LabVIEW在制浆造纸过程控制中应用的探索_图文

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L a b V I E W 在 制浆造纸过程 控制 中应用的探索 
雷  美 沈 文 浩 
( 华南 理工 大学 制浆 造纸 工程 国家 重 点实 验室 , 广州, 5 1 0 6 4 0 )  
摘 要: 本文采 用 了 L a b V I E W 软件 , 选择制浆造 纸过程 中应 用广泛 的有 自衡能力 的液位控 制系统 , 建立 了一组虚 

拟 仪器 , 对定值 反馈控 制系统进行了模拟仿真 , 使 人们对 比例 积分微 分 ( 简称 P I D) 调节 响应 曲线 的变化 规律有 一 
个直观的认识 。  
关键词 : L a b V I E W ;P I D调节器 ; 液 位 控 制 系统 

由于微 电子技 术 、 计 算 机 技 术 和 网 络 技术 的 高  度发展 , 它 们 与 电子 测 量技 术 在 仪 器 上 的应 用使 得 
新 的测量 理论 、 新 的测量方 法 、 新 的测 量领 域 以及 新  的测量仪 器 结构 不 断 出现 。在许 多方面 已经 冲破 了 

调 节规 律组成 。  

比例调节 规律 依 据“ 偏 差 的大 小 ” 来动作, 它 的  输 出变 化量 与输 人 偏 差 成 比 例 , 调 节平稳 , 作 用 及  时, 能 有效 地克 服各 种 干 扰 , 是最 基 本 的调 节 规 律 ,  

传统仪 器 的概 念 , 电子 测 量 仪 器 的 功 能 和作 用 也 发 
生 了质 的 变 化 。 虚 拟 仪 器 的 概 念 是 美 国 N I公 司 

它 的缺点 是不 能消 除余 差 , 因此 只 能 用 于那 些 对 被 
调 参数 精度要 求不 高 的场合 。常用 比例 度 8表示 比  例调节 作用 的强 弱 。8越小 , 表 示 比例 增 益 越 大 , 比 

( N a t i o n a l   I n s t r u me n t ) 在2 0世纪 8 0年代 中期 提 出来  的。它 的技术 基 础 是计 算 机 技 术 , 核 心 是 计 算机 软  件 技术 。其 中最 有代 表性 的图形化 编程 软件 是美 国 
N I 公 司推 出 的 L a b V I E W¨  ( L a b o r a t o r y   V i r t u a l   I n —   s t r u m e n t   E n g i n e e r i n g   Wo r k b e n c h即实 验 室 虚 拟 仪 器  工作 平 台 ) 。它是 世 界 上第 一 个采 用 图形 化 编程 技  术 的面 向仪 器 的 3 2位 编译 型程 序开 发系统 , 它的 目  

例 调节 作用越 强 。同 时 , 8越 小 , 被 调参 数 余 差 也越  小, 但 调节 系统稳 定性 下 降。   积分 调 节 规 律 依 据 “ 偏 差是 否存 在” 来动作。   它 的输 出变化 量与 输 人偏 差 对 时 间 的积 分 成 正 比。   只 有 当偏 差完 全消 失时 , 输 出变 化 才会停 止 , 因此能  有 效地 消 除被调参 数 的余 差 。积分 调节 的缺 点是调  节 作用 不及 时 , 故 不 能 单 独 使 用 。通 常 与 比例 调节 
组合 , 构成 比例积 分 ( P I ) 调 节 规 律 。用 积分 时 间 T i   表 示 积 分 作 用 的 强 弱 。T i 越小, 表 示 积 分 速 度 越  快, 积分调 节作 用 越 强 。积 分 调 节 作用 太强 时 也 会  引起 发散 振荡 。   微 分调 节 规 律 根 据 “ 偏 差 变化 速度” 来 动作。   它 的输 出变化 量与输 人偏 差 变化 速 度成 正 比。它 的  效果 是 阻止 被调参 数 的一切 变化 , 有“ 超前 ” 调 节 的  作用 , 对 于具 有 大 容 量 滞 后 的 多容 对 象 ( 如 大 多 数 

标 就是 简化 程序 的开 发工 作 , 提高 编程效 率 , 让 科学  家和工 程技 术人 员充 分利 用计 算机 的资 源和强 大功  能, 快 速简 捷 地完 成 自己 的工作 任 务 , 它 被称 为 “ 科 
学家 与工 程师 的语 言 ” 。  

由于虚 拟仪 器与传 统仪 器相 比存 在着很 大 的优  点, 所 以在很 多领 域 如在测 试系统 和通 信 、 远程 在线 
监控、 工 业 生产 质量 监 控 和教 学 过 程 中都 有 广泛 的  应用 。充 分 利 用 L a b V I E W 开 发平 台高 效 率 的 图形  编程方 法 和功 能丰 富 的 V I , 去辅 助 老 师 的教 学 和指 

导学 生应 用 自己开 发 的虚拟仪 器完 成专 业课 程 的实 
验, 是L a b V I E W 在教 学过程 中 的重要应 用 。   本文 模 拟 了过程控 制 中常见 的 P I D调节 器 和液  位 控 制 系统 。  
1  P I D调 节 器 的模拟 

温度对 象 ) 有 良好 的调 节 效 果 , 能 全 面 提 高 调 节 系  统 的动 态性 能 。但微 分调 节对 纯滞 后 不起 作用 。 由  
于偏 差变化 一旦 停止 , 微 分作 用 就消 失 , 因此不 能单 

独使用 , 通 常与 比例调 节 或 比例积 分调 节 组合 , 构成 
比例微 分 ( P D) 或 比例 积 分 微 分 ( P I D) 调节 规律。  

用微 分时 间 T d表 示 微 分 作 用 调节 强 弱 。T d越 大 ,  
1 . 1  P I D调 节 规律 ]   P 1 D调 节规 律 由 比例 、 积 分 和 微 分 三 种 基 本 的 

微 分调节 作 用 越 强 。T d太 大 时 也 会 使 调 节 系 统 振 
荡 倾 向增 强 。对 于小 时 间 常 数 的对 象 ( 如 大 多数 流 

作者 简介 :雷美 , 女, 硕士研究生 , 主要从 事制浆造 纸过程检测 、 模拟与控制的研究。  
Pa pe r   Sc i e n c e& Te c h no l o g y   2 0 0 4   Vo 1 . 2 3   No . 3   3 7  

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量对 象 ) 一 般 不使 用 微 分 调节 。  
1 . 2  P I D 调 节 规 律 的 离散 化 

了几 种 调 节器 问 可 以相 互转 化 的规 律 。  

在 模 拟控 制 系统 中 P I D控制 规 律 的表 达式 为  u ( 1 ) :Kc   ) ¨   ]  
( 1 )  

式中: K   、 T . 、 T  分 别 为 模 拟 调 节 器 的 比例 增 益 、 积  分时间、 微 分 时问 。   计 算 机 系统 对 多 个 控 制 回路 进 行 断续 控 制 , 是  时 间离 散 的控 制 系 统 。 对 式 ( I ) 进行 离散 化 处 理 得  n (  )=   e (  )+  ,   e ( 1 )+  。 [ e (  )一e (   一1 ) ]  
( 2 )  
圈2   比例积分 微分调 节器前 面板窗 口  

2 液位 控 制 系统 的 模 拟  采用 L a b V I E W 自带 的 液位 控 制 系统 仿 真 的 例 

式中 u ( k ) 是 第 k次 采 样 时 刻 计 算 机 的 输 出 ; K, :   称 为 积分 系数 ; K  :  
▲1   1   O  

称 为微分 系数 , 式 中 

子. 分 别在 比例 调 节 、 比例 积 分 调 节 、 比例 微 分 调 节  和 比例积 分 微 分调 节 的 情 况 下 运 行 , 观 察 液 位 变 化  曲线 。 如 图 3为液 位 控 制 系统 的前 面板 开 发 窗 口。  

L 为 采 样 周期 。   比例 积 分微 分 调 节 规 律 是 由 比例 调 节 、 积 分 调  节 和微 分 词 节 三 者 的 叠 加 而 成 , 具有 三者 的特点 。  

图 1为工业 P I D调节 器 的响应 曲线 , 其中 阴影 部分 
面 积代 表 微 分 作 用 的 强 弱  。  

图 3 液 位 控 制 系 统 的前 面 板 开 发 窗 口  
L e v e l 一馥位变化曲线 ;   I   P 0 j   n t 一 设定值 ; o u  u l 一 闻位变化 曲线 

图1   比例积 分徽分 调节 器的单位 阶跃响应 

2 . 1   比侧 调 节 

I . 3 模 拟 结 果  利 用 比例 调节 中所 采 用 的方 法 产 生 一个 阶跃 信 

将积分时间调 至一个较 大 值( 如 1 0 0 0 ai r n ) , 微  分 时 间调 为零 , 使 控 制 系统 在 比例 调 节 的 情 况 下 运  行。 观 察 曲线 图可 知 , 液 位 高 度 和设 定 值 之 间 存 在残 

号, 然后 进 行 比例 、 积 分 和微 分 调 节 仿 真 , 将 三 者 的  运算 结 果 相 加 。 由c h a r t 输 出, 就 得 到 比 例 积 分 微 分  调节 规 律 的 阶 跃 响应 曲线 。如 图 2所 示 , 为 比铡 积 

差, 如 图 4所 示 , 液位 高 度 约 为 3 7 . 4 , 而 给定 值 为 
5 O , 液 位高 度不 能 达 到 给定 值 , 这 与 比 例调 节 为 有差  调 节 的特 点 相 符合 。  

分微分调节的前面板开发窗 V I 的内容‘  。  
1 . 4 结论  从 上 面 各 前 面 板 窗 口 中 的响 应 曲线 可 以 看 出 ,   模拟 的 结 果 与 理 想 的 响 应 曲线 的 形 状 比较 相 似 , 说  明仿 真 效 果 良好 。而 且 , 依 次 将 积 分 和 微 分 作 用 削  弱 为零 时 , 比例 积 分 微 分 调 节 器 就 分 别 转 化 为 比例  调节 器 、 比例 积 分 调 节 器 和 比例微 分 调节 器 , 这 验 证 

将 比例增益 K   增大, 如 图 5所示 . 液位 高度稳 
定在 2 O左 右 , 而 设定 值 为 5 O , 可 见 增 大 比例 增 益  时, 余差增大 . 这 与 比例 调 节 规 律 相 矛 盾 。 但 是 。 阔  位 变 化 曲线 的振 荡 加 剧 。 可 见 增 大 比例 增 益 时 , 系 
统 变 得 不稳 定 , 这 与理 论 调 节 规 律 的特性 相吻 合 

《 造纸 科 学 与技 术 》 2 0 0 4年 第 2 3卷 第 3期 

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图 4 比 例 调 节 作 用 结 果 

图 6 减 小比例增 益对 曲线 的影 响 

图 5 增 大 比例 增益对 曲线 的影响 

将 比例增 益 K  减 小 . 如 图 6所示 , 液 位 高 度 稳 
定在 4 4左 右 , 而设 定 值 为 5 O, 可 见 减 小 比 例 增 益 
圈 7 比 例 积 分 调 节 作 用 结 果 

时, 余 差减 小 , 这 与 比 例调 节 规 律 相 矛盾 。但 是 阀位  变 化 蓝线 平 稳 , 系统 变得 更 稳 定 。  
2 . 2 比例 积 分 调 节 

将 比例增 益 设 为 1 . 5, 积分 时间为 0 . 0 8 ai r n , 微 

分时间为零 , 使控制 系统 在 比例 积分 调节 的情 况下 
运行, 观察 曲线 图 7可 知 . 涟 位 变 化 曲线 通 过 衰 减 振  荡, 最 终达 到 给定 值 , 但 是 控 制 系 统 的稳 定性 变 差 .   阀 位变 化 曲线振 荡加 剧 , 略 呈 衰减 趋 势 。   在 比例增 益 不变 的情 况 下 . 增大积分时间, 积分 

作用被削弱 , 液位变化曲线达到给定值的时间增长 。  
当 液位 变 化 曲线 通 过 衰 减 振 荡 开 始 在 给定 值 附 近 变  化时 , 阀位 变 化 曲线 呈 明 显 的 衰减 趋 势 , 而且 振 荡 频  率 减低 , 说 明系 统 的稳 定 性 增 强 , 如 图 8所 示 , 这 与 

理论的 比例积分调节规律相吻合。  

圈 8 增 大积分 时同对 曲线 的影 响 

P a p e r   S c i e n c e & Te c h n o l o g y   2 0 0 4   Vo 1 . 2 3   No . 3  

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同理 , 调 节 积 分 时 间 和微 分 时间 , 可 以 得 到 比例 

微分 和 比例 积 分微 分 调 节 作用 的 响应 曲线 。 由曲线 

的形状可知 , 适 当的微 分作用 对液位调 节系统的影 
响不 大 。   3 结 语 

将 虚拟 仪器 引 入 教 学 过 程 , 可 以 使 枯 燥 的控 制  理论 与 控制 规 律 变 得 形 象 生 动 ; 而 将 它 用 于 实验 教  学, 不仅 可 以降低 实 验 仪 器设 备 的购 置 费用 . 还可 以  减 小实 验测 量 过 程 中 的 人 为 误 差 . 提 高 实 验 测 量 的  准 确度 . 并 且 在激 发 学 生 自主 学 习 的 积极性 、 促进 学  生 动手 实 践 和增 强 创 新 意 识 等方 面 , 也 有 良好作 用 。  
图 9 减小 积 分 时 间 对 曲 线 的 影 响  参 考 文 献 
[ 1 ]  N a t i o n a l   I n s t r u … t   c o r p o r  。 n  L a b V I E W  U s e r   M a n u a 1 . 2 0 0 3   [ 2 ] 陈宽 . 李洛 , 任玉班 .轻化工仪表 厦 自动化 北赢 : 中 国轻工业 
出 菔 杜 .1 9 9 7. 1 2 6—1 2 7  

在 比例 增 益 不 变 的情 况 下 , 碱 小积 分 时 间 , 积 分  作 用加 强 , 调节 阀 的开 度迅 速 由最 大 变 为零 , 液位 变  化 曲线也 提前 达 到 给 定 值 , 说 明 调 节 过 程 加 快 。 当 
液 位变 化 曲线 通 过 衰 减振 荡 开始在 给定 值 附 近 变化 

: 3 】 金以慧.过程控制 . 北京 : 清华大 学 出版社 . I 9 9 I , 1 9 6 一l 卯 
【 4: 刘 焕 彬 .制 浆 造 纸 过 程 自 动  量 与 控 制 . 北 京 :中 国 轻 工 业 出 
版 杜 .2 0 0 3 . 4 3  

时. 阀位 变 化 曲线 呈正 弦波 的形 式 振 荡 , 而 且 振 荡 频  率 升高 , 表 明控 制 系统 的 稳 定 性 降 低 , 如 图 9所 示 ,  
这 与理 论 的 比例 积分 调 节 规 律相 吻 合 。  

[ 5 ]   ( 美) G a r y   W   J o h n s o n , R i c h a r d   J e n n i n g s 著. 砧 助 昆等 译
VI E W 圈形编程 . 北京 : 北 京 大 学 出版 社 . 2 0 0 2  

L a b —  

Th e   App l i c a t i o n   St udy   o f   La bVI EW   i n  t h e   Pul p   a nd   Pa pe r   Pr oc e s s   Co nt r o l  
L e iM e i   S h e r t   We n h a o  

( S t a l e   K e y   L a b o r a t o r y   o f   P u l p   a n d   P a p e r   E n g i n e e r i n g  S o u t h   C h i n a   U n i v e r s i t y   o f T e c h n o l o g y ,G u a n g z h o u , 5 1 0 6 4 0 )  

Ab s t r a c t : Ch o o s i n g   t h e   t a n k   l e v e l   c o n t r o l   s y s t e m ,wh i c h   h a s   t h e   a u t o ? b a l a n c e   a b i l i t y   a n d   b e   wi d e l y   u s e d   i n   t h e   p u l p  

a n d   p a p e r   p r o c e s s ,t h i s   p a p e r   u es s   t h e   s o f t w a r e   o f   L a b V I E W  t o   e s t a b l i s h   a   g r o u p   o f   v i t r u a l   i n s t r u me n t s( V I ) ,  
w h i c h   c a n   s i mu l a t e   t h e   p r o p o r t i o n a l ? i n t e g r a l — d i f f e r e n t i a l( P I D) c o n t r o l l e r   a n d   he t   he d b a c k   c o n t r o l   s y s t e m. W i t h  

t h e s e   v i r t u a l   i n s t r u m e n t s , w e   c a n   u n d e r s t a n d   t h e   a d j u s t m e n t   o f   c o n t r o l l e r   p a r a me t e r s   w e l 1 .  
Ke y   wo r d s :L a b VI EW ;P I D   c o n t r o l l e r ;l e v e l   c o n t r o l   s y s t e m 

?

信 息 

广东研制 出 自动 化多功能涂布 机 
由广 东 汕 头 轻 机装 备 有 限公 司 生 产 的 E T 8 1 g 0 0型 电脑 自动 化 多 功 能 复合 涂 布机 组 在 汕头 试制 成功 , 并 
通过 省级 成 果 鉴 定 

随着环保要求的提高 , 市场上 大量使用的金卡、 银卡、 覆膜卡 、 防伪膜 、 高光合膜 、 覆膜铝箔 卡等包 装材料 
将 逐 步被 淘 汰 

采用 E T 8 1 8 0 0型电脑 自动化多功能 复合 涂布机 组生产的新型环保 材料 , 可 广泛 应用于高档商 品包装 ,   还 可 以制 作商 品标 贴 、 不 干 胶面 纸 等 。   ( 摘自 《 福建纸业信 .  ̄} 2 0 0 4年第 9期 )  
《 造纸 科 学与技 术》 2 0 0 4年 第 2 3卷 第 3期 


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