基于LabVIEW的计算机控制技术

基于LabVIEW的计算机控制技术摘要：LabVIEW是美国NI公司推出的虚拟仪器(VirtualInstrument,简称VI)开发台软件。本文通过简绍一个LabVIEW教学试验控制系统，并且对该系统的功能简介来说明一种较新的计算机控制技术。由于虚拟仪器具有开发周期短，成本低等优点，使得基于LabVIEW的计算机控制技术具有很大的发展前景。关键词：LabVIEW；计算机控制技术；虚拟仪器；教学1前言作为一款诞生于1986年的针对测量和自动化设计的图形化开发环境，LabVIEW在二十年中持续创新，不断改进。最初作为自动化测量仪器工具的LabVIEW，现在已经成为用于设计、测试和控制的图形化平台。LabVIEW是美国NI公司推出的虚拟仪器开发台软件。它采用图形化编程语言———G语言,具有各种各样功能强大的函数库,包括数据采集、IB、串行仪器控制、数据分析、数据显示及数据存储等。改进后的计算机控制实验系统利用LabVIEW软件和DAQ虚拟信号发生器、示波器,可以开发PID控制算法、最小拍控制算法、大林控制算法及其它高级控制算法程序,控制对象不仅可以使用电子模拟实验电路，更可采用温度、电机转速、水槽液位等实际控制对象。《计算机控制技术》是我国高等院校各类自动化、电子与电气工程、计算机应用、机电一体化等专业的专业主干课程。工业控制是计算机的一个重要应用领域,计算机控制技术正是为了适应这一领域的需要而发展起来的一门专业技术,它主要研究如何将计算机技术和自动控制理论应用于生产过程,并设计出所需要的计算机控制系统。2试验装置功能介绍本试验装置应具备功能如下：可以开展计算机输入输出技术的试验;可以进行试验法确定控制对象数学模型的试验;可以开展数据处理试验;可以进行控制算法试验。可以开展综合控制试验。3试验装置系统主要硬件组成实验系统由信号发生器、温控炉、试验接线印刷板、数据采集卡、计算机等组成如图1所示。3.1系统所需电源系统中温控炉、试验印刷板所需直流电源由信号发生器供给。试验系统中所需直流电源范围为±12V,±10V,±5V.其中±12及±5V为温控炉测量转换电路所需电源;±10V提供给数据采集卡作A/D转换试验使用;温控炉加热所需220V电源直接由试验台供给。3.2温控炉控制原理及电路实现温控炉主控电路如图2所示。在加温前，先有计算机键盘或鼠标通过虚拟仪器输入温度给定值，上电后温控炉内的检测元件检测到实时温度后经试验板、数据采集卡作D/A变换，然后送到计算机进行数据处理。处理完毕后将处理好的控制信号经数据采集卡送到印刷接线板，由印刷接线板送出到温控炉的控制线路板上CONTROLINPUT端子，通过此信号改变加热元件功率，达到控温目的。图2温控炉主控控电路图温度信号的检测电路转换电路如图3所示。温度信号检测采用热敏电阻作测量元件，实时温度经过图2所示转换放大电路将温度信号变为-10V——+10V的电压信号，通过实验板进入数据采集卡作A/D转换后，送入计算机作数据处理。图2中，W1为调零电位器。图3温度信号检测及转换电路图3.3PCL-818数据采集卡本系统采用了研华科技的PCL—818-B数据采集卡.PCL-818是一系列高性能、多功能DAS卡，能够提供五种最常用的测量和控制功能：100KHZ的12位A/D转换、D/A转换、数字量输入、数字量输出和可编程计数器/定时器,具有较强的数据采集、A/D转换、D/A转换、数字量输入输出、自动检测设定的通道和定时/计数等功能,还带DMA的自动通道/增益扫描，具有较高的性价比。支持单端方式下16个数字量输入和16个数字量输出，差分方式下8个数字量输入和8个数字量输出。软件支持包括VisiDAQ3.1TM、ActiveDAQ、LabVIEWTM和Windows3.1/95/NT高速DLL驱动程序。4系统软件设计本系统软件设计采用虚拟仪器（VirtualInstruments,VI）技术，VI是由用户利用一些基本硬件及软件编程技术组成的各种各样的仪器系统,它的功能是可由用户自己定义的。在VI的技术的支持下,用户可以随心所欲地根据自己的意愿,设计自己的仪器系统。它集成测量计、记录、信号分析、控制等功能于一体,在同一基本硬件上配置不同的软件而实现。本系统的开发环境是美国国家仪器公司（NationalInstruments，NI）推出的虚拟仪器应用软件开发平台LabVIEW7.0,LabVIEW是一个基于图形化编程语言（G语言）的虚拟仪器开发环境,它提供了一种全新的编程方法,利用LabVIEW,可以通过交互式的图形化前面板来设计控制系统,例如:可以对几千种硬件设备（GPIB、VXI、PXI、RS—232、RS—485、PLC、插入式数据采集卡等）进行数据采集;可以通过网络、交互应用通讯和结构化查询语言（SQL）等方式与其他数据源相联;可以利用其功能强大的数据分析程序对原始数据进行分析,得到有意义的结果并加以显示输出。4.1仪器驱动程序仪器驱动程序主要用来初始化虚拟仪器,并设置特定的参数和工作方式,使虚拟仪器保持正常的工作状态。研华科技的PCL-818系列数据采集卡提供了LabVIEW的软件支持,所以,按照提示就可以完成该卡的驱动程序安装。各主要选项选择如下：BoardType：PCL-818LA/DChannelsConfiguration:8Differential4.2应用程序应用程序主要对输入计算机的数据进行分析和处理,定义虚拟仪器的功能。应用程序包括数据的采集和存储、波形的显示和回放、数据的处理。数据采集模块采用了Function模板/AllFunctions子模板/DataAcquisition子模板中的节点来控制数据采集卡进行数据采集。在设计时要求系统能对多通道进行数据连续采集,所以必须有通道选择控制。LabVIEW中的Measurement&AutomationExplorer软件以浏览器的形式来配置采集设备及其通道。在使用相关功能时,可以配置设备的虚拟通道,在LabVIEW中进行编程时,直接指定这些虚拟通道的名称,就可以控制这些通道完成数据采集。在数据采集程序中,主要控制数据采集的通道、采样点数及扫描频率等各种参数。系统信号的采样点数及扫描频率用户可以根据不同信号的要求手动在前板上设置。在试验系统开发中,要求对采集数据的进行显示、处理,还要进行保存,实现离线的数据分析。本系统采用的是电子表格文件（SpreadsheetTextFile）来存储信号波形。该系统还能把任意一种试验数据备份到指定的位置。在已知备份文件的目录的前提条件下,可以通过数据模拟再现的功能把以前的数据调出来进行研究、分析。为了配合教学，在软件系统设计时还应用了LabVIEW中分析信号和系统的环境。例如经典控制理论中的PID算法、信号分析的曲线拟合、傅立叶变换、数字滤波等功能;热敏电阻的非线性温度特性的曲线拟合等等。此外，也可利用其信号发生器生成了典型测试信号，如脉冲、阶跃、正弦等，对系统性能进行仿真分析。其G语言框图程序如图4所示。图4恒温控制的框图程序4.3前面板程序前面板程序与真实的物理仪器面板相似，用来提供虚拟仪器与用户的接口,用户可以通过键盘和鼠标对虚拟仪器面板上的开关,按钮等进行各种操作。本系统中加热炉恒温控制系统前面板如图5所示。图5恒温控制系统前面板在前面板上，可以设置模拟通道、数据输出通道;设定控制参数如给定值、P、I、D参数值;可以利用按钮对系统的启动、停止进行控制;可以显示实时温度曲线、历史温度曲线。5结束语利用虚拟仪器技术开发的计算机控制试验系统,具有易于实际操作,功能定义灵活,可扩展性强的优点。虚拟仪器有着惊人的通用性,利用其基本的函数和控件,可以创建拥有几乎无限功能组合的仪器。基于LabVIEW的计算机控制技术实验系统大大简化了实验设备和步骤。本实验系统仍存在不足之处是采用NI公司的DAQ板卡成本较高。目前研究采用通用的数据采集卡、控制卡来完成。在本次实验中，通过对LabVIEW软件控制应用的了解，使我对计算机控制有了一个更加直观的认识。作为其中一种计算机控制软件，LabVIEW有着独特的优势，相信这能使它在未来发展计算机控制中有着很大的前景。