在LabVIEW軟件構(gòu)建PID控制器的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

1 、引言

工業(yè)現(xiàn)場中大部分的控制系統(tǒng)的控制器是PID控制器，其PID參數(shù)的整定需要一定的控制理論知識和豐富的經(jīng)驗(yàn)。對于現(xiàn)場缺乏自動化技術(shù)人員的企業(yè)，其PID參數(shù)往往遠(yuǎn)離最優(yōu)值。PID參數(shù)的優(yōu)劣直接影響著生產(chǎn)質(zhì)量。為了改變生產(chǎn)中的這種不利狀況，開發(fā)一個遠(yuǎn)程PID參數(shù)整定系統(tǒng)，顯得非常必要。在實(shí)驗(yàn)室中并不具備靈活的可變的控制對象，故本系統(tǒng)的開發(fā)選用了NI虛擬儀器LabVIEW軟件構(gòu)建控制對象。在實(shí)驗(yàn)室中，以構(gòu)建一個PID控制器的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)為例，在LabVIEW上的實(shí)驗(yàn)對象進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，研究控制效果。

2 、遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)簡介

系統(tǒng)中PID控制器作為下位機(jī)，并通過其自帶的串口通信功能連接到上位機(jī)，即工控計(jì)算機(jī)的COM口上。PID控制器的輸出接到DAQ采集卡上，把控制信號傳入工控計(jì)算機(jī)中，作用于虛擬儀器LabVIEW中的虛擬對象。經(jīng)過計(jì)算，將虛擬對象的響應(yīng)，即反饋信號通過DAQ采集卡輸出到PID控制器中，如此在實(shí)驗(yàn)室中形成簡單閉環(huán)控制系統(tǒng)。在圖1中，具體表現(xiàn)為AI518PID控制器通過串口聯(lián)接到計(jì)算機(jī)上，控制器的輸出和輸入分別通過CompactDAQ進(jìn)行采集和反饋提供。遠(yuǎn)程監(jiān)控實(shí)驗(yàn)基于該控制平臺進(jìn)行。

工控計(jì)算機(jī)連接到互聯(lián)網(wǎng)，通過TCP／IP協(xié)議，由WEB版組態(tài)王將控制界面發(fā)布到INTERNET上。在客戶端可以通過互聯(lián)網(wǎng)，在瀏覽器中遠(yuǎn)程訪問組態(tài)王控制工程（需下載并安裝相關(guān)JAVA插件），觀測數(shù)據(jù)變化曲線，并可根據(jù)控制狀態(tài)，實(shí)時修改PID參數(shù)。本系統(tǒng)同時提供報警功能，及歷史控制相關(guān)曲線的查詢功能，力求遠(yuǎn)程客戶端能夠方便，直觀地掌握現(xiàn)場相關(guān)信息。

3 、遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成

3．1 硬件平臺的搭建

系統(tǒng)采用廈門宇光公司出品的AI518智能溫度PID控制器作為下位機(jī)，其自帶有串口通信功能，為了滿足工業(yè)現(xiàn)場遠(yuǎn)距離傳輸需要，使用RS485傳輸協(xié)議連接，通過RS485／RS232的轉(zhuǎn)接器連接到上位機(jī)（工控計(jì)算機(jī)）。

DAQ采集卡采用NI公司CompactDAQ數(shù)據(jù)采集卡。PID控制器的輸出為4mA～20mA的電流，通過250歐電阻的轉(zhuǎn)換為1V~5V的電壓后輸入到DAO采集卡的其中一個輸入通道口中，而反饋信號從DAQ的一個輸出通道口引出，連接到PID控制器的輸入口中，形成閉環(huán)控制。

硬件平臺示意圖如圖l所示，其中工控計(jì)算機(jī)中虛線框?yàn)檫B接對應(yīng)的控制軟件。

3．2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用組態(tài)王6．5l作為組態(tài)開發(fā)軟件。以下簡述組態(tài)軟件開發(fā)關(guān)鍵過程。

（1）在組態(tài)王中生成A1518系列PID控制器。由于組態(tài)王配備對應(yīng)的驅(qū)動，故無須另行開發(fā)驅(qū)動，只需按照向?qū)П憧梢栽诮M態(tài)王的工程中生成該設(shè)備。在組態(tài)王中，設(shè)備的參數(shù)應(yīng)與控制器內(nèi)部參數(shù)一致。使用軟件中的設(shè)備測試功能，讀取PID控制器的內(nèi)部寄存器，從而判斷組態(tài)王軟件是否已經(jīng)與PID控制器正常通信。

（2）在數(shù)據(jù)詞典中設(shè)置好各關(guān)鍵變量，開發(fā)相關(guān)控制畫面，并建立設(shè)定值、響應(yīng)值，控制器輸出值的動畫連接，以生成各種對應(yīng)的變化曲線。設(shè)定值、系統(tǒng)響應(yīng)值和控制器輸出值設(shè)為歷史記錄變量，從而生成歷史曲線。

（3）設(shè)置基本網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。在組態(tài)王網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置頁中將本機(jī)設(shè)置成聯(lián)網(wǎng)，并定義節(jié)點(diǎn)名稱。在節(jié)點(diǎn)類型設(shè)置頁中，“√”選“本機(jī)是IO服務(wù)器”，“本機(jī)是登錄服務(wù)器”，“進(jìn)行歷史備份”，保證網(wǎng)絡(luò)及歷史記錄功能的正常工作。

（4）網(wǎng)絡(luò)發(fā)布設(shè)置。新建實(shí)時工程“Remotecontrol“和歷史曲線“History”兩個發(fā)布組。實(shí)時工程“Remotecontrol”發(fā)布組用于在客戶端上對PID參數(shù)進(jìn)行實(shí)時控制。畫面包括實(shí)時設(shè)定值、系統(tǒng)響應(yīng)值和控制器輸出值的實(shí)時數(shù)據(jù)及其變化曲線，以及控制器作用于控制對象的PID參數(shù)，同時提供設(shè)定值和控制器PID參數(shù)的實(shí)時修改功能。具體畫面如圖2所示。歷史曲線“Histoiy”發(fā)布組提供設(shè)定值、系統(tǒng)響應(yīng)值和控制器輸出值的歷史曲線，通過對大時間跨度的曲線觀察有利于控制對象特性的掌握。由于系統(tǒng)中存在兩個發(fā)布組一分別為實(shí)時工程和歷史曲線，故在“WEB”選項(xiàng)卡中，“√”選“顯示發(fā)布組列表”。當(dāng)從客戶端訪問時，根據(jù)實(shí)際需要在發(fā)布組列表中選擇。

完善其他相關(guān)軟件開發(fā)細(xì)節(jié)后，該工程便可順利發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)上。需要注意，單機(jī)版的組態(tài)王加密狗并不支持遠(yuǎn)程發(fā)布功能。

4 、遠(yuǎn)程監(jiān)控實(shí)驗(yàn)

4．1 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的登錄

組態(tài)王使用B／S模式進(jìn)行遠(yuǎn)程發(fā)布，無須另行安裝專用軟件，在客戶端計(jì)算機(jī)中安裝相關(guān)的JRE（JAVA runtime environment）plugging程序，便可在客戶端瀏覽器上遠(yuǎn)程訪問工程并進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。在客戶端計(jì)算機(jī)的瀏覽器中，輸入以下地址“Http：／／202．38．214．9：2000／Remotecontrol”訪問工程。其中“Http：／／”不能省略，與其他網(wǎng)址直接輸入IP地址即可訪問不同。

4．2 遠(yuǎn)程監(jiān)控實(shí)驗(yàn)

（1）實(shí)驗(yàn)對象

在實(shí)驗(yàn)室中不具備靈活可變的實(shí)物控制對象，故系統(tǒng)設(shè)計(jì)的時候采用了虛擬儀器軟件的仿真對象，選用的具體軟件是NI公司的LabVIEW虛擬儀器軟件。通過對對象的開環(huán)響應(yīng)曲線的研究，可發(fā)現(xiàn)大多數(shù)工業(yè)過程都能用一階慣性加純滯后（First OrderPlusDelay Time）模型來近似描述，簡記為FOPDT模型?；谶@一點(diǎn)，最小模型假設(shè)上業(yè)對象模型的傳遞函數(shù)為：

實(shí)驗(yàn)時，被控對象的放大倍數(shù)K取0．5，T（時間常數(shù)）取20s；τ（時滯）=5s。即對象為：

在LabVIEW的仿真程序中和組態(tài)王的工程中均可獲得實(shí)時曲線，但并不能符合具體的實(shí)驗(yàn)要求，故本系統(tǒng)提取LabVIEW記錄的lvm文件中的數(shù)據(jù)，使用Matlab軟件繪制輸出曲線和對象響應(yīng)曲線。

（2）監(jiān)控實(shí)驗(yàn)

客戶端登錄遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)后，遠(yuǎn)程修改PID參數(shù)，并完成一個完整的響應(yīng)過程。結(jié)果顯示：控制效果良好，整體顯示效果良好。

多次觀察在客戶端進(jìn)行修改，在服務(wù)器上觀察反應(yīng)時間，發(fā)現(xiàn)在正常網(wǎng)速下，作用基本同步，證明可以達(dá)到遠(yuǎn)程修改PID參數(shù)進(jìn)行控制的需要。

為了仔細(xì)驗(yàn)證該系統(tǒng)的遠(yuǎn)程參數(shù)整定性能，進(jìn)行了以下有關(guān)實(shí)驗(yàn)。圖3為非周期過程響應(yīng)曲線。選取三個典型的響應(yīng)曲線作為實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，并提取服務(wù)器數(shù)據(jù)記錄，用Matlab將響應(yīng)曲線繪制出來。

（1）非周期過程響應(yīng)曲線（見圖3）

PID參數(shù)具體情況如下：P=2；I=25；D=0。

（2）等幅振蕩響應(yīng)曲線（見圖4）

PID參數(shù)具體情況如下：P=1000；I=200；D=O。

由上述曲線可以看出，遠(yuǎn)程實(shí)時修改PID參數(shù)是完全可行的。

5 、結(jié)語

在工業(yè)生產(chǎn)中，各種PID控制器PID參數(shù)的整定十分重要，往往需要專業(yè)人員對生產(chǎn)過程進(jìn)行深入了解后才能整定出合理的參數(shù)。對于一些缺乏自動化技術(shù)人員的企業(yè)，其許多PID控制器往往沒有運(yùn)行在最佳狀態(tài)，從而影響了控制質(zhì)量。本文通過開發(fā)一種遠(yuǎn)程PID參數(shù)整定系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了專業(yè)技術(shù)人員在異地能方便地訪問生產(chǎn)現(xiàn)場的PID控制器，了解控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，改變PID參數(shù)值，使其運(yùn)行在最佳狀態(tài)。該遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)使得專業(yè)人員資源能夠得到最大化的利用，可以減少大量現(xiàn)場整定PID參數(shù)的時間，大大提高效率，節(jié)省企業(yè)成本，是一種值得提倡的PID參數(shù)整定模式。

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