基于LabVIEW和单片机的自动控制系统综合实验

　　　　　　　　　　　　　　　　　/CN１１Ｇ２０３４TExerimentalTechnolondManaementpgyagVol．３６　No．１　Jan．２０１９

:/DOI１０．１６７９１．cnki．s．２０１９．０１．０１４　jjg

基于LabVIEW和单片机的自动控制

系统综合实验

高宏岩,王誉钱

()山东科技大学电气与自动化工程学院,山东青岛　２６６５９０

.实验系统硬摘　要:设计了自动控制系统综合实验案例“基于LabVIEW和单片机的温度控制系统设计”/件部分由单片机、温度传感器、调压模块和电烤箱组成,设计了单片机与各个模块之间的接口DA转换模块、电路.软件部分采用L并设计监控界面实现参数设定、温度数据实时监控等功abVIEW软件实现控制算法,能.设计了单片机与L实现了输入、输出数据的传输.通过综合实验系abVIEW软件之间的串口通信程序,统设计,使学生得到控制系统设计和实验调试等综合能力的训练.关键词:自动控制系统;综合实验;LabVIEW;单片机

()中图分类号:TP２７３;G６４２．４２３　　文献标识码:A　　文章编号:１００２Ｇ４９５６２０１９０１Ｇ００５３Ｇ０５

ComrehensiveexerimentofautomaticcontrolppsstembasedonLabVIEWandSCMy

(,ColleeofElectricalEnineerinndAutomationShandonniversitfScienceandgggagUyo

,Q)Technoloindao２６６５９０,Chinagyg

,WANGYGAOHonanuiangyq

,/,sstemiscomosedoftheSCM,temeraturesensorDAconversionmodulevoltaereulatinoduleandyppgggm

ofthetemeraturecontrolsstembasedonLabVIEWandSCM．Thehardwarepartoftheexerimentalpyp

:,AbstractAcomrehensiveexerimentalcaseoftheautomaticcontrolsstemispresentedwhichisthedesinppyg

,electricoven．TheinterfacecircuitbetweentheSCMandeachmoduleisdesined．InthesoftwarepartgLabVIEWsoftwareisusedtorealizethecontrolalorithm,andthemonitorininterfaceisdesinedtorealizeggg

,,ethefunctionsofparametersettintemeraturedatarealＧtimemonitorintc．Theserialcommunicationgpg

,,abilitraininorthecontrolsstemdesinexerimentdebuinetc．ytgfygpggg

data．Throuhthedesinofthiscomrehensiveexerimentalsstem,studentscangetthecomrehensiveggppyp:;Keordsautomaticcontrolsstem;comrehensiveexerimentLabVIEW;SCMyppyw

rorambetweentheSCMandLabVIEWsoftwareisdesinedtorealizethetransmissionofinutandoututpggpp

　　自动控制系统综合实验是山东科技大学为自动化

专业设置的一门专业综合实践课程.该实践课程在学生学完自动化专业基础课程和核心课程后开设,学时为３周.课程要求学生综合运用所学理论知识和方

收稿日期:２０１８Ｇ０７Ｇ１７　修改日期:２０１８Ｇ０９Ｇ０５

);基金项目:山东省本科高校教学改革研究项目(山东省高Z２０１６M００１

;等学校自动控制原理精品课程项目(山东科技２０１１BK０２５))大学优秀教学团队建设计划资助项目(JXTD２０１７０５１０

法,完成自动控制系统设计、实验、调试等工作,得到理

１Ｇ４]

.该实验涉及电子论应用和实践技能的全面训练[

技术、单片机技术、传感器技术、控制理论、软件技术等相关课程知识,要求学生利用较为低廉的单片机等元器件和L完成硬件电路设计、串口通信abVIEW软件,设计、基于LabVIEW的控制算法设计和监控界面设计等内容.

,,作者简介:高宏岩(女(满族)吉林敦化,博士,教授,研究方向１９７１—):EＧmailaohonan０１０７＠１６３．comggy

为控制理论与控制工程．

１　系统组成及工作原理

１．１　实验系统组成

/实验系统由温度传感器、单片机、DA转换模块、

５４

实　验　技　术　与　管　理

调压模块、电烤箱和上位机组成,其结构框图见图１.由于数据采集卡价格较高,本系统选用单片机并利用串口通STC８９C５８RD实现温度的采集和处理,信和上位机L以较低成本达abVIEW进行数据传输,到综合实验设计要求.

图２　硬件部分实物图

２　单片机与LabVIEW串口通信设计

串口,VISA写入、VISA读取、VISA关闭等模块搭建串口通信程序,如图３所示.利用VISA串口配置模块设/置与单片机相同通信配置,如波特率和８b９６００bitsit

[]

数据等,在VVISA读取模块设置４字节总数６,ISA写入模块中,写入数据时加上数据指令的起止校验位

上位机LabVIEW利用其已经封装好的VISA配置

图１　系统结构框图

,/DA转换模块的

SCLK、CS和DOUT管脚分别与单片机的P１．３、P１．４

/和P１．５管脚相连,DA转换模块的OUT管脚与调压管脚与单片机的P１．６管脚相连

[]５

在硬件电路设计中,温度传感器DS１８B２０的DQ

１．２　控制系统工作原理

该控制系统工作原理如下:温度传感器实时采集/电烤箱温度,通过其自带的AD转换器件将连续的温度信号转换成数字信号并传输给单片机,上位机LabＧ

模块的U端子相连,硬件部分实物图如图２所示.

７]

(,单片机)串口通信程序采用C语言编写[执行温度

如＃∗∗＄,便于单片机程序进行数据处理.下位机的读取发送、数据的解析及执行控制指令.单片机端程序运行时,先向下位机发送一个控制指令０,当下位机单片机接收控制指令时,单片机将温度传感器传输的数据发送给LabVIEW,LabVIEW接收到温度数据,经过控制算法计算得到控制量,并将控制量通过串口发送给单片机.由于上位机LabVIEW每向单片机写一次数据,单片机才会上传一次数据,因此单片机接收到控制指令后开始数据解析,并将温度传感器上传的温度信号发送给上位机L单片机解析完abVIEW,

的串口通信程序设计框图见图４.上位机LabVIEW

VIEW通过USBＧTTL串口读取单片机中存储的实时

采集的电烤箱温度信号,并按照控制算法计算得到控制量,通过串口通信将控制量传输给单片机执行控制/命令,控制量再经过DA转换模块转换成模拟量给调压模块,通过调压模块调节电阻丝发热功率达到控制烤箱温度的目的.

/数据再经过DA转换后执行控制命令达到控制要求.

图３　LabVIEW串口通信程序设计

高宏岩,等:基于LabVIEW和单片机的自动控制系统综合实验

图４　单片机端串口通信程序设计框图

　控制算法设计

．１　PID控制算法设计

PID是目前应用最为广泛的控制算法.VIEW中已经有封装好的控制算法的理解P,ID程序模块,为了加深学LabＧ生对,给出自行编写的PID以位置式PID算法的程序P.ID控制算法为例位置式制算法的表达式为[

８PID控

]u(k)＝Kkpe(k)＋Ki∑j＝０

e(j)

＋Kd[e(k)e(k－１)]其中e(k(１

)时刻控制量)为k时刻给定量和反馈量之误差,u,K、K、(k)为kpi微分增益.

、Kd分别为比例增益积分增益和根据式(程序[９]

１),在LabVIEW中编写位置式模PI块D算法

,

所示.

,并对其进行封装得到PID．vi程序如图．２　模糊PID控制算法设计模糊糊推理在线调整式PID控制算法是在(推理系统的输入为误差１)中的KPID算法基础上,通过模e出为KK(k)p和误差变化、Ki、Kd３个参数.模糊

量i、Kd的增量DKec(k,输pK)p得的模糊、KPID算法中的比例增益、Di、DKKd.经过模糊推理Kp＝Kp０＋DKp分增益,积i＝i０＋DKi,微分增益Kd＝Kd０＋DK中K其p０K[０]

实际情况、i０KdKi,实验得到模糊输入量误差、０分别为Kp、

、Kd的初始值１e.d根据,

量ec(k)的基本论域为[-５℃,５℃]和([k－)

０和误差变化℃],语言变量均选取７个语言值:负大(N．６℃L)、,负０中．６

(NM)、负小(NS)、零(０)、正小(PS)、正中(PM)

和正５５

图５　PID算法程序

大(糊输出量PL),量化等级均D为{－３,－２,－１,０,１,２,３}

.模[－０．６,０．６K]p、、[D－K０i、．３DK,０d基本论域分别为为[,语言变量DK－３,３]

、p均选取７个语言值:．{３N]

L,NM,NS,０,、DPKSi,、PDMKd,

糊L(kP}[１１]

ID,控制算法在线调整参数的基本原理量化等级均为{－３,－２,－１,０,１,[２１２,]

３:(}

１.)

模当D(K)

较大时,取较大的DKp和较小的DKd,并且令ki＝０,以实现快速跟踪和抑制超调的作用;(２)当较小)中等时,为使系统具有较小超调,DKp的取值应该,此时DKd取值对系统影响比较大,取值应适中,

而DKi也要取适当值;(DK３)当e(k统良好的稳定性能,)较小时,为了保证系p和DKi取大一些,以避免系统在目标值附近出现振荡,并考虑抗干扰性能,一般情况下DKd取值为适中,但若些.根据上述基本原理|及ec实(k际)|较大,DKd可以取小系统实验得到DKpDK、

i模糊控制规则表、DKd的模糊控制规则表,限于篇幅,只列出DKp的

,如表１３

]１　１所示[

.表DKp模糊控制规则表

ec(k)e(k)

NLNNLNM０

PSPPNMNSNLNL

NLNNMPMPLP０

SNML

NMNMNMNNL

S

NS０SNPSSPLNMNNM０PNSS

PPS

PLL

PNNSNNSSNSNSNSSNSNSS

P０

PMMPMLPPMPLL

PSSPPSS

PPMMPMPMS３３ePe５３５６

实　验　技　术　与　管　理

　　利用LabVIEW的模糊逻辑工具箱“FuzzsＧySy

”设计一个二维模糊控制推理系统,在temDesinerg

“”编辑器中,确定系统的输入、输出变量的Variables

１４]

.论域及隶属度函数,如图６所示[

图６　输入、输出变量的隶属度函数

”编辑器中,将模糊控制规则表１中的规　　在“Rules

则写成IFＧTHEN形式的模糊控制规则.完成上述模糊编辑器工作后,在LabVIEW中编写模糊PID算法程序,如图７所示.LabVIEW将串口读出的实时温(,度值与设定值进行比较得到e(和e经过模糊k)ck)逻辑加载模块将预先设计好的后缀为fuzz２．fs的模y糊控制系统文件加载到系统中,利用模糊控制器模块

推理得到３个参数增量DKp、DKi、DKd,分别与对应的初始值Kp通过封装生KiKdKi、Kd,０、０、０求和得到Kp、

成的P最后经过串ID子程序模块计算得到控制量u,口通信将控制量传给单片机执行从而实现电烤箱的温度控制.此外,设计了温度超限报警程序,当温度超过上限或者低于下限时进行报警.

图７　模糊PID算法程序

高宏岩,等:基于LabVIEW和单片机的自动控制系统综合实验

５７

４　监控界面设计与实验测试

糊P如图８所示.监控界面的ID控制实验监控界面,左上部分为串口通信部分,设置串口通信相关参数如

１５]

.监控界面的左下波特率、数据比特、字节总数等[

数.在监控界面的右下半部分,可以设定期望温度、上限温度和下限温度值.当电烤箱温度超过设定的上限值或低于设定的下限值时,相应的指示灯变亮、发出警告.中间部分为实时曲线显示部分,能够实时地监测电烤箱的温度变化情况,也可以在当前温度处查看实时温度.在模糊P可以监测模糊ID控制监控界面中,推理结果即３个参数的增量变化情况.

利用LabVIEW在上位机上设计了PID控制和模

半部分为控制参数设置部分,可以设置PID的３个参

图８　监控界面

串口通信设计、控制算法设计和　　在完成硬件设计、

监控界面设计之后,进行测试.在监控界面上,分别执行P可以得到两种ID控制算法和模糊PID控制算法,PID控制与模糊PID控制效果可知:PID控制初期响应速度较快,但是超调较大,过渡过程振荡较大,调节时间较长.模糊PID控制的初期响应速度比PID控制慢,温度上升较为平缓,但由于模糊PID的３个参数能根据误差和误差变化量进行在线调整,所以模糊过渡过程较平稳,整体调节时间PID具有较小的超调,比P控制效果优于PID控制短,ID控制.

利用低成本的单片机等元器件和LabVIEW软件算法作用下的温度响应曲线,如图８所示.比较温度

[]李瑞涛,王玲玲,梁勇．控制系统综合设计实践与改革研究[]２J．[]邓干铭．自动化专业开设自动控制系统综合实验初探[]３J．龙岩[]付兴建,侯明,柏森．自动控制系统综合实验”翻转课堂”教学初４

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５　结语

开发了温度自动控制系统综合实验项目,学生可以在此实验项目基础上对实验内容进行拓展,例如开发先进控制算法等实验内容.此外,学生也可以根据实验室现有设备,按照文中的设计方法自行开发其他综合实验项目,例如将被控对象更换为电动机或水箱等设备,开发调速控制系统、液位控制系统等综合实验项目,从而达到对学生理论应用、系统设计、实验调试等综合能力训练的目的.)参考文献(References

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