基于LabVIEW的双容水箱液位控制系统的设计 冯鹏辉 谭兮 郭少校 刘国营 (湖南工业大学，湖南 株洲 412008) 摘要：利用LabVIEW虚拟仪器开发平台，设计一个程序，可以输入双容水箱的传递函数，并通过前面板滑块对 PID参数快速整定，整定的参数直接用于双容水箱液位控制系统的动态模拟。通过DAQ设备与双容水箱控制平台 相连，对控制系统进行控制，并可监视整个控制过程。本设计可以对双容水箱进行单回路和串级控制与仿真，可 以方便用户从建模，仿真，参数调整到控制的学习。 关键词:虚拟仪器; LABVIEW; PID控制;数据采集 中图分类号： 文献标识码： 文章编号： Design of Double-capacity Water Tank Liquid Level Control System Based LabVIEW FENG Peng-hui TAN Xi GUO Shao-xiao LIU Guo-ying （Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412008，China） Abstract： Designing a program used LABVIEW virtual instrument development platform can input the transfer function of double—dimension tank, quickly set PID parameters through the slide of the front panel and the setting parameters can be directly used for dynamic simulation of double—dimension tank liquid control system.Through linking the DAQ equipment and double—dimension tank control platform together, It is better for the system to control , and easier to monitor the whole control process. This design can be used forthe control and simulation of single loop and cascade on double—dimension tank, so that it is easier for the users to study from modeling, simulation and parameter adjustment to control. Key words: virtual instrument; LABVIEW; PID control 引言 随着计算机技术的快速发展和普及，当今测控领 域的一个重要发展趋势就是以计算机技术为中心的虚 拟仪器(VI逐步取代了传统仪器。虚拟仪器以透明的方 式把计算机资源(如微处理器、内存、显示器等)与仪器 硬件(如A/D、D/A、数字I/O、定时器、信号调理等)的 测量、控制能力结合在一起，通过软件实现对数据的 分析处理、表达以及图形化用户接口。虚拟仪器代表 着从传统硬件为主的测控系统到以软件为中心的测控 系统的根本性转变。 LabVIEW 是美国NI 公司开发的高效图形化虚拟 仪器软件开发平台，专为需要建立灵活的可扩展式测 量与控制应用系统的工程师和科学家而设计，以满足 他们用最小成本快速开发系统的需求。LabVIEW 功能 强大的数学和分析工具以及完善成熟的硬件I/O 技 术，使其在控制领域同测试领域一样具有非常出色的 表现。 1 实验平台的结构设计及其原理 该实验平台主要由硬件系统、软件监控系统、数据采 集系统3部分组成，其系统结构如图1所示。 传 感 器 执 行 器 电 压 信 号 实 验 平 台 输 入 输 出 采 集 卡 PCI PC 机 Labview 操作界面 图 1 系统结构图 Fig. 1 The structure of a system chart _______________________________ 收稿日期：2011-06-19 作者简介：冯鹏辉（1988-），男，河南洛阳人，湖南工业大学电气与信息工程学院电力电子与电力传动研究生，硕士生，主要研究 方向为电气过程自动化，E-mail：15115326391@163.com 

该平台是以双容水箱为控制对象，以水箱1的液位 和水箱2的液位 为控制量。随着液位、压力、流量的 变化，相应的传感器会产生4-20 mA的电流信号，通过 转换电路转换为1—5 v的电压信号，通过SCB-68接线 盒，SHC68-68-EPM Cable电缆送给由数据采集卡 PCI-6251，转换成二进制编码的数字编码信号，输入 计算机处理。通过labview采集分析处理数据产生控制 量，并通过数据采集卡进行数模转换，转换为1-5 v的 控制电压信号，最后通过功放电路控制水箱的泵开度 和阀开度。 2 硬件结构设计 硬件系统包括1个双容水箱，由水位、流量等传感 器和泵、阀等执行器组成。数据采集系统采用NI公司 推出的PCI-6251及附件SCB-68，软件系统采用 IabVIEW8.6、控制仿真设计工具包和DSC Module工具 包共同开发。 针对双容水箱控制系统，选用PCI-6251的AI0和 AI1两路模拟量输入作为上水位和下水位传感器输入 端，选用AO0和A01两路模拟量输出端作为下水位给 定和流量给定传感器输出信号端口，测量方式都设为 单端接地。 图 2 水位传感器接线图 Fig. 2 The water level sensor wiring diagram 3 软件监控设计 LABVIEW自1986年推出以来，经过十几年的时 间发展到以最新版本LABVIEW 8.6为核心，包括控制 与仿真、高级数字信号处理、模糊控制和PID控制等 众多的附加软件包, 可运行于Windows、Linux、Sun 和HP-HX等多种平台。 Labview提供了一种全新的编程方法,即采用编译 型图形化编程语言G语言(GraphProgromming)。用户设 计好程序的框架之后，只需把系统提供的各种图形化 功能模块连接起来,即可得到所需的应用程序。 Labview中的程序称为虚拟仪器（virtual instrument） 程序，简称VI【3】。 VI程序实现操作状态选择，传递函数的输入，PID 参数的调节与仿真，控制模型动态模拟，对实验平台 的监控操作。 图 3 系统主界面 Fig. 3 The main interface of system 3.1 操作状态选择 本系统可以进行自动/手动切换，单回路/串级的 选择，仿真/模拟动态实验选择和真实的物理控制的选 择，通过上图中开关的状态组合可以实现系统工作在 不同的状态。 3.2 传递函数的建立 为实现对不同双容水箱控制模型的模拟实验，设 计传递函数及延时环节的输入，能够改变模型的参数， 用于不同的控制仿真。系统建模基本方法有机理法建 模和测试法建模两种，机理法建模主要用于生产过程 的机理已经被人们充分掌握，并且可以比较确切的加 以数学描述的情况；测试法建模是根据工业过程的实 际情况对其输入输出进行某些数学处理得到，测试法 建模一般较机理法建模简单，特别是在一些高阶的工 业生产对象。对于本设计而言，由于双容水箱的数学 模型已知，故采用机理建模法。 在该液位控制系统中，建模参数如下： 控制量：水流量Q； 被控量：下水箱液位； 控制器：PID； 执行器：控制阀； 控制对象特性： ( ) G s 1 p  ( ) G s p 2  1 ( ) H s  ( ) U s  1 ( ) H s  ( ) Q s   2 2  2 5 1 s  （上水箱传递函数）； ( ) H s  ( ) H s  1  （下水箱传递函数） 1 s 20  2 1 3.3 PID 参数的调节与仿真 PID参数整定方法可以分为理论计算法和工程整 定法两种。理论计算法要求必须知道各个环节的传递 2 

函数，计算比较复杂。工程整定法是基于实验和经验 的方法，简单易行，是工程实际经常采用的方法。本 设计可以不去通过繁琐的计算或者工程方法中利用经 验反复试凑，而是通过PID前面板滑块的滑动调节PID 参数，并在仿真波形图中同步显示仿真波形，从而方 便快速确定PID参数，通过使用局部变量将整定的参 数值直接用于接下来的模拟实验和真实实验中，串级 PID如图4、图5： 图 4 前面板串级 PID 调节图 Fig. 4 The cascade PID control diagram of the front panel 图 5 串级 PID 仿真程序 Fig. 5 The simulation program of the cascade PID control 3.4 控制模型动态模拟 利用Labview控制仿真设计工具包和DSC Module 工具包结合设计出控制模型的动态模拟界面，界面中 的控制对象可以按照控制要求动态变化，其中液面和 流量计可以按照调整好的PID参数，按其控制规律动 态变化，来模拟整个控制过程。 图 6 单回路动态模拟程序 Fig. 6 The dynamic simulation program of single loop 图 7 单回路动态模拟图 Fig. 7 The dynamic simulation diagram of single loop 3.5 实验平台的监控 通过编写I/O驱动程序实现数据的采集，采集的数 据经过处理后，送个控制程序，并与前面板过程画面 变量连接，实现对过程的控制和监控。监控画面同模 拟实验画面，模拟输入AI驱动程序如下： 图 8 数据采集驱动程序 Fig. 8 The driver program of DAQ 通道AI输入最大值设为5，最小值设为0，配合实 验室平台0-5V的电压输入范围，AI采样模式设为多通 道多采样2DBL方式实现输入的多路数据采集，采集后 形成数组，通过数组的运算提取到单通道的输入，并 做数学处理后送给控制量输入。 3 

结论语 基于LABVIEW语言及NI公司的PCI-6251设备设 计的双容水箱控制系统，具有操作简单、可视化强、 控制参数调节方便快速的优点，非常适合用户对整个 过程控制系统从设计到实现的学习和研究，单回路和 串接控制的设计，有利于用户更深入的理解PID的控 制原理【1】，掌握过程控制的设计方法运用于工程设计。 参考文献 [1] 刘金焜.先进 PID 控制 MATLAB 仿真（第二版）[M].北京： 电子工业出版社，2004 [2] 陶永华，尹怡欣，葛芦生 新型 PID 控制及其应用[M]. 北京：机械工业出版社，1998.9 [3] 牛玉广，张雷，淮小利.基于 LabVIEW 的水箱平台设计及 PID 控制特性分析[J]. 仪表技术与传感器，2007 ,7：25-28 [4] 陈曦，柳国辉，杨振兴等.基于 LabVIEW 的过程控制系统 仿真[J]. 河北工业大学学报，38（5）:77-80 [5] 李芹，肖思名. 基于 VB 6．0 的双容水箱液位串级控制系 统设计[J] . 上海电力学院学报，25（4）:325-328 4