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摘 要：随着计算机应用向高性能、网络化、嵌入式和智能化方向的不断发展，有时间约束的应用系统需求也越来越突出。提出了一种基于LabVIEW的调节阀实时闭环控制平台，首先介绍了此实时闭环控制平台所选硬件的优点以及其具有的实时性功能，平台搭建的原理以及平台各个模块的功能，然后对软件程序的实现进行了分析，最后通过与非实时性的调节阀闭环控制平台实验对比。
关键字：调节阀 实时控制 控制平台
采用模拟或数字控制方式对生产过程的某一或某些物理参数进行的自动控制就称为过程控制，过程控制系统可以分为常规仪表过程控制系统与计算机过程控制系统两大类，系统中普遍存在的实时性问题，实时性就是指能够在限定时间内执行完规定的功能并对外部的异步事件作出响应的能力。根据MATLAB中提供的Simulink功能，可以轻易地搭建出基于通用计算机系统的调节阀闭环控制平台，通用计算机系统是一个非实时系统。对于非实时系统，它没法保证一定能在设定时间内完成程序所设定的任务，所以，一个非实时的调节阀闭环控制平台会引入更多的不确定性因素，从而导致闭环控制效果不理想。本文通过NICompactRIO的优点以及实时性的特点，建立了基于NICom-pactRIO的调节阀实时闭环控制平台。
1 NICompactRIO实时性介绍及平台搭建
NICompactRIO实时嵌入式系统为确定性LabVIEWRe-al－Time应用提供了独立式或网络化执行能力。每个Com-pactRIO系统包含一个可重配置现场编程门阵列（FPGA），可实现自定义定时、触发和数据处理。CompactRIO搭载了实时处理器，可运行LabVIEW实时代码，系统通过运行LabVIEWReal－Time软件包进行确定性控制、数据记录和分析。本文中的调节阀实时闭环控制平台由cRIO－9068机箱、9203和9265板卡以及自制PCB板组成。各个模块介绍如下：
1）自制PCB板。自制PCB板用于将阀位反馈信号转换为4～20mA电流信号，并将电流信号发送给NI－9203板卡；同时接收NI－9265板卡发出的电流信号，并作用于电磁线圈上，从而达到控制调节阀运动的目的。自制PCB板如图1所示。
2）NI－9203板卡。它是一款C系列数据采集模块，具有高性能控制和监控应用的8条模拟电流输入通道。NI－9203具有可编程的±20mA或0～20mA输入范围，16位分辨率和200kS/s最大采样率。为了防止信号瞬变，NI－9203具有通道至地面的接地双重隔离屏障（250Vrms隔离），实现了良好的安全性和抗扰性。在控制平台中用于采集自制PCB板反馈回来的4～20mA阀位信号参与闭环控制，以及采集压力变送器输出的4～20mA调节阀气室气压和气源气压参与性能分析。
3）NI－9265板卡。它是一款C系列4通道，0～20mA，100kS/s同步更新的模拟输出模块，适用于任何NICompactDAQ或CompactRIO机箱。该模块包括通道－地面接地双重隔离屏障，具有良好的安全性和抗扰性。在控制平台中用于发送控制电流信号，来驱动调节阀定位器中的电磁线圈，从而达到控制调节阀运动的目的。
4）cRIO－9068机箱。作为整个调节阀闭环控制的核心，它从NI－9203中实时地采集阀位反馈信号以及气室气压和气源气压信号，通过与程序设定的阀位信号对比参与调节阀闭环控制，系统能够确定地运行预先设定的控制算法，并将控制信号通过NI－9265实时地发出，从而实现完整的闭环控制。
NI－9203板卡、NI－9265板卡插入在cRIO－9068机箱中，自制PCB板安装在调节阀的执行机构上。cRIO－9068控制NI－9203采集自制PCB板反馈回来的4～20mA阀位信号，并在cRIO－9068内部与设定阀位信号做PID运算，然后将运算结果通过NI－9265将控制电流发送到自制PCB板中，完成调节阀的闭环控制。调节阀闭环控制平台如图2所示。
2 程序的实现分析
cRIO－9068机箱根据LabVIEW程序的设定，实时地发送设定阀位控制信号（归一化为0～100），并同时从NI－9203中实时地采集4～20mA实测阀位反馈信号（归一化为0～100），在机箱内部，将实测阀位信号与设定阀位信号做PID运算，并将运算结果通过NI－9265实时地发出。NI－9265发送控制电流信号，来驱动调节阀定位器中的电磁线圈，从而达到调节阀闭环控制的目的。LabVIEW功能程序如图3所示：
3 实验对比
为了验证基于Simulink的非实时闭环控制与基于Lab-VIEW的实时闭环控制效果的差异，对调节阀进行了Simulink闭环控制和LabVIEW闭环控制实验，然后采集阀位反馈信号，通过对两种不同控制方式的阀位反馈信号进行对比，来判断控制效果的优劣。（注：相同气压源气压、相同PID参数、相同控制周期采样频率（20ms））。基于Simulink的非实时闭环控制模型如图4所示。
选用调节阀出厂参数如表1所示：
调节阀的基于Simulink的非实时闭环控制与基于Lab-VIEW的实时闭环控制效果的对比如图5所示：
图5 调节阀的控制效果对比图
通过上述调节阀的闭环控制效果对比，基于LabVIEW的实时闭环控制效果比基于Simulink的非实时闭环控制效果要好很多。该搭建方法简单，测量阀位反馈信号精确，并且具有很好的控制效果，但是此套装置造价昂贵，有待进一步改善。
来源：网络转载
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发表于 2016-10-14 09:52:33
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