论文总字数：13759字

摘 要

创建具有设计工程环境的实验室一直是过程控制实验室建设的重要目标。以水箱液位实验装置为被控对象，开发基于LabVIEW的水箱液位远程控制实验系统论文先对被控对象单容水箱设计了常规PID控制系统。在该系统中，论文就常规PID控制器的设计进行了详细叙述，并对其参数整定得到了最佳的PID参数，进行实验获得了系统在液位给定值为17cm时的阶跃响应曲线。

首先使用NI USB 6002数据采集卡来控制当前设施的建设过程，构建单液灌液位控制系统和两液灌液位控制系统。在普通PID控制算法的基础上，设计模糊控制等先进控制算法。液位对象具有时变、非线性、滞后性、不确定性等特性，单纯使用PID控制，已经很难达到理想的控制效果。本文探讨了模糊控制在虚拟仪器开发软件中的实现方法，并将其应用在水箱液位控制，仿真结果表明控制系统具有良好的动静态控制效果。

关键词：LabVIEW，PID控制，模糊控制

ABSTRACT:

Creating a laboratory with a design engineering environment has always been an important goal of process control laboratory construction. Taking the water tank liquid level experimental device as the controlled object, the paper develops a LabVIEW-based remote control experimental system of the water tank liquid level. The paper first designs a conventional PID control system for the controlled object single-capacity water tank. In this system, the paper describes the design of the conventional PID controller in detail, and optimizes its parameters to obtain the best PID parameters, and experiments to obtain the step response curve of the system at a given level of 17cm .

First use the NI USB 6002 data acquisition card to control the construction process of the current facility, build a single-liquid irrigation level control system and a two-liquid irrigation level control system. on the basis of the ordinary PID control algorithm, design advanced control algorithms such as fuzzy control. The liquid level object has the characteristics of time-varying, non-linear, hysteresis, and uncertainty. It is difficult to achieve the ideal control effect simply by using PID control. This paper discusses the implementation of fuzzy control in virtual instrument development software and applies it to the tank liquid level control. The simulation results show that the control system has a good dynamic and static control effect..

KEY WORDS：LabVIEW，PID control， fuzzy control

目录

摘 要 I

ABSTRACT: II

第一章 绪论 3

1.1 课题意义 3

1.2 研究现状 2

第二章 理论研究主要内容以及开发工具介绍 3

2.1 主要内容 3

2.2 开发工具介绍 3

第三章 硬件设计 5

3.1 液位传感器 6

3.2 压力变送器 6

3.3 电动调节阀 7

3.4 NI USB 6002 DAQ数据采集卡 7

3.4.1 数据采集卡的主要性能指标 8

3.4.2 数据采集卡(DAQ卡)的组成 9

3.5 有源信号隔离器 9

第四章 软件设计 11

4.1 图形化虚拟仪器开发软件——LabVIEW 11

4.1.1 前面板 11

4.1.2 流程图 11

4.2 程序设计概述 11

4.2.1 逐步求精的设计方法 11

4.2.2 根据逻辑功能划分物理模块 12

4.3 液位测控程序设计 12

4.3.1 系统软件需求 12

4.3.2 单容水箱PID液位控制LabVIEW前面版设计 13

4.3.3 一阶单容水箱PID液位控制LabVIEW后面板程序设计 13

4.4 二阶双容水箱液位模糊控制 14

4.4.1 模糊控制简介 14

第五章 调试与运行 22

5.1 PID控制原理 22

5.2 PID控制器的算法 22

5.2.1 比例因子的影响 22

5.2.2 积分系数的影响 24

5.2.3 微分系数的影响 25

第六章 总结与展望 28

6.1 总结全文 28

6.2 系统评价 28

6.3 展望 29

参考文献 30

致谢 32

第一章 绪论

1.1 课题意义

自动化产品很多，内容也比较广泛，包含了电子、电气、信息等等一些内容。在中国，自动化就是一个学科！其实自动化每天都在我们身边发生，比如，剃须刀、电动牙刷、手机、电脑、空调、汽车等等。我们日常的生活中有很多的自动化设备。科学技术的进步是由多种学科的交汇，自动化学科是多种理工学科交叉融合的一门学科，而且为其他的工程学科服务。所以，自动化学科对于从事其他工程学科的学生、科研人员、教师、技术人员也都是有帮助的。

自动化生产中，过程控制技术是自动化技术一个重要分支。是工业生产的重要一环。在保护生态环境和提高市场竞争力等方面起着越来越大的作用。把所学的理论知识对控制系统进行分析和设计，主要包括系统方案设计、程序设计、工程设计、工程安装与仪表选型及调节器参数整定等。

随着科学社会的发展，人类在向着更文明而进步，人们对生活水平、质量有了更高的要求，当前发展现状不能够完全满足人们的内心需求。由于工业技术的迅速发展，我们要与时俱进，党和国家政府制定出长久深远的发展战略方针，如：863计划，2025国家智能制造等一系列重大发展方针。液位控制系统是工业上常见的过程控制系统，例如，石油冶炼、化工厂等部门，对他们进行深深的了解与探索，从而为过程控制的理论发展和实践应用提供更好的指导^[[1]]。液位被控对象具有时变性、滞后性、非线性、建模不够精准等特点^[[2]]，随着生产过程对精度控制的提高，传统经典的控制方法已经不能满足工业生产的需求。基于labview平台的液位监测与传统仪器相比具有智能化程度高，可操作性和稳定性强。Labview软件带有一个庞大的数据库，可以完成任何编程工作。这个数据库里面包含了DAQ、数据显示、data nanalysi、数据存储、计算机和设备连接总线、COM接口控制等。

1.2 研究现状

有些双容水箱液位系统是国内的企业生产制造的。很大程度上证明了工业生产、教学实验和研究的价值。用户只能通过现有的PID控制器达到现有控制培训实验的目的。此外，模糊控制器可以设计用于智能控制培训实验和研究。液位的高度变化值使其更直观地反映控制器的实际控制效果。使用位置传感器准确测量液位，可以轻松获得瞬态响应指数并准确估算控制性能。控制器平台的open可帮助用户设计自己的controller，以满足创新研究的需求。 浙江中空科技有限公司开发的AE2000A双容水箱目标系统实验装置。该设备为教师，researchers（包括从事研究automatic control theory，模型和control algorithm研究的高年级本科生和研究生）提供了特殊的控制对象。在各个国家的化学工业中，液位控制系统的应用变得越来越普遍。但是，与日本，美国，德国和其他发达国家等国外相比，国内液位控制器的性能仍存在较大差距。当前，我国的液位控制主要基于现有的经典PID控制器^[[3]]。这些限制相对较大，并且只能应用于一般的简单系统控制，并且很难控制滞后，复杂的时变系统。采用模糊控制，稳定性好，不需要精确的数学模型，实践证明控制效果较好，鲁棒性强^[[4]]。然而，国内智能技术并不完全适合于具有高控制性能的智能仪器，并且很少有仪器商业化并在市场上普及。 这是因为需要工业过程控制。 特别的，智能仪器受到semiconductor和IT的飞速发展以及automatic control theory和设计方法的不断改进的。 外部液位控制系统的技术开发越来越完善，他们基本上生产了性能良好的商业化液位控制器和工艺设备，广泛用于各个行业。

第二章 理论研究主要内容以及开发工具介绍

2.1 主要内容

本课题为实践类型的课题，根据远程控制实验系统的要求，设计基于LabVIEW的水箱液位远程实验系统^[[5]]。首先使用NI开发的数据采集卡来控制真实对象的创建过程，构建一个半物理的单罐液位控制系统和一个双罐液位控制系统，然后使用虚拟仪器的网络功能，实现实验设备和学生本地计算机的网络互连；并在普通PID控制算法的基础上，设计模糊等先进控制算法，将控制效果与普通PID控制效果进行比对分析。

2.2 开发工具介绍

LabVIEW作为一个图形程序开发的软件，由美国虚拟仪器公司开发，和其他编程软件有很大的不同。但是，其他编程软件是语言文本编写的，LabVIEW软件采用的是图形逻辑连线来编写程序。程序是一个个小空间的对象展现在电脑屏幕上的。LabVIEW具有直观、易学易用、通用编程系统、模块化的特点。

请支付后下载全文，论文总字数：13759字