基于虚拟仪器的PID温室远程控制系统的设计

第２１卷第４期　２００８年７月　机电产品开簋与　崭　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ＆Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ＆Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｐｒｏｄｕｃｔｓ　ＶＯＩ．２１．Ｎｏ．４　Ｊｕｌｙ．，２００８　基于虚拟仪器的ＰＩＤ温室远程控制系统的设计　胡玫瑰　，金振华　（１．金华技师学院，浙江金华３２１０１７；２．义乌市城镇职业技术学校，浙江义乌３２１０１７）　摘要：针对目前温室面积不断增大、温室内传感器种类及数量不断增多等情况，利用虚拟仪器软件开　发平台ＬａｂＶＩＥＷ，设计出ＰＩＤ温室远程智能控制系统。此系统由温室内各类传感器得到非电量转　化为随环境参数改变的电量，然后用虚拟仪器对输入到数据采集卡的电信号进行实时采集，实　现对温室环境参数数据远程显示、存储、统计、控制等。通过控制不同时期作物生长所需要的　最佳环境参数，实现了温室的智能化管理。　关键词：虚拟仪器；ＰＩＤ；实时采集；环境参数　中图分类号：ＴＰ２７３　文献标识码：Ａ　文章编号：１００２—６６７３（２００８）０４—１６１－０３　０引言　在传统的温室自动化监测系统的基础上，本文提出　的基于虚拟技术的温室自动控制系统，解决了我国温室　１．２系统的硬件组成　（１）数据采集卡。数据采集卡是系统的主要单元，　它是数据输　入与输出的　连接纽带，　在本系统中　的作用之一　冈　大棚的测控多依靠经验或半经验进行管理的缺点，使温　室调控手段和调控能力大大增强，而且在单个温室大棚　生产实现智能自动化的基础上，运用网络技术实现连栋　温室大棚的规模化管理。应用虚拟仪器的优点有开发时　间短、人机界面好、操作方便等优点。本文研究的内容　是应用ＬａｂＶＩＥＷ７　Ｅｘｐｒｅｓｓ软件及数据采集控制卡６０２４Ｅ　开发整套测控系统。　为处理信号　调理电路的　模拟量转化　为数字量信　号．为计算　图１控制原理　Ｆｉｇ．１　Ｃｏｎｔｒｏｌ　ｔｈｅｏｒｙ　１系统的硬件设计　１．１设计的思想及原理　系统控制的原理如图１所示。环境探测器由环境　温、湿度探测器、土壤湿度探测器及ＣＯ　和光照探测器　机所用，经　计算机数据处理后，再由此卡对调速模块发出模拟量；　其二为计算机控制由此卡发出数字量信号控制控制模块　的起停。拟选用的数据采集卡是ＰＣＬ２６０２４Ｅ；其具体参　组成，各探测器将传感器的非电量转化成随环境参数改　变的电量，由６０２４数据采集卡进行实时采集，进而通　过ＰＣＩ总线由计算机进行处理。对于一些如吹风机、荧　光灯、加热器等开关量可以用数字量输出板ＤＩＯ经过光　数为：①分辨率ｌ２位；②采样速率２００　ｋｂｐ　Ｓ；③１６　路单端或８路差分模拟量信号输入；④２路模拟量输　出：⑤８路数字量输入／输出。　（２）传感器。温度传感器采用ＤＳ１８Ｂ２０实现温室内　温度信号的采集，温度测量范围一５５～１２５℃．分辩率可　以达到０．０６２５℃。　电隔离和功率放大进行控制。对植物生长有重要作用的　参数，如ＣＯ　和水都采用变频调速控制。由于变频器可　直接接收０～１０Ｖ电压和４—２０ｍＡ电流。故Ｄ／Ａ板输出的　信号可直接改变变频器的频率值。　收稿日期：２００８—０５—０９　温室土壤水分测量传感器选用测量精度高、响应快　的硅湿敏电阻传感器，其电阻率随水分呈线性变化，在　２５℃时的响应小于５ｓ，为了能真实地反映整个温室的情　况，该设计采用２个土壤水分传感器，一个放置在中央　水量较多的地方；另一个放在边缘附近，这样，其他地　方的土壤水分就介于这两者之间。测得的数据采用加权　作者简介：胡玫瑰（１９８３一），女，教师。主要从事机械自动　控制专业的教学；金振华（１９８２－）男。主要从事机械自动　控审ｌ专业的教学。　１６１　维普资讯 http://www.cqvip.com ・测试与控制・　平均的方法进行处理，来获得最后的土壤水分值。其权　及采样值反馈环节构成。通过图１所示的测试模型我们　重根据获得水量多少的面积来确定。按照灌溉系统的设　可以找出与ＰＩＤ调节相关的信息。对于单一的比例控制　计要求，其喷灌系统覆盖面积必须在９０％以上，因此．　将得到最大的增益系数Ｋ　和最大的周期　，；对于ＰＩ和　取水量多的传感器的权重为０．９，水量少的传感器的权　ＰＩＤ控制将得到系统的响应时间７和时间常数Ｔｎ。这样，　重为０．１。对于具体的温室，可根据实际情况合理选取。　根据系统自动寻找的常数Ｋ　、１ｒｕ或７，Ｔ。来确定Ｋ、１’ｉ、　本系统的ＣＯ２传感器采用的是ＴＧＳ４１６０。ＴＧＳ４１６０　Ｔｄ。对于一般系统的调节速度要求，可采用表１、表２　由ＣＯｚ传感元件和内部热敏元件组成。ＣＯ：敏感元件是　给出的关系　由存在于两极间的固态电解质形成的阳离子（Ｎａ的阳　离子）和敷在底层的加热丝（Ｐｆ）构成的。　３系统的软件设计　ＬＸ１９７０是一种能实现人眼仿真的集成化可见光亮　（１）ＬＡＢＶＩＥＷ编程。由于Ｌａｂｖｉｅｗ是基于数据流的　度传感器，其性能特点：能代替人眼去感受环境亮度的　多线程编程方式，所以它的流程图和一般的程序流程图　明暗程度，并将接收到的可见光转换成电流信号。我们　不一样如图３所示，各个子模块和函数都是同步运作。　再把它转化为电压信号。　系统启动　２自适应ＰＩＤ控制原理　自适应ＰＩＤ控制原理如图２所示。ＰＩＤ控制算法的　设定温度Ｔ　Ｉ　Ｉ设定光度Ｇ　ｌ设定土壤湿度ＢＩ　Ｉ设定ｃ０　浓度Ｄ　关键主要取决于控制常数的选择是否适应动态特性的要　采集温度Ｔ　Ｉ　ｌ采集温度Ｇ。１　Ｉ采集土壤湿度Ｂ　｛　Ｉ采集浓度Ｄ。Ｉ　求。ＰＩＤ控制算法可描述为：　Ｙ　Ｙ　Ｙ　Ｙ　●　．．．．．．．．．．．．　．．　．．．．●ｌ＿　Ｉ报警并调　ｌ报警并调　报警并调用　报警并调用　Ｉ用温度子　｝用光度子　淋水泵电机　Ｃｏ２施放机　Ｉ程序　ｌ程序　ＰＩＤ控制子　ＰＩＤ控制子　图２自适应ＰＩＤ原理　程序　程序　Ｆｉｇ．２　Ａｄａｐｔｉｖｅ　Ｐｉｌ１）ｔｈｅｏｒｙ　图３系统程序流程图　ｕ　Ｋ（ｅ＋　１』。１ｅｄｆ＋Ｔｄ　）　Ｆｉｇ．３　Ｓｙｓｔｅｍ　ｐｒｏｇｒａｍ　ｆｌｏｗｃｈａ￣　ｅ＝ｓｐ－ｐｖ　软件主要包括前面板程序和框图应用程序。在本软　式中：ｌ　一增益常数；Ｔｊ一积分时间常数；Ｔ广微分　件系统设计过程中，采用由上至下的设计方法和模块化　时间常数；ｓｐ一控制对象的目标值简称设定值；ｐｖ一控　程序设计思想，根据测试系统的总体需求，确定软件系统　制对象的当前值简称采样值。工程中，为尽可能减少噪　的总体方案，然后根据所需的不同功能划分各种功能模　声信号在采样中的成分，可以使当前的采样值与前３次　块，并分别设计实现各个功能模块，最后再将各个功能模　采样值相关联以达到滤波的效果。ｐｖ经滤波后可以由　块进行集成和调试，完成整个软件系统的设计。　ｐｖｆ表达。ｐｖｆ＝０．５ｐｖ＋０．２５ｐｖ（ｋ一１）＋０．１７５ｐｖ（ｋ一３）；改进的ＰＩＤ　在本测控制系统中用到的单个的模块（子ＶＩ）主要有　控制算法为：　数据采集模块、均值滤波模块、ＰＩＤ模块、存储模块、　ｕ（Ｉ）＝Ｋ　ｐ－ｐｖ）＋　１　Ｊ　ｏ（ｓｐ－ｐｖ）ｄｆ＿Ｔｄ　Ｊ　输出控制模块等。每一级的模块均可以图标形式放置在　程序流程图中。这样不但增加了程序的可维护性，也增加　表１　Ｐ控制下的参数关系　式中：Ｂ～设定　了程序的可读性，使程序流程图更加清晰明了，同时也避　Ｔａｂ．１　Ｐａｒａｍｅｔｅｒ　ｒｅｌａｔｉｏｎｏｆｃｏｎｔｒｏｌＰ值的比例系数，取值　免了大量的重复编程工作。　口塑委　［］　二＝［＝二夏二＝］＝王范围为０￣１。对于要　（２）控制系统的功能。、①能够显示时间和日期；②　ｆ　三Ｉ—　０　１一＿Ｊ　８ＫＬＰ．　　０ｕ　卜—　—　ｆ　　．８　Ｉ｝　｝　求负载变动平稳的系可以对数据以Ｅｘｃｅｌ格式进储（以日期作为文件名），包　［　叵二　垂亘二亡互　二［圆统可以令ｐ－０。相　括自动存储和手动存储，自动存储可以设定间隔时间；　表２　ＰＩ控制下的参数关系　反，如果要控制对象　③大气温度、空气湿度和光照度实行开关量的控制，如　Ｔａｂ．２　Ｐａｒａｍｅｔｅｒ　ｒｅｌａ怕ｎ　０ｆｃｏｎｔ　ｒ　０ｌＰＩ快速跟随设定值的变　果低于设定值给于绿灯警告；④土壤湿度和ＣＯ：碳的浓　而Ｔ　］＿ｒ　化则令ｐ＝　。　度采用ＰＩＤ控制。所谓的自动就是自适应ＰＩＤ控制；⑤　ＥＬ三　＿三ｊ＿Ｊ妄　』　蔓三Ｅ三在本系统中，ＣＯ：的浓度和ＣＯ：施放电机的转速及土壤　湿度和淋水泵电机的转速有一定的经验值对应关系，要　』—　型器和设定值延时传递　主昙　鐾　经过一定的子ＶＩ转化。　（下转第１７３页）　１６２　维普资讯 http://www.cqvip.com ・数控机床世界・　由图４可知．系统任务分为两种，一种是各个任务　Ｉ　实时操作系统是开放源码且得到实际验证的软件平台，　在执行时要有一定的先后次序．任务要等待通知或建立　ｌ　触摸屏具有人机交互功能且控制简单。基于此软硬件平　了某个条件后才能继续执行．任务间的通信采用信号量　ｌ　台能大量减轻研发任务，提高研发速度，具有了更高集成　触发机制；另一种是采用定时器延时的方式循环执行。　：度、更低成本、更友好地控制操作界面，它满足了内圆数　位置控制、插补、软ＰＬＣ、译码等任务均采用信号量触　ｌ　控磨床对体系结构的诸多要求，如强实时性、友好的人机　发执行一次，然后继续挂起，等待下一个信号量，各个　Ｉ交互界面等，为设计出新型的精密数控磨床系统创造了　任务每执行完一条后都要挂起，留时间给其他任务执　良好的条件。　行。人机界面任务的优先级别最低，采用延时机制，每　：　参考文献：　隔一定的时间就要循环一次执行，本任务利用系统节拍　ｌ　［１］王孙安，张进华，吴明军蔗于ＡＲＭ的开放式数控系统的研究［Ｊ１．现　实现延时。这几个任务一起可以有条理的、准时的完成　ｌ　ＣＮＣ数控系统的实时功能。　代制造工程，２００７，９・　：　［２］王广丰，等・基于ＡＲＭ处理器的嵌入式数控系统叨・机械与电子，２００　２－　：　［３］周耀坤，蓝志洋・基于ＲＴ—Ｌｉｎｕｘ的开放式数控系统软件平台的研　４结束语　ｆ　究［ＪＩ．机电工程技术，２００５，４．　时性分析［Ｊ］计算机工程，２００６，１１．　．１　［４］刘淼，王田苗，魏洪兴，陈友东．基于ＩｘＣ／ＯＳ—ＩＩ的嵌入式数控系统实　ＡＲＭ处理器具有强大的３２位ＲＩＳＣ性能，ＩｘＣ／ＯＳ－ＩＩ　ｌ　Ｔｈｅ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｆ　Ｅｍｂｅｄｄｅｄ　ＣＮＣ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　Ｉｎｔｅｒｎａｌ　Ｇｒｉｎｄｉｎｇ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＡＲＭ　ＬＩ　Ｙｏｎ　Ｌ１日Ｍ０．ＸＩＥ　Ｏｕ　（Ｈｅｎａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ　Ｈｅｎａｎ　４５０００７，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｎｅｗ　ＣＮＣ　ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｉｎｔｅｒｎａｌ　ｇｒｉｎｄｉｎｇ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ＡＲＭ　ａｎｄ　ｐ￣Ｃ／ＯＳ—ＩＩ　ＷａＳ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｈｅ　ｐｒｏｐｅｒｔｔｉｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｉｎｔｅｒｎａｌ　ｇｒｉｎｄｉｎｇ．Ｔｈｅ　ｈａｒｄｗａｒｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｈｅ　ＣＮＣ　ｓｔｙｓｔｅｍ　ｗｅｒｅ　ｓｕｄｔｉｅｄ，ｔｈｅ　ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｈｅ　ｋｅｙ　ｔｔａｓｋｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｗａｙ　ｔｏ　ｃａｒｒｙ　ｏｕｔ　ｔｈｅｍ　ｗｅｒｅ　ａｌｓｏ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＡＲＭ；ｐ￣Ｃ／ＯＳ－ＩＩ；Ｅｍｂｅｄｄｅｄ　ＣＮＣ　ｓｙｓｔｅｍ；ｉｎｔｅｒｎａｌ　ｇｒｉｎｄｉｎｇ　与传统仪器相比较．基于计算机的虚拟仪器的明显　优势是，它可以方便地进行网络通信。本文采用Ｗｅｂ　Ｓｅｒｖｅｒ访问技术，可以在互联网上直接控制位于远端服　务器上的前面板　Ｗｅｂ　Ｓｅｒｖｅｒ技术是将ＶＩ的前面板窗口以网页的形式　发布到互联网上．可以将这样的ＶＩ前面板窗口嵌入到一　个网页当中．实现在网页中的远程虚拟仪器。用户可以用　与集成带来了极大的益处，大幅度的缩减了开发周期，　提高开发质量。利用本文所述改进的ＰＩＤ控制算法具有　良好的自适应控制能力，实现对温室环境的智能调节和　预报警，从而实现对作物生长环境的智能化控制和温室　作物的科学管理，实现资源的优化配置，以达到作物稳　产、高产、高效益的现代农业要求。实践表明，因ＣＯ：　施放电机、淋水泵电机全部实现变速运行．耗电量明显　极为简单的方式直接在本地的客户端计算机上打开并操作　位于远程服务器端计算机上ＶＩ面板，并在网页中直接操作。　具体步骤包括在Ｌａｂｖｉｅｗ　Ｗｅｂ　Ｓｅｒｖｅｒ端的计算机上开启Ｌａｂ—　降低，因此产生了较好的经济效益。　参考文献：　［１１扬乐平，李海涛，等．Ｌａｂｖｉｅｗ高级程序设计『Ｍ１．清华大学出版社２００３．　［２１雷振山．Ｌａｂｖｉｅｗ７　Ｅｘｐｒｅｓｓ实用技术教程『Ｍ１．中国铁道出版社，２００４．　［３］张金波，等　动化控制系统在节水灌溉中的应用　微计算机信　ｇ２００３，　［４］王双喜，高昌珍，等．温室ＣＯ：气体浓度环境自动调控系统的研究　［Ｊ］．农业工程学报，２００２．　［５］徐立鸿，任雪玲．工控系统在设施农业中的应用阴．基础自动化，２ｏ０１．　ｖｉｅｗ　Ｗｅｂ　Ｓｅｒｖｅｒ服务并对其以下四个方面进行配置。①文件　路径和网络设置；②客户机访问权限设置；③ｖＩ访问权限　设置；④使用Ｗｅｂ　ＰｕｂｌｉｓｈｉｎｇＴｏｏｌ将网页发布出去　最后　不要忘记在客户端计算机上安装Ｒｕｎ－Ｔｉｍｅ　Ｅｎｇｉｎｅ。　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ　Ｌｏｎｇ—ｄｉｓｔａｎｃｅ　ＰＩＤ　Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　Ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｖｉｒｔｕａｌ　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ　ＨＵＭｅｉ—Ｇｕｉ　．ＪＩＮＺｈｅｎ—Ｈｕａ２　（１Ｊｉｎｈｕａ　Ｔｅｃｈｎｉｃｉａｎ　Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｊｉｎｈｕａ　Ｚｈｅｊｉａｎｇ　３２１０１７，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｙｉｗｕ　Ｃｈｅｎｇｚｈｅｎ　Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ　Ｓｃｈｏｏｌ，Ｙｉｗｕ　Ｚｈｅｊｉａｎｇ　３２１０１７，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｔｈｅ　ｃａｓｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｋｉｎｄ　ａｎｄ　ｎｕｍｂｅｒ　ｏｆ　ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ　ａｒｅ　ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ　ａｌｏｎｇ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ａｒｅａ　ｏｆ　ｈｅ　ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｔｅ　ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇＡｐｐｌｙ　ｖｉｔｕａｒｌ　，ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ　Ｌａｂｖｉｅｗ　ｔｏ　ｄｅｓｉｇｎ　ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ　ｌｏｎｇ—ｄｉｓｔａｎｃｅ　ＰＩＤ　ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｗｉｌｌ　Ｔｒａｎｓｌａｔｅ　ｎｏｎ　ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　ｑｕａｎｔｉｙ　ｔｇａｉｎｅｄ　ｂｙ　ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ　ｉｎｔｏ　ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　ｑｕａｎｔｉｙ　ｖａｒｔｉｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　ｐａｒａｍｅｔｅｒ，ｔｈｅ　ｅｌｅｃｔｉｃａｒｌ　ｓｉｎａｇｌ　ｇａｉｎｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｄａｔａ　ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ　ｂｏａｒｄ　ａｒｅ　ａｃｑｕｉｒｅｄ　ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ　ｂｙ　ｖｉｒｔｕａｌ　ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ　ｓｏｍｅ　ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ　ａｒｅ　ｒｅａｌｉｚｅｄ　ｓｕｃｈ　ａＳ　ｄｉｓｐｌａｙ，ｓｔｏｒａｇｅ，ｓｔａｔｉｓｔｉｃ　ａｎｄ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｒ　ｔｆｈｅ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　ｐａ—　ｒａｍｅｔｅｒ．Ｔｈｅ　ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ　ｉｓ　ｍａｎａｇｅｄ　ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｄｙ　ｂｙ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ　ｏｐｔｉｍｕｍ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　ｐａｒａｍｅｔｅｒ　ｔｈａｔ　ｄｉｆｅｒｅｎｔ　ｔｉｍｅ　ｃｒｏｐ　ｉｓ　ｎｅｅｄｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｖｉｔｕａｒｌ　ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ；ＰＩＤ；ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ　ａｃｑｕｉｓｉｉｏｎ；ｅｎｖｉｔｒｏｎｍｅｎｔ　ｐａｒａｍｅｔｅｒ　１７３