基于LabVIEW的麦芽干燥温度控制系统设计.docx

基于LabVIEW的麦芽干燥温度控制系统设计.docx

《基于LabVIEW的麦芽干燥温度控制系统设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于LabVIEW的麦芽干燥温度控制系统设计.docx（12页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

基于LabVIEW的麦芽干燥温度控制系统设计

基于LabVIEW的麦芽干燥温度控制系统设计

冯鑫,高晓阳3

方立　（甘肃农业大学工学院,甘肃兰州730070

摘要　以NI公司的USB26009数据采集卡为硬件,以LabVIEW8.5及其PID工具包为软件开发平台,设计一个可实时控制的温度调节系统。

该系统通过数据采集卡对现场的温度进行实时采集,并由软件开发平台进行信号的分析处理和显示,然后使用PID神经网络控制算法对现场温度进行实时控制。

最后用Matlab仿真软件对干燥系统进行仿真。

关键词　LabVIEW;数据采集卡;神经网络;PID控制;Matlab仿真中图分类号　TP23　　文献标识码　A　　文章编号　0517-6611（200921-10239-03DesignofDryingTemperatureControlSystemforMaltBasedonLabVIEW

FENGXinetal　（CollegeofEngineering,GansuAgriculturalUniversity,Lanzhou,Gansu730070Abstract　Areal2timetemperaturecontrollingsystemwasdesignedbyB2dataproducedbyNICompanyasthehardware,takingLabVIEW8.5anditsPIDtoolpackageassoftwareThesignalofreal2timetempera2tureonspotbydataacquisitioncard,thenanalyzeandprocesssoftpm.neuralworkcontrolalgorithmwasusedforthereal2timetemperaturecontrolonspot.Finally,wsimulatethedryingsystem.Keywords　LabVIEW;DatanetSimulationofMatlab

作者简介　冯鑫（1982-,男,四川遂宁人,硕士研究生,研究方向:

智能控制。

3通讯作者,硕士生导师,教授,E2mail:

gaoxi2ao1081@sina.com。

收稿日期　2009204203

　　的一个重要环节,,必须降低其含水率,对其进行干燥处理。

在干燥过程中,必须将大麦麦芽干燥室的温度控制在55~85℃。

早期的麦芽干燥过程控制主要是使用前馈控制、反馈控制、反馈—前馈控制等传统控制方法

[1]

。

由于谷物干燥过程的复杂性、时变性和非线性,给传统控制的应用带来了很多困难。

20世纪末,计算机控制技术和人工智能研究的发展为谷物干燥的先进控制提供了新的途径

[2]

。

目前,先进干燥过程控制进入了以智能

化为主的时期,利用人工神经网络对干燥过程进行模型模拟和控制,将专家系统应用于谷物品质预测、干燥过程控制和管理咨询等,控制方法不断改进,控制效果明显提高。

目前,干燥过程中应用较多的控制方法主要有自适应控制、模型预测控制、专家控制、神经网络控制和模糊控制等。

不过现有的大多数干燥系统都是基于单片机开发的,基于单片机开发的干燥系统存在着硬件与软件结构复杂、可扩展性不强和显示方式单一等问题。

随着计算机和现代测控技术的发展,虚拟仪器的技术也得到了迅速发展,并在诸多的工程实践领域得到了很好的应用,充分利用普通计算机这个通用且功能又相当强大的资源,借助于虚拟仪器技术来开发大麦麦芽的干燥系统不失为一个很好的设想

[3]

。

LabVIEW是美国国家仪器公司（NationalInstrument推

出的图形化软件编程平台。

它将复杂、烦琐、费时的语言编程简化成用菜单或图标提示的方法选择功能节点,并把各种功能节点用线条连接起来,是一种比较简单的图形编程软件

[4]

。

LabVIEW编程简洁明了,人机交互界面生成方便,并

集成了丰富实用的数值分析、数字信号处理功能,以及多种硬件设备驱动功能（包括RS232、GPIB、VXI、数据采集板卡、网络等,为用户开发数据采集、仪器控制系统节省大量的编程时间,同时也提高了编程质量。

适用于实验室及小批量生

产线等经常需要改变仪器和设备参数功能的场合[5]

。

该文

开发了一套基于LabVIEW编程,对麦芽干燥室的温度进行

实时控制的计算机辅助测控系统。

1　控制系统的软硬件设计

1.1　测控系统的硬件设计　该温度控制系统的硬件由计

算机、数据采集卡（NIUSB26009、温度传感器、电机、稳压电源和其他连接电路构成（图1。

计算机为DELL公司的品牌电脑,其配置为:

处理器GenuineIntel（RCPUT2130@

1.86GHz双核处理器,内存512MB,硬盘160GB,能够很轻松

完成温度控制系统的开发工作。

数据采集卡选用NI公司的产品USB26009,有8路逻辑输入通道,14位分辨率,2路逻辑输出通道。

12条数字I/O线,还有一个计数器,最高采样率为48kHz。

该数据采集卡采用的是便携式总线供电型设计,可用于Windows、Linux、MacOS、PocketPC等操作系统的驱动软件。

该试验采用集成温度传感器AD590

[6]

。

该传感器

为电流型的温度传感器,通过对电流的测量可以得到所需的温度值。

其工作电压为4~30V,工作温度为（-55~+150

℃,保存温度为（-65~+175℃,且灵敏度能达到1μA/K,在麦芽的干燥过程中,需要控制的温度范围为55~85℃,所以用AD590能很好地进行对干燥室温度的实时采集。

在风机上选用鼓风机来进行干燥室内的温度调节,通过鼓风机吹

动热风炉里的热空气到干燥室以达到温度调节的目的。

图1　控制系统硬件结构

Fig.1　Thehardwarestructureofcontrolsystem

1.2　测控系统的软件设计　系统以LabVIEW8.5为软件

开发平台,采用计算机的PCI总线,以传感器、数据采集卡、

PC机为基础,组成仪器硬件平台的插卡式虚拟系统。

该系

统软件部分共由数据采集、数据处理、整定控制3个模块组成,数据采集模块主要是进行干燥室的温度数据采集。

数据处理模块用来对采集到的信号进行放大、去噪声等处理,以

安徽农业科学,JournalofAnhuiAgri.Sci.2009,37（21:

10239-10241责任编辑　熊章琴　责任校对　汪伟

保证信号的精确度。

整定控制模块主要是采用LabVIEW的

PID控制包再结合神经网络来控制干燥室温度。

1.2.1　数据采集模块。

数据采集就是将电压、电流、压力等

物理变量转化为数字量并传递到计算机的过程

[7]

。

基于Lab

VIEW的数据采集系统一般如图2

所示。

图2　数据采集系统结构

Fig.2　Thestructureofdataacquisitionsystem

在LabVIEW（Measurement&AutomationExpl集,也可以按照VII,则,采用的是NI公司的USB26009数据采集卡。

在MAX中设定其设备号为

1。

根据需求设定了一个模拟量输入通道:

发芽箱内温度,设

它的通道号为1,属性设置采用模拟输入量,设备量程范围为

0~10V,差分测量的接线方式。

　　DAQ模拟输入通道支持3种工作模式:

单点采集、多点采集、连续采集。

单点采集基于软件定时,定时精度低,速度慢。

多点采集基于硬件定时,速度较快,帧内可精确定时,但帧际无法精确定时。

还有连续采集模式,该模式也基于硬件定时,速度快,帧内、帧际均可精确定时。

在该系统中采用连续采集模式,温度采集的前面板如图3

所示。

图3　温度采集的前面板

Fig.3　Thefrontpanelfortemperatureacquisition

LabVIEW8.5版本和以前版本不一样,以前版本在数

据采集中采用的是AI模块进行数据的采集,但是LabVIEW

8.2以后,NI公司推出了功能更加强大并且开发更加简单的DAQ模块。

该模块里面含有功能更加强大的子VI,使数据

的采集变得更加简单化。

进行电压采集的主要程序如图4

所示。

图4　温度采集后面板程序

Fig.4　Thepanelprocedureaftertemperatureacquisition

　　首先,用DAQmxcreatechannel.vi创建一个电压的逻辑输入通道,然后对其最大、最小值根据温度的变化范围进行设置,因为电压的变化范围和温度的变化范围是一一对应且成比例关系的。

　　DAQmxTiming.vi子VI主要用于对外部时钟源进行定义,并对获取或产生的采样数进行设置。

然后用DAQmx

starttask.vi来开始数据的采集。

DAQmxread.vi子VI来读入由数据采集卡上传来的数

据并且将其以波形的形式读出来。

在数据采集任务停止后,选用DAQmxcleartask.vi在重新进行采集任务的时候对以前的任务状态进行清零。

SimpleErrorHandler.Vi用来在发生错误时候警告并且

返回错误的描述。

计算机通过LabVIEW对数据采集卡几个部件进行控制,在数据采集卡和计算机总线间实现通信,交换数据和控制信息,来完成对热电偶温度信号的采集。

数据采集卡采集的是温度电压信号,根据采样定理可设定VI的采样频率为1

kHz,采样点数为400,选择模拟输入零通道和模拟输出零通

道。

采集过程中,可以对采集的电压信号进行换算得出温度值。

经过实际测量一组温度和热敏电阻值的数据,并通过最

小二乘法拟合运算得到热敏电阻阻值与温度的关系式:

lnRt

=B/T+C,对其进行变换后得出摄氏温度值:

t=B/（lnRt+C-273.15,其中B、C是常数。

1.2.2　PID参数整定及BP神经网络控制过程（图5。

PID

控制系统运行前,应先整定PID参数使之大小适度。

因为实际各种对象对PID调节特性要求不同,如果整定不好,即使很先进的算法,控制效果也不佳,故整定P、I、D等参数是关键问题。

整定好PID3个参数后传给PID控制系统,便能控制采集的当前温度信号去逼近设定温度值,达到对温度进行控制的目的。

由于外界信号的干扰,控制过程开始波动较大,后来逐渐减小最终会达到近似理想的效果。

在程序设计中采用增量式PID来实现虚拟仪器采样控制,它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量。

因此,只能用数值计算的方法逼近在采样时刻t,PID调节规律可以通过如下公式来进行计算:

U（k=U（k-1+kp△e（k+kIe（k+kD△2

e（k

式中,U（k为某一时刻的输出量;U（k-1为前一时刻的输出量;kp为比例系数;kI为积分系数;kD为微分系数;△e（k

=e（k-e（k-1;△2

e（k=△e（k-△e（k-1。

BP神经网络:

根据系统的运行状态,调节PID控制器的

4201　　　　　　　　　　安徽农业科学　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2009年

图5　PID控制流程

Fig.5　PIDcontrolflow

参数,以期达到某种性能指标的最优化（图6。

即使输出层神经元的输出状态对应于PID控制器的3个可调参数kP、

kI、kD,通过神经网络的自身学习、加权系数调整,稳定状态对应于某种最优控制下的

I图6　神经网络PID控制

Fig.6　PIDcontrolofneuralnetwork

根据以上的程序控制算法,很方便就可以用LabVIEW把系统的PID控制程序写出来,其中输入信号通过通道1采集进来,采集到的量是过程变量。

把它与设定量、PID参数一起加到PID工具包的输入端经过PID工具包的处理得到输出量,把输出量经过输出通道输出来,以达到控制的目的。

2　仿真结果

为了验证温度控制系统的效果,在最后采用Matlab来进行系统仿真。

由图7可知,神经网络PID控制化传统PID控制具有更好的控制特性。

方法更简单,

无需建立被控系统的数学模型,控制器的参数整定更方便,且有很好的动静态特性。

图7　神经网络PID控制的仿真阶跃曲线

Fig.7　SimulationstepPIDcontrolofneuralnet2

IEW8.5环境下,通过搭建相关硬件电路使用神经网络PID控制使控制器的参数整定更加方便,并具有很好的动静态特性

[8]

。

测试结果表

明,该系统运行正常,能够用于实际的温度控制。

具体联机运行可打开该文附带的原程序,注意必须在装有NI公司的数据采集卡USB26009和LabVIEW8.5版本,配合简单硬件电路情况下执行。

该系统的研究适用于工程应用和教学实验,具有安全可靠、操作方便、易维护等特点,在工业和农业

的控制过程中具有广阔的应用前景。

参考文献

[1]彭波.谷物低温干燥专家系统的研究[D].北京:

中国农业大学,2001.

[2]郑文利,徐成海,张省,等.基于神经网络的真空冷冻干燥过程建模研

究[J].真空,1998,8（4:

8-11.

[3]禹柳飞.虚拟仪器在馆藏室温湿度监控中的应用[J].微计算机信息:

测控自动化版,2008（13:

164-165,255.

[4]杨可曼.关于虚拟仪器及其应用前景[J].高等函数学报:

自然科学版,

2004,17（3:

26-28.[5]李刚,林凌.LabVIEW———易学易用的计算机图形化变成语言[M].北

京:

北京航空航天大学出版社,2001.

[6]何广军,高育鹏.现代测试技术[M].北京:

清华大学出版社,2007.[7]刘君华.虚拟仪器图形化编程语言LabVIEW教程[M].西安:

西安电

子科技大学出版社,2001.

[8]毕小龙,袁勇.基于BP神经网络的人口预测方法研究[J].武汉理工大

学学报:

交通科学与工程版,2007,31（3:

5.

（上接第10176页品物流技术的应用,提高物流运作效率、降低运输过程中的损耗,从而节约社会资源。

3　结语

我国农产品物流发展尚处于起步阶段,构建现代化的农产品物流模式将是长期的过程,政府要充分发挥宏观调控作用,制定适合我国国情的现代农产品物流发展规划和相关法律政策,规范物流市场行为;通过信贷、财政和税收政策等,扶持农产品物流主体的协调发展;加大对物流基础设施和物流技术的投资,提高运输网络的通达深度和能力;完善物流信息系统的建设,为物流主体的发展创造良好的运营环境,

使我国的农产品物流步入健康、快速、持续发展的轨道。

参考文献

[1]张文松,王树祥.我国农产品现代物流模式分析及选择[J].物流技术,

2006（3:

37-39.

[2]武云亮.我国农产品物流组织创新研究[J].商品储运与养护,2006

（12:

19-22.

[3]贺峰.中国农产品物流模式构建:

基于批发市场的研究[J].农业技术

经济,2006（5:

40-43.

[4]李晓锦,范秀荣.农产品物流体系的规则及其专业化发展[J].农业经济

问题,2006（8:

43-46.

[5]郝玉强.农产品物流的新思路———构建新型农产品产销供应链[J].商

品储运与养护,2006（12:

50-55.

[6]戴伟娟.农产品物流发展的内在动因与机制探析———以国际经济为例

[J].上海经济研究,2006（5:

15-22.

1

420137卷21期　　　　　　　　　　　　　　　　冯鑫等　基于LabVIEW的麦芽干燥温度控制系统设计