进行有意义的统计和处理。LABVIEW分析工具使用简单，无需你去考虑复杂的底层算法。超过15 个快速分析VI 通过交互式配置对话框使你能够立刻预览分析结果，并很大程度降低了你在应用程序中执行测量分析的复杂度?曲线拟和和插值?概率和统计?快 信号发生? 数字信号处理?数学速傅立叶变换和频率分析?时域和频域分析? 运算显示 数据的显示包含了多种功能范围:形象化，生成报表和数据管理。LABVIEW包含了容易创建的形象化的工具，使你的数据显示出吸引力，其中包括图表和图形工具，内建的2D和3D 显示工具。你可以直接配置显示的属性，如颜色，字体大小，图表类型等，并可在运行时旋转，缩放和摇移你的图像。另外，你还可以通过LABVIEW在因特网上观看和控制你的VI。对于报表生成，NI提供多种选择，包括文档生成工具，HTML报表，可编程生成的微软Word和Excel报表，和NI DIA dem交互式的报表生成。?文档处理工具? 内建用户界面设计对象?交互式报表生成?微软Word 和Excel 报表? 数据库连接?开放式语言(.NET、ActiveX)?远程观看和控制台式机 紧凑型视觉系统，PXI/Compact PCI ，FPGA 模块， Compact Field Point笔记本 MPU/DSP ，工 对于需要便携性和稳固性的应用，业触摸屏，Compact RIOPDA便携式 LABVIEW PDA 模块将LABVIEW应用程序扩展至手持式设备，这些手持式设备运行针对Pocket PC 2003 或更新版本、Palm OS、和Windows CE的Windiows 移动版本。利用对数据采集、数字万用表(DMM)、 CAN总线和无线硬件的支持，以及内置的数据分析、显示、和通信函数，您可以通过图形化编程轻松地设计一个自定义的手持式测量应用程序。 工业控制 如果您需要确定性、实时的执行，您可以使用LABVIEW 实时模块来发布到各种各样的运行实时操作系统的目标，包括PXI、Compact Field Point、 东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第52页 Compact RIO、紧凑型视觉系统CVS、和Windows PC。为确定性系统创建自定义硬件，您可以使用LABVIEWFPGA 模块。此外，LABVIEW 数据记录和监督控制(DSC)模块为高通道数的工业系统提供了记录、报警、以及和OPC 设备的结合。 嵌入式对于需要芯片中完全确定性和执行性能的应用来说，LABVIEW 提供了多种解决方案。LABVIEW FPGA 模块同PCI和PXI 可重复配置I/O(RIO)设备、Compact RIO 或者紧凑视觉系统CVS结合，可以提供一个便捷的运行在NI FPGA上的可编程解决方案。此外，LABVIEW 嵌入式开发模块生成可用于任何32 位微处理器的代码，以用于各种嵌入式控制和分析应用。