基于LabVIEW的温度控制系统设计研究
刘凯++初光勇+黄海松
摘 要： 针对传统温度精确控制系统需要在散热率低、干扰小的情况下运行的缺陷。采用LabVIEW软件，设计开发了一款基于PID+PWM的温度控制系统。该温度控制系统在硬件上由NI?6008采集卡、温度传感器、温度变送器、固态继电器等构成；在软件上以PID+PWM算法为核心，回温预热系统为补充，最终形成一个完整的温度控制系统。实验结果表明，该系统可以在散热率较高以及干扰较大的环境下实现对温度的精确控制，温度波动范围在±0.3 ℃。
关键词： LabVIEW； 温度控制系统； PID； PWM； NI?6008采集卡
中图分类号： TN964?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）18?0164?04
Design of temperature control system based on LabVIEW
LIU Kai1， CHU Guangyong2， HUANG Haisong1
（1. MOE Key Laboratory of Advanced Manufacturing Technology， Guizhou University， Guiyang 550025， China；
2. Tongren Polytechnic College， Tongren 554300， China）
Abstract： Since the traditional temperature accurate control system needs to run under the conditions of low heat dissipation rate and weak interference， the LabVIEW software is used to design and develop a temperature control system based on PID+PWM. The hardware of the temperature control system is composed of NI?6008 acquisition card， temperature sensor， temperature transmitter， solid?state relay， etc. PID+PWM algorithm is taken as the core of the system software， and temperature returning and preheating system is taken as the supplement to form a complete temperature control system. Experimental results show that the system can control the temperature accurately in the environment of high heat dissipation rate and powerful interference， and temperature fluctuation range is within ±0.3 ℃.
Keywords： LabVIEW； temperature control system； PID； PWM； NI?6008 acquisition card
0 引 言
随着科学技术的发展和测试水平的提高，人们对温度的控制精度要求越来越高[1]。温度控制具有大滞后、大惯性、时变性、升温单向性等特点，因此传统的控制不能实现在复杂环境下对温度的有效控制[2]。目前对温度控制系统的研究有宋智罡等人利用LabVIEW做的模糊控制器[3]，赵宇等人设计的温度采集系统[4]，但并没有考虑到实际情况对温度影响的复杂性。本文将PID控制的理论与PWM脉宽调节相结合，并且加入了回温预热系统。利用LabVIEW编程实现在散热率较高以及干扰较强环境下对温度的精准控制。
1 温度控制系统的工作原理
本文所设计的温度控制系统如图1所示。
其工作原理为，温度传感器感知温度并将信号传送给温度变送器，温度变送器将收到的信号放大并转变成0～5 V的电压传送给采集卡。
采集卡获得的信息通过数据线传送给上位机。上位机对信号进行处理后通过采集卡控制继电器的开关，进而控制加热装置。
2 温度控制系统硬件设计
本文所设计的温度控制系统主要用于干扰多、散热率大的场合，其结构如图2所示。结合使用要求，硬件选型如下：
（1） 温度采集选用DS18B20传感器，测量的温度范围为-55～125 ℃。
（2） 温度变送器采用J型热电偶。在温度变化时将传来的电流信号转化为0～5 V电压信号并将信号传送给NI采集卡[5]。
（3） 考虑到散热率高所以加热设备采用加热功率为1 500 W的加热锅。
（4） 采集卡选用NIUSB?6008。这个采集卡可提供8个模拟输入（AI）通道、2个模拟输出（AO）通道、12个数字输入/输出（DIO）通道以及一个带全速USB接口的32位计数器[6]。
（5） 继电器选择DELIXI ELECTRIC的固态继电器。
3 温度控制系统软件设计
本文所设计温度控制系统软件包括系统前面板设计和系统后面板设计。
3.1 系统前面板设计
系统前面板设计在LabVIEW里面进行，系统前面板包括了常用控制和显示模块、温度控制信号显示模块、PID系数设置模块、温度数值显示模块等，如图3所示。
（1） 常用控制和显示模块
该模块包括加热开关、采集开关、时间显示框、温差显示表以及温度计。
（2） 温度控制信号显示框
该模块显示当前温度、温度变化趋势以及设定的温度值。
（3） PID系数设置模块
此模块设置PID三项系数。
（4） 温度数值显示模块
每间隔3 s显示温度数值，这样既可以显示温度的具体数值又可以消除一定的干扰。
3.2 系统后面板设计
程序后面板如图4所示，主要包括数据采集模块、PWM模块、PID模块、模拟电压输出模块、数据存贮模块、回温控制模块等。本文主要介绍PID模块、 PWM模块、回温控制模块。
图4 温度控制系统后面板
3.2.1 PID模块
在LabVIEW中，PID控制算法为：
[ut=KP?e+KI?0te+KD?dedt]
式中：e为设定值与实际返回值的差值；[KP]为比例系数；[KI]为积分系数；[KD]为微分系数。由于实际的需求，将微分项进行变动，由设定温度与实际温度的差值的微分改为相邻两次采样点的差值的微分。这样的微分项可以控制下面的回温装置。考虑到实际中散热较大，干扰较多，经试验验证比例系数、积分系数、微分系数分别采用2，0.003，1。其中比例环节主要控制加热系统中间断加热的开启时间，经多次调整，当实际温度与设定温度相差6 ℃时开启间断加热。
微分环节在温度下降时启用，当温度下降过快时启用预热模块，减缓温度下降趋势。积分环节用来判断系统的稳态，以及达到稳态的时间。由于本实验在干扰较强的环境下使用，所以控制温度的波动范围，使系统达到一个相对的稳态。
3.2.2 PWM模块
脉冲宽度调制（PWM）模块作为温度精确控制系统中最重要的部分，此模块的性能直接决定温度控制系统的精度。考虑到加热受环境的影响并且过后具有余热等因素，该模块控制采用PWM脉宽控制。通过借用PID控制中的比例项来控制加热系统。
本系统设置当实际温度与设定温度的差值达到6 ℃时，启动间断加热。根据PID控制中的比例项返回不同的值时，通过Matlab节点控制。在不同比例值时，对外输出不同的值。再将这个值转化为占空比。将占空比输入到方波发生器中如图5所示，产生具有不同占空比的方波。利用这些方波控制继电器的开启时间达到控制加热的目的。
图5 方波发生器
3.2.3 回温控制模块
考虑到温度下降的持续性以及检测与实际存在一定的滞后性，为了更为精准地控制温度变化的范围，在本系统中加入了回温模块。每隔3 s采集测量的温度值，通过Matlab节点计算出相邻温度差值的微分，这就是前文说的PID中的微分项，计算出这段时间内的温度变化情况。由于误差的存在本模块采用4个点、3个微分结果控制回温系统的启动。如果结果都为负值，启动回温模块。为了避免出现过加热，通过PWM模块控制加热时间。输出具有较小的占空比的方波，控制加热时间。这样的回温控制模块可以控制温度变化的下限。
4 实验及结果分析
本次实验以功率为1 500 W的加热锅对300 mL的水进行温度控制试验，试验的初始温度为35 ℃，目标设定温度为38 ℃。图6和图7分别是未用PWM的温度变化曲线和采用PWM的温度变化曲线。
图6 未用PWM的温度变化曲线
图7 采用PWM的温度变化曲线
通过图6的温度变化曲线可以得出，由于加热装置的余热和温度采集的滞后性的影响，导致温度上升过多，偏差较大。当采用了PWM模块，温度变化曲线如图7所示。通过对比图6、图7可以发现，当采用PWM模块，可以有效地消除加熱装置的余热以及环境中的干扰。进而可以控制温度变化范围的上限，达到对温度波动上限的精确控制。
图8和图9分别是未采用回温控制模块的温度变化曲线和采用回温控制模块的温度变化曲线，通过分析未采用回温控制模块的温度变化曲线得出，由于加热的延迟性和环境的干扰导致温度下降速率过快，下降量过大，达不到对温度下限的精准控制。通过图8、图9对比可以得出：由于采用了回温控制模块可以对加热装置进行预热，减缓温度下降的趋势，达到对温度下限的精确控制。
图8 未采用回温控制模块的温度变化曲线
通过图6～图9可以清晰地看出，采用PID+PWM可以有效地控制温度变化的上限，这样不仅节省能源的消耗而且可以实现对温度的精准控制。采用预热模块，可以有效地控制温度下降的趋势，进而控制温度变化的下限。PID+PWM与回温控制两个控制的有效结合，可以实现对温度上下限的有效控制，范围为-0.3～0.3 ℃。
5 结 语
本文基于PID+PWM算法，采用了回温控制技术，设计出一款可以在复杂环境下运行的温度精确控制系统，并进行了实验验证。验证结果表明，所设计的温度控制系统能够完成对温度的精确控制，控制范围为±0.3 ℃。该系统具有良好的通用特性，只需要通过修改一些占空比及PWM控制启动上下限，就可以达到在不同环境和要求下的温度精确控制。
参考文献
[1] 王占强，徐伟弘，汪开源.一维PSD信号调理电路及其应用[J].仪表技术与传感器，1997（12）：25?28.
[2] 欧阳磊.基于自整定PID控制器的温度控制系统研究[D].淮南：安徽理工大学，2009.
[3] 宋智罡，郁其祥，王益明，等.基于LabVIEW的PID参数自适应模糊控制器设计[J].机械设计与制造，2003（4）：11?13.
[4] 赵宇，张邦民，蔡珍，等.基于LabVIEW的变压器温升数据采集系统[J].现代电子技术，2015，38（4）：155?158.
[5] 张华，郑宾，武晓栋.基于LabVIEW的温度测试系统[J].电子器件，2013，36（2）：243?245.
[6] 黄振贤.一种基于USB?6008的简易虚拟示波器设计[J].山东理工大学学报（自然科学版），2011（1）：107?110.
摘 要： 针对传统温度精确控制系统需要在散热率低、干扰小的情况下运行的缺陷。采用LabVIEW软件，设计开发了一款基于PID+PWM的温度控制系统。该温度控制系统在硬件上由NI?6008采集卡、温度传感器、温度变送器、固态继电器等构成；在软件上以PID+PWM算法为核心，回温预热系统为补充，最终形成一个完整的温度控制系统。实验结果表明，该系统可以在散热率较高以及干扰较大的环境下实现对温度的精确控制，温度波动范围在±0.3 ℃。
关键词： LabVIEW； 温度控制系统； PID； PWM； NI?6008采集卡
中图分类号： TN964?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）18?0164?04
Design of temperature control system based on LabVIEW
LIU Kai1， CHU Guangyong2， HUANG Haisong1
（1. MOE Key Laboratory of Advanced Manufacturing Technology， Guizhou University， Guiyang 550025， China；
2. Tongren Polytechnic College， Tongren 554300， China）
Abstract： Since the traditional temperature accurate control system needs to run under the conditions of low heat dissipation rate and weak interference， the LabVIEW software is used to design and develop a temperature control system based on PID+PWM. The hardware of the temperature control system is composed of NI?6008 acquisition card， temperature sensor， temperature transmitter， solid?state relay， etc. PID+PWM algorithm is taken as the core of the system software， and temperature returning and preheating system is taken as the supplement to form a complete temperature control system. Experimental results show that the system can control the temperature accurately in the environment of high heat dissipation rate and powerful interference， and temperature fluctuation range is within ±0.3 ℃.
Keywords： LabVIEW； temperature control system； PID； PWM； NI?6008 acquisition card
0 引 言
随着科学技术的发展和测试水平的提高，人们对温度的控制精度要求越来越高[1]。温度控制具有大滞后、大惯性、时变性、升温单向性等特点，因此传统的控制不能实现在复杂环境下对温度的有效控制[2]。目前对温度控制系统的研究有宋智罡等人利用LabVIEW做的模糊控制器[3]，赵宇等人设计的温度采集系统[4]，但并没有考虑到实际情况对温度影响的复杂性。本文将PID控制的理论与PWM脉宽调节相结合，并且加入了回温预热系统。利用LabVIEW编程实现在散热率较高以及干扰较强环境下对温度的精准控制。
1 温度控制系统的工作原理
本文所设计的温度控制系统如图1所示。
其工作原理为，温度传感器感知温度并将信号传送给温度变送器，温度变送器将收到的信号放大并转变成0～5 V的电压传送给采集卡。
采集卡获得的信息通过数据线传送给上位机。上位机对信号进行处理后通过采集卡控制继电器的开关，进而控制加热装置。
2 温度控制系统硬件设计
本文所设计的温度控制系统主要用于干扰多、散热率大的场合，其结构如图2所示。结合使用要求，硬件选型如下：
（1） 温度采集选用DS18B20传感器，测量的温度范围为-55～125 ℃。
（2） 温度变送器采用J型热电偶。在温度变化时将传来的电流信号转化为0～5 V电压信号并将信号传送给NI采集卡[5]。
（3） 考虑到散热率高所以加热设备采用加热功率为1 500 W的加热锅。
（4） 采集卡选用NIUSB?6008。这个采集卡可提供8个模拟输入（AI）通道、2个模拟输出（AO）通道、12个数字输入/输出（DIO）通道以及一个带全速USB接口的32位计数器[6]。
（5） 继电器选择DELIXI ELECTRIC的固态继电器。
3 温度控制系统软件设计
本文所设计温度控制系统软件包括系统前面板设计和系统后面板设计。
3.1 系统前面板设计
系统前面板设计在LabVIEW里面进行，系统前面板包括了常用控制和显示模块、温度控制信号显示模块、PID系数设置模块、温度数值显示模块等，如图3所示。
（1） 常用控制和显示模块
该模块包括加热开关、采集开关、时间显示框、温差显示表以及温度计。
（2） 温度控制信号显示框
该模块显示当前温度、温度变化趋势以及设定的温度值。
（3） PID系数设置模块
此模块设置PID三项系数。
（4） 温度数值显示模块
每间隔3 s显示温度数值，这样既可以显示温度的具体数值又可以消除一定的干扰。
3.2 系统后面板设计
程序后面板如图4所示，主要包括数据采集模块、PWM模块、PID模块、模拟电压输出模块、数据存贮模块、回温控制模块等。本文主要介绍PID模块、 PWM模块、回温控制模块。
图4 温度控制系统后面板
3.2.1 PID模块
在LabVIEW中，PID控制算法为：
[ut=KP?e+KI?0te+KD?dedt]
式中：e为设定值与实际返回值的差值；[KP]为比例系数；[KI]为积分系数；[KD]为微分系数。由于实际的需求，将微分项进行变动，由设定温度与实际温度的差值的微分改为相邻两次采样点的差值的微分。这样的微分项可以控制下面的回温装置。考虑到实际中散热较大，干扰较多，经试验验证比例系数、积分系数、微分系数分别采用2，0.003，1。其中比例环节主要控制加热系统中间断加热的开启时间，经多次调整，当实际温度与设定温度相差6 ℃时开启间断加热。
微分环节在温度下降时启用，当温度下降过快时启用预热模块，减缓温度下降趋势。积分环节用来判断系统的稳态，以及达到稳态的时间。由于本实验在干扰较强的环境下使用，所以控制温度的波动范围，使系统达到一个相对的稳态。
3.2.2 PWM模块
脉冲宽度调制（PWM）模块作为温度精确控制系统中最重要的部分，此模块的性能直接决定温度控制系统的精度。考虑到加热受环境的影响并且过后具有余热等因素，该模块控制采用PWM脉宽控制。通过借用PID控制中的比例项来控制加热系统。
本系统设置当实际温度与设定温度的差值达到6 ℃时，启动间断加热。根据PID控制中的比例项返回不同的值时，通过Matlab节点控制。在不同比例值时，对外输出不同的值。再将这个值转化为占空比。将占空比输入到方波发生器中如图5所示，产生具有不同占空比的方波。利用这些方波控制继电器的开启时间达到控制加热的目的。
图5 方波发生器
3.2.3 回温控制模块
考虑到温度下降的持续性以及检测与实际存在一定的滞后性，为了更为精准地控制温度变化的范围，在本系统中加入了回温模块。每隔3 s采集测量的温度值，通过Matlab节点计算出相邻温度差值的微分，这就是前文说的PID中的微分项，计算出这段时间内的温度变化情况。由于误差的存在本模块采用4个点、3个微分结果控制回温系统的启动。如果结果都为负值，启动回温模块。为了避免出现过加热，通过PWM模块控制加热时间。输出具有较小的占空比的方波，控制加热时间。这样的回温控制模块可以控制温度变化的下限。
4 实验及结果分析
本次实验以功率为1 500 W的加热锅对300 mL的水进行温度控制试验，试验的初始温度为35 ℃，目标设定温度为38 ℃。图6和图7分别是未用PWM的温度变化曲线和采用PWM的温度变化曲线。
图6 未用PWM的温度变化曲线
图7 采用PWM的温度变化曲线
通过图6的温度变化曲线可以得出，由于加热装置的余热和温度采集的滞后性的影响，导致温度上升过多，偏差较大。当采用了PWM模块，温度变化曲线如图7所示。通过对比图6、图7可以发现，当采用PWM模块，可以有效地消除加熱装置的余热以及环境中的干扰。进而可以控制温度变化范围的上限，达到对温度波动上限的精确控制。
图8和图9分别是未采用回温控制模块的温度变化曲线和采用回温控制模块的温度变化曲线，通过分析未采用回温控制模块的温度变化曲线得出，由于加热的延迟性和环境的干扰导致温度下降速率过快，下降量过大，达不到对温度下限的精准控制。通过图8、图9对比可以得出：由于采用了回温控制模块可以对加热装置进行预热，减缓温度下降的趋势，达到对温度下限的精确控制。
图8 未采用回温控制模块的温度变化曲线
通过图6～图9可以清晰地看出，采用PID+PWM可以有效地控制温度变化的上限，这样不仅节省能源的消耗而且可以实现对温度的精准控制。采用预热模块，可以有效地控制温度下降的趋势，进而控制温度变化的下限。PID+PWM与回温控制两个控制的有效结合，可以实现对温度上下限的有效控制，范围为-0.3～0.3 ℃。
5 结 语
本文基于PID+PWM算法，采用了回温控制技术，设计出一款可以在复杂环境下运行的温度精确控制系统，并进行了实验验证。验证结果表明，所设计的温度控制系统能够完成对温度的精确控制，控制范围为±0.3 ℃。该系统具有良好的通用特性，只需要通过修改一些占空比及PWM控制启动上下限，就可以达到在不同环境和要求下的温度精确控制。
参考文献
[1] 王占强，徐伟弘，汪开源.一维PSD信号调理电路及其应用[J].仪表技术与传感器，1997（12）：25?28.
[2] 欧阳磊.基于自整定PID控制器的温度控制系统研究[D].淮南：安徽理工大学，2009.
[3] 宋智罡，郁其祥，王益明，等.基于LabVIEW的PID参数自适应模糊控制器设计[J].机械设计与制造，2003（4）：11?13.
[4] 赵宇，张邦民，蔡珍，等.基于LabVIEW的变压器温升数据采集系统[J].现代电子技术，2015，38（4）：155?158.
[5] 张华，郑宾，武晓栋.基于LabVIEW的温度测试系统[J].电子器件，2013，36（2）：243?245.
[6] 黄振贤.一种基于USB?6008的简易虚拟示波器设计[J].山东理工大学学报（自然科学版），2011（1）：107?110.
