LabVIEW实现水循环温度控制系统
引 言
随着虚拟仪器的功能和性能被不断地提高，在许多应用中已成为传统仪器的主要替代方式。
本文以水循环系统为研究对象，针对水循环的温度，在比较研究不同控制策略的基础上，建立精确的数学模型，对水循环温度控制进行了研究。通过数据采集卡对温度信号进行实时采集，并由软件平台对采集的信号进行分析，然后用数学模型控制算法处理输出，以使当前温度逼近设定值，从而达到温控目的，最后将采集数据保存记录，以备日后读取分析。利用虚拟仪器的巨大优越性改善水循环温度的控制品质，提高控制效果。
1 水循环温度控制系统数学模型的建立
1.1 水循环温控系统介绍
水循环温控系统由储水箱、水泵、传感器、散热器和电加热装置组成，水循环原理图如图1所示。由于本系统对温度要求较高，要保证水管环境温度保持在20℃，故需建立合理的数学模型及控制算法，将温度传感器pt100采样性能通过散热器及电加热器的动态温度值模拟出来，最终达到高精度控制温度的作用。
1.2 水循环温控系统数学模型的建立
水循环温控系统各个部分的温度因管道、散热装置和加热装置的原因会产生很大的变化。为了表达清楚达到预想的结果，就需要建立正确的数学模型。本设计根据实际情况，选择了几个特殊的点来建立模型。如图1所示，a，b，c，d，e，f六个点的温度，将引起变化的原因全部考虑进去，列出函数关系式，然后借助lab—view编程，由程序控制温度。
(1)b点的温度函数关系式
b点为采样点，b点的温度跟a点的温度因中间隔水箱会有一个延时k1，取在a点第n个采样值经过k1延时之后的平均值为b点的温度，它的温度函数关系为：
k1)分别为a点第n-1，n-2，…，n-k1个采样时的温度值;v1为水箱的容积，v1=5 l;q为泵流量，q=0.083 l/s;t为采样周期，t=1 s;k1：为注满水箱需要的时间，即延时周期，通过计算k1=60 s。
(2)a点的温度函数关系式
a点的温度与d点的温度因水管而有个延时，故a点的温度函数关系如式(2)所示：
为d点第n-k3个采样点的温度;v3为d点到a点水管的容积，v3=0.5 l;k3为从d点到a点的延时周期，通过计算k3=6 s。
(3)d点的温度函数值
d点的温度与c点温度相比，不仅仅是水管的散失而延时，还与电加热装置有关，函数关系如式(3)所示：
为c点第n-k2个采样点的温度;p为电加热器的功率，p=1 kw;c为水的比热容，c=4.18 kj/kg·℃;△t为电热前后的温度变化，通过计算△t=3℃;p'为采样占控比，通过验证p'=1或0;v2为c点与d点间水管的容积，v2=1 l;k2为从c点到d点的延时周期，通过计算k2=6 s。
(4)c点的温度函数关系式
c点的温度与f点的温度相近，就是f点延时的某一个温度值，它的函数关系如式(4)所示。
为f点第n-k5个采样点的温度;v5为f点到c点水管的容积，v5=0.5 l;k5为从f点到c点的延时周期，通过计算k5=6 s。
(5)f点的温度函数关系式
f点与e点相比，因为散热器和水管的同时作用，温度也相差很大，该点的温度函数关系如式(5)所示：
式中：
为e点第n-k4个采样点的温度;k为制冷系数，k=0.3;t0为环境温度，t0=20℃;v4为e点到f点水管的容积，v4=1 l;k4为从f点到e点的延时周期，通过计算k4=12 s。
(6)e点的温度函数关系式
e点的温度与b点的温度相比也有个延时，该点的温度函数关系如式(6)所示：
为b点第n-k6个采样点的温度;v6为b点到e点的水管的容积，v6=0.5 l;k5为从b点到e点的延时周期，通过计算ks=6 s。
综上所述，a，b，c，d，e，f六个点的函数关系式及相互联系已经表达清楚，通过labvtew建立相应的数学模型。
2 水循环温度控制系统的软件设计
本设计通过数据采集卡对温度传感器传感信号进行实时采集，并由软件平台labview对采集的信号进行分析，采用上述的数学模型控制算法处理输出，使当前温度以零稳态误差逼近设定值，达到精确控温目的。根据水循环温度控制系统的基本要求，系统划分为五个功能模块，即：用户登录模块、数据存储模块、参数计算模块、控制算法模块等，系统的控制模块框图如图2所示。
2.1 主控模块
系统的主控模块提供了温度控制功能。它通过与其他模块的通讯来完成数据采集与处理、数据的保存等功能。根据模块化的编程思想，用labview图形化编程语言，可以方便地写出温度控制系统的程序代码。
2.2 参数计算模块
由前面建立的数据模型，通过计算分别可以算出每个点的延时周期k，再由延时周期找到每个点的温度采样值，如图3参数计算程序框图所示。
式中：b点为采样点，该点的温度采样值是a点温度采样值延时之后的所有采样值的平均值，该算法程序框图如图4所示。
2.4 数据采集模块
该模块通过调节控制占空比，进而改变采样占空比，调节控制系统，提高控制质量，如图5所示。
3 程序调试
通过调试各个模块，并将所有功能联系起来，实现水循环自动温度控制系统。调试结果如图6所示。a点和d点，c点和f点，e点和b点温度曲线相近;a点和b点，c点和d点，e点和f点温度曲线相差大，并且采样点b温度波动值仅为0.75℃，较为稳定，从而表明本系统设计的控制方案合理可行，精度达到原设计的技术要求，可预见该系统设计在今后的工业控制实验中具有广阔的应用前景。
4 结 语
在本设计中，利用labview软件平台构建温度控制系统，具有设计时间短，参数调整灵活，系统仿真结果直观、准确、稳定等特点。实践证明，在labview环境下能够开发出各种功能强大，开放性好的虚拟仪器软件，构造出经济实用的计算机辅助测试、分析与控制系统。
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1 水循环温度控制系统数学模型的建立
1.1 水循环温控系统介绍
水循环温控系统由储水箱、水泵、传感器、散热器和电加热装置组成，水循环原理图如图1所示。由于本系统对温度要求较高，要保证水管环境温度保持在20℃，故需建立合理的数学模型及控制算法，将温度传感器pt100采样性能通过散热器及电加热器的动态温度值模拟出来，最终达到高精度控制温度的作用。
1.2 水循环温控系统数学模型的建立
水循环温控系统各个部分的温度因管道、散热装置和加热装置的原因会产生很大的变化。为了表达清楚达到预想的结果，就需要建立正确的数学模型。本设计根据实际情况，选择了几个特殊的点来建立模型。如图1所示，a，b，c，d，e，f六个点的温度，将引起变化的原因全部考虑进去，列出函数关系式，然后借助lab—view编程，由程序控制温度。
(1)b点的温度函数关系式
b点为采样点，b点的温度跟a点的温度因中间隔水箱会有一个延时k1，取在a点第n个采样值经过k1延时之后的平均值为b点的温度，它的温度函数关系为：
k1)分别为a点第n-1，n-2，…，n-k1个采样时的温度值;v1为水箱的容积，v1=5 l;q为泵流量，q=0.083 l/s;t为采样周期，t=1 s;k1：为注满水箱需要的时间，即延时周期，通过计算k1=60 s。
(2)a点的温度函数关系式
a点的温度与d点的温度因水管而有个延时，故a点的温度函数关系如式(2)所示：
为d点第n-k3个采样点的温度;v3为d点到a点水管的容积，v3=0.5 l;k3为从d点到a点的延时周期，通过计算k3=6 s。
(3)d点的温度函数值
d点的温度与c点温度相比，不仅仅是水管的散失而延时，还与电加热装置有关，函数关系如式(3)所示：
为c点第n-k2个采样点的温度;p为电加热器的功率，p=1 kw;c为水的比热容，c=4.18 kj/kg·℃;△t为电热前后的温度变化，通过计算△t=3℃;p'为采样占控比，通过验证p'=1或0;v2为c点与d点间水管的容积，v2=1 l;k2为从c点到d点的延时周期，通过计算k2=6 s。
(4)c点的温度函数关系式
c点的温度与f点的温度相近，就是f点延时的某一个温度值，它的函数关系如式(4)所示。
为f点第n-k5个采样点的温度;v5为f点到c点水管的容积，v5=0.5 l;k5为从f点到c点的延时周期，通过计算k5=6 s。
(5)f点的温度函数关系式
f点与e点相比，因为散热器和水管的同时作用，温度也相差很大，该点的温度函数关系如式(5)所示：
式中：
为e点第n-k4个采样点的温度;k为制冷系数，k=0.3;t0为环境温度，t0=20℃;v4为e点到f点水管的容积，v4=1 l;k4为从f点到e点的延时周期，通过计算k4=12 s。
(6)e点的温度函数关系式
e点的温度与b点的温度相比也有个延时，该点的温度函数关系如式(6)所示：
为b点第n-k6个采样点的温度;v6为b点到e点的水管的容积，v6=0.5 l;k5为从b点到e点的延时周期，通过计算ks=6 s。
综上所述，a，b，c，d，e，f六个点的函数关系式及相互联系已经表达清楚，通过labvtew建立相应的数学模型。
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本设计通过数据采集卡对温度传感器传感信号进行实时采集，并由软件平台labview对采集的信号进行分析，采用上述的数学模型控制算法处理输出，使当前温度以零稳态误差逼近设定值，达到精确控温目的。根据水循环温度控制系统的基本要求，系统划分为五个功能模块，即：用户登录模块、数据存储模块、参数计算模块、控制算法模块等，系统的控制模块框图如图2所示。
2.1 主控模块
系统的主控模块提供了温度控制功能。它通过与其他模块的通讯来完成数据采集与处理、数据的保存等功能。根据模块化的编程思想，用labview图形化编程语言，可以方便地写出温度控制系统的程序代码。
2.2 参数计算模块
由前面建立的数据模型，通过计算分别可以算出每个点的延时周期k，再由延时周期找到每个点的温度采样值，如图3参数计算程序框图所示。
式中：b点为采样点，该点的温度采样值是a点温度采样值延时之后的所有采样值的平均值，该算法程序框图如图4所示。
2.4 数据采集模块
该模块通过调节控制占空比，进而改变采样占空比，调节控制系统，提高控制质量，如图5所示。
3 程序调试
通过调试各个模块，并将所有功能联系起来，实现水循环自动温度控制系统。调试结果如图6所示。a点和d点，c点和f点，e点和b点温度曲线相近;a点和b点，c点和d点，e点和f点温度曲线相差大，并且采样点b温度波动值仅为0.75℃，较为稳定，从而表明本系统设计的控制方案合理可行，精度达到原设计的技术要求，可预见该系统设计在今后的工业控制实验中具有广阔的应用前景。
4 结 语
在本设计中，利用labview软件平台构建温度控制系统，具有设计时间短，参数调整灵活，系统仿真结果直观、准确、稳定等特点。实践证明，在labview环境下能够开发出各种功能强大，开放性好的虚拟仪器软件，构造出经济实用的计算机辅助测试、分析与控制系统。
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