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1 简介

人们的生活和工业生产经常涉及到液位和流量的控制，如饮料、食品加工、住宅供水、溶液过滤、污水处理、化工生产等生产加工过程，通常都会用到储液池。 储液罐内的液面需要保持在合适的高度。 如果装得太满，很容易溢出，造成浪费。 如果太小，将无法满足需求。 因此，需要设计一种合适的控制器来自动调节进出储液罐的流量，使储液罐内的液位保持在正常水平，从而保证产品质量和生产效率。 这些不同背景的实际问题都可以简化为某种水箱的液位控制问题。 因此，液位是工业控制过程中的一个重要参数。 特别是在动态状态下，采用合适的方法检测和控制液位，可以取得良好的生产效果。

传统的液位控制系统大多采用PLC和组态软件实现，也有采用单片机控制的系统，即所谓的实时测控系统。 但在实际生产中，大多数工业对象的时间常数通常在秒到分钟的范围内。 因此，除少数时间常数较小的对象外，计算机系统可以直接、安全、有效地完成连续生产中的过程自动控制任务。

现代计算机技术和信息技术的飞速发展，影响到国民经济的各个领域，也引起了测量仪器和检测技术的巨大变革。 自1986年美国国家仪器公司（简称NI）提出虚拟仪器的概念以来，虚拟仪器以其性价比高、开放性等优势迅速占领市场。 虚拟仪器技术的核心思想是利用计算机的硬件/软件资源，将原本需要硬件实现的技术软件化（虚拟化），从而最大限度地降低系统成本，增强系统的功能和灵活性[1] ]. 基于软件在VI系统中的重要作用，NI提出了“软件即仪器（The software is the instrument）”的口号。 本文采用美国NI公司LabVIEW开发的液位控制系统，在实验室条件下实现了对单体积液位物体的自动控制，取得了良好的调节效果。

2 系统结构

2.1 控制对象

该系统为FESTO紧凑型过程控制实验装置，如图1所示。水箱B102为控制对象，水箱B101用于蓄水，执行装置为水泵P101。

图1 液位控制系统实验装置示意图

2.2 控制原理

系统采用的数据采集卡为NI M系列的PCI6221多功能数据采集卡，具有16个单端输入通道或8个差分输入通道，最高采集速度为250K/s，分辨率为16位，和两个模拟通道输出通道，最高转换速率为833K/s，分辨率为16位。 此外，还有2个32位定时计数器和24个数字量输入输出通道，以满足系统的控制要求。

利用超声波传感器将液位信号转变为0-10v的电压信号，通过NI-6221数据采集卡的模拟输入通道采集到计算机。 -6221数据采集卡的模拟量输出通道输出0-10v信号控制水泵驱动器，从而改变水泵转速，达到控制液位的目的。 系统结构如图2所示[2]。 系统的主要功能有：实时数据采集与显示、实时PID等算法控制与数据存储。

图2 计算机液位控制系统框图

3 系统软件设计

NI的LabVIEW是一种非常优秀的面向对象的图形化编程语言。 它是一个开放的开发环境。 它使用图标而不是文本代码来创建应用程序，并拥有大量与其他应用程序通信的 VI 库。 作为目前国际上主流的基于数据流的编译图形编程环境，它可以简化复杂、繁琐、耗时的语言编程，以简单或图标提示选择函数（图形）液位仪器，并用线条连接各种图形 简单图形编程方法使不熟悉编程的工程技术人员能够根据测试要求和任务快速设计自己的程序和仪表盘，大大提高了工作效率，减轻了科研和工程技术人员的工作量[1]。 因此，本设计选择LabVIEW作为开发语言。

3.1 软件结构

软件采用模块化设计[3]，共分为7个模块：用户管理模块、参数设置模块、数据采集模块、流程模块、实验项目模块、数据存储与回放模块和帮助模块。 主要完成以下功能：

1）显示水箱液位的实时变化；

2）数据保存和历史数据分析；

3）液位两点控制；

4）参数设置和修改；

5）测量并绘制水箱的阶跃响应曲线；

6) PID控制器和滤波器的设计。

3.2 两点控制

当液面低于下限时，泵开始工作，液面上升； 当液位高于上限时，泵停止工作，液位下降，使液位始终在一定范围内。 液位测量范围为20mm-300mm。

3.3 PID控制

常规PID控制是从比例、积分、微分三个环节来实现对系统的控制。 PID控制模块采用PID工具包液位仪器，可在LabVIEW环境下通过接口设计交互式PID控制器，充分利用LabVIEW与NI硬件的无缝连接，快速搭建所需的控制系统。 PID控制的流程如图3所示。

图3 PID模块框图

4 实验控制结果及分析

4.1 两点控制结果

液位两点控制试验结果如图4所示，较好地满足了控制要求。

图4 两点控制实验结果

4.2 PID控制结果

由于液位控制系统的滞后效应小，所以采用比例调节或比例积分调节两种调节规律。 对于控制参数的选取，采用阶跃响应曲线法求得传递函数[5]，结合MATLAB仿真得到控制参数指导试验[6]。 经过反复试验，最佳参数在90mm-180mm范围内，控制效果如图5所示，效果优于系统技术指标。

图5 实际PID控制曲线（）

5 结论

所设计的虚拟仪器系统具有友好的人机界面。 经实际测试，系统稳定可靠，控制响应快，曲线变化平稳，完全满足液位控制要求，充分体现了虚拟仪表的特点。 特别是它的扩展性非常好，可以随时加入更先进的控制算法和流量、压力控制等其他功能，开发周期非常短。 本文设计的液位控制系统已成功应用于教学和实验中，取得了良好的调节效果。 因此，该系统具有推广价值。