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基于LabVIEW的太阳能喷射制冷测控系统的开发
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1. 引言
空调系统向新能源发展、减少电能消耗已经是必然的趋势。目前，在世界范围内，对太阳能驱动的喷射式制冷、吸收式制冷及吸附式制冷的研究和应用，已受到普遍重视并取得一定的效果。在早期的研究中，吸收式制冷系统是众多研究人员关注的焦点。但是，其设计和运行维护比较复杂，且运行一段时间后，工质的化学稳定性下降、系统难以保持高真空等问题会导致系统效率下降。同时，吸收式制冷的初期投资较大，也是其进一步发展的障碍。因此，近年来，喷射式制冷受到了较多的关注[1]。
但是如果直接利用太阳能做热源来加热，易受天气影响，难以保证实验过程的稳定进行。因此，目前进行的实验多以电能直接做热源来进行的。为了保证实验的精度，必须对水温进行准确的控制。PID控制器就是一种可以进行方便、精确控温的控制方式。但此种方法的缺点是需要另外购置PID控制器，且不便于远程的电脑控制。为此，笔者针对太阳能喷射制冷实验系统，在labVIEW平台上开发了一套测控系统。LabVIEW 是美国National Instrument 公司推出的应用于测控领域的图形化编程软件。本文主要介绍了一种利用LabVIEW的公式节点实现的PID 控制技术和使用其简便的数据采集方式建立的测控系统。
2. 工作原理
PID控制原理
PID控制是从比例、积分和微分三个环节来实现对系统控制的。常规PID控制系统原理框图如图1 所示。PID控制是一种线性控制方式,它根据给定值r（t）与实际输出值c（t）构成控制偏差:
e（t）=r（t）-c（t） （1）
对偏差进行比例（P）、积分（I）、微分（D）计算后通过线性组合构成控制量,作用于被控对象,其控制规律为：
Ti — 积分时间常数
Td — 微分时间常数
比例环节成比例的反映控制系统的偏差信号,一旦产生偏差,控制器就产生控制作用,来减少偏差。积分环节主要用于消除静态误差, 提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于时间常数Ti, Ti越小,积分作用越强。微分环节反映偏差信号的变化趋势,在系统中引入一个有效的提前修正信号,来加快系统的动作速度,缩短调节时间。
LabVIEW中实现PID控制
LabVIEW提供了PID工具包（PID Toolkit），用以实现对控制对象的PID控制。本文则介绍了一种新的通过公式节点（formula node）实现PID控制的简单方法。公式节点的程序如图1所示。其中Tset为设定的温度值，input为实际温度值，unew为输出的控制调压模块的电压值。P值、I值和D值分别通过前面板设定。为了防止在系统启动过程中造成PID运算的积分积累，致使算得的控制量超过电加热的最大动作范围，引起系统超调，本系统采用了积分分离PID控制方法。e为设定的阈值，当enew大于e值时，起作用的仅是PD控制，可避免过大的超调，又使系统有较快的响应。当enew小于等于e值时，即偏差较小时，采用PID控制，可保证系统的控制精度。通过公式节点内的简短运算，将结果unew以电压信号的形式输出至调压模块，通过它控制电加热的功率大小。
整个系统包括6个HT100型压力传感器、8个Pt100温度传感器和USB2000A共同完成数据采集功能。USB接口、PC和LabVIEW共同构成了数据接收和显示单元。控制功能则由调压模块TY-H380D来完成。系统框如图2所示。
首先在PC上设定发生器温度、P值、I值、D值等所需参数，系统开始运行。传感器将信号送至数据采集卡USB2000A，经由USB接口送至PC。通过将实际测得的发生器温度与设定值比较，PC发出信号控制调压模块调节加热量。
3. 系统软件设计
本系统应用LabVIEW编制了测控软件，可以方便的实现数据的实时采集、存储、处理和分析。此外，本程序通过与VC++编写的仿真计算程序的链接，实现了仿真计算和实验数据的比较。通过这种直观的比较，可以分析在给定的工况下实验结果和仿真计算之间的误差。从而可以对仿真计算方法加以修正，使其更加完善，计算结果能够更加符合实际的实验结果。程序前面板通过tab container可以方便的实现系统原理flash展示、实时数据显示、数据分析之间的切换，如图3所示。
数据采集模块的主要功能是选择板卡的通道范围，并将采集的温度、压力数据按一定顺序打包，等待下一步的处理。模块的主要构成如图4所示。
数据保存模块的功能则是将采集模块得到的数据以电子表格形式保存下来。在数据采集过程中，系统会建立测量的数据文件，以便记录测量中的数据。该模块可以将采样得到的数据和采样时间转换为标准电子表格数据，追加在建立的数据文件后。由于数据的写入是实时的，即没完成一次采样，就将数据写入文件中，所以可以将意外情况对测量系统的影响降至最低。
控制模块则是针对发生器的电加热控制而设计的，该模块主要通过公式节点实现电加热的积分分离PID控制。实验证明，该控制算法可以很好的满足控温精度的要求。
数据分析模块可以处理和显示从采样模块传来的数据，并可经过处理，将其在用户终端上以一个完成的数据表格输出。同时，该模块通过LabVIEW提供的CIN节点实现了与VC++仿真程序的链接[2]，可以将仿真计算结果和实验数据同时显示出来，方便进行比较和误差分析。
利用LabVIEw的强大功能，结合VC++的仿真计算程序，开发了形象直观的太阳能喷射制冷系统测控系统。可以对实验台进行实时的数据采集、显示、分析以及控制。该系统简单可靠、实时性良好，可以为实验的顺利进行提供保障。
参考文献
[1] HUANG B J, CHANG J M, PETRENKO V A，et al.，A solar ejector cooling system using refrigerant 141b，Solar Energy，1998，64：223-226
[2] 黄秋云译，Е.Я.索科洛夫，H.М.津格尔著，喷射器，1977，北京：科学出版社
[3] 陶永华,新型PID控制及其应用,北京：机械工业出版社,2000
[4] 李志军，宋豫全，郭军伟，尚万峰,基于LabVIEW的筒盖综合测控系统设计, 微计算机信息,2005,21（19）:113-116
[5] 王永皓，姜周曙，基于LabVIEW的中央空调计算机辅助测试系统，杭州电子工业学院学报，2002，（4）：62-66
[6] 宋智罡，郁其祥，王益明，陆殿健，基于LabVIEW的PID参数自适应模糊控制器设计，机械设计与制造，2003（4）：11-13(end)
空调系统向新能源发展、减少电能消耗已经是必然的趋势。目前，在世界范围内，对太阳能驱动的喷射式制冷、吸收式制冷及吸附式制冷的研究和应用，已受到普遍重视并取得一定的效果。在早期的研究中，吸收式制冷系统是众多研究人员关注的焦点。但是，其设计和运行维护比较复杂，且运行一段时间后，工质的化学稳定性下降、系统难以保持高真空等问题会导致系统效率下降。同时，吸收式制冷的初期投资较大，也是其进一步发展的障碍。因此，近年来，喷射式制冷受到了较多的关注[1]。
但是如果直接利用太阳能做热源来加热，易受天气影响，难以保证实验过程的稳定进行。因此，目前进行的实验多以电能直接做热源来进行的。为了保证实验的精度，必须对水温进行准确的控制。PID控制器就是一种可以进行方便、精确控温的控制方式。但此种方法的缺点是需要另外购置PID控制器，且不便于远程的电脑控制。为此，笔者针对太阳能喷射制冷实验系统，在labVIEW平台上开发了一套测控系统。LabVIEW 是美国National Instrument 公司推出的应用于测控领域的图形化编程软件。本文主要介绍了一种利用LabVIEW的公式节点实现的PID 控制技术和使用其简便的数据采集方式建立的测控系统。
2. 工作原理
PID控制原理
PID控制是从比例、积分和微分三个环节来实现对系统控制的。常规PID控制系统原理框图如图1 所示。PID控制是一种线性控制方式,它根据给定值r（t）与实际输出值c（t）构成控制偏差:
e（t）=r（t）-c（t） （1）
对偏差进行比例（P）、积分（I）、微分（D）计算后通过线性组合构成控制量,作用于被控对象,其控制规律为：
Ti — 积分时间常数
Td — 微分时间常数
比例环节成比例的反映控制系统的偏差信号,一旦产生偏差,控制器就产生控制作用,来减少偏差。积分环节主要用于消除静态误差, 提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于时间常数Ti, Ti越小,积分作用越强。微分环节反映偏差信号的变化趋势,在系统中引入一个有效的提前修正信号,来加快系统的动作速度,缩短调节时间。
LabVIEW中实现PID控制
LabVIEW提供了PID工具包（PID Toolkit），用以实现对控制对象的PID控制。本文则介绍了一种新的通过公式节点（formula node）实现PID控制的简单方法。公式节点的程序如图1所示。其中Tset为设定的温度值，input为实际温度值，unew为输出的控制调压模块的电压值。P值、I值和D值分别通过前面板设定。为了防止在系统启动过程中造成PID运算的积分积累，致使算得的控制量超过电加热的最大动作范围，引起系统超调，本系统采用了积分分离PID控制方法。e为设定的阈值，当enew大于e值时，起作用的仅是PD控制，可避免过大的超调，又使系统有较快的响应。当enew小于等于e值时，即偏差较小时，采用PID控制，可保证系统的控制精度。通过公式节点内的简短运算，将结果unew以电压信号的形式输出至调压模块，通过它控制电加热的功率大小。
图1. 公式节点程序
图2 系统整体框图
整个系统包括6个HT100型压力传感器、8个Pt100温度传感器和USB2000A共同完成数据采集功能。USB接口、PC和LabVIEW共同构成了数据接收和显示单元。控制功能则由调压模块TY-H380D来完成。系统框如图2所示。
首先在PC上设定发生器温度、P值、I值、D值等所需参数，系统开始运行。传感器将信号送至数据采集卡USB2000A，经由USB接口送至PC。通过将实际测得的发生器温度与设定值比较，PC发出信号控制调压模块调节加热量。
3. 系统软件设计
本系统应用LabVIEW编制了测控软件，可以方便的实现数据的实时采集、存储、处理和分析。此外，本程序通过与VC++编写的仿真计算程序的链接，实现了仿真计算和实验数据的比较。通过这种直观的比较，可以分析在给定的工况下实验结果和仿真计算之间的误差。从而可以对仿真计算方法加以修正，使其更加完善，计算结果能够更加符合实际的实验结果。程序前面板通过tab container可以方便的实现系统原理flash展示、实时数据显示、数据分析之间的切换，如图3所示。
图3 程序前面板
数据采集模块的主要功能是选择板卡的通道范围，并将采集的温度、压力数据按一定顺序打包，等待下一步的处理。模块的主要构成如图4所示。
数据保存模块的功能则是将采集模块得到的数据以电子表格形式保存下来。在数据采集过程中，系统会建立测量的数据文件，以便记录测量中的数据。该模块可以将采样得到的数据和采样时间转换为标准电子表格数据，追加在建立的数据文件后。由于数据的写入是实时的，即没完成一次采样，就将数据写入文件中，所以可以将意外情况对测量系统的影响降至最低。
控制模块则是针对发生器的电加热控制而设计的，该模块主要通过公式节点实现电加热的积分分离PID控制。实验证明，该控制算法可以很好的满足控温精度的要求。
数据分析模块可以处理和显示从采样模块传来的数据，并可经过处理，将其在用户终端上以一个完成的数据表格输出。同时，该模块通过LabVIEW提供的CIN节点实现了与VC++仿真程序的链接[2]，可以将仿真计算结果和实验数据同时显示出来，方便进行比较和误差分析。
图4 数据采集模块主要构成
利用LabVIEw的强大功能，结合VC++的仿真计算程序，开发了形象直观的太阳能喷射制冷系统测控系统。可以对实验台进行实时的数据采集、显示、分析以及控制。该系统简单可靠、实时性良好，可以为实验的顺利进行提供保障。
参考文献
[1] HUANG B J, CHANG J M, PETRENKO V A，et al.，A solar ejector cooling system using refrigerant 141b，Solar Energy，1998，64：223-226
[2] 黄秋云译，Е.Я.索科洛夫，H.М.津格尔著，喷射器，1977，北京：科学出版社
[3] 陶永华,新型PID控制及其应用,北京：机械工业出版社,2000
[4] 李志军，宋豫全，郭军伟，尚万峰,基于LabVIEW的筒盖综合测控系统设计, 微计算机信息,2005,21（19）:113-116
[5] 王永皓，姜周曙，基于LabVIEW的中央空调计算机辅助测试系统，杭州电子工业学院学报，2002，（4）：62-66
[6] 宋智罡，郁其祥，王益明，陆殿健，基于LabVIEW的PID参数自适应模糊控制器设计，机械设计与制造，2003（4）：11-13(end)
