摘 要：隨著能源問題日益引起人們的注意，利用低品位熱源驅(qū)動(dòng)的制冷方式-噴射制冷也逐漸引起人們的重視。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用電加熱來模擬太陽(yáng)能。本文主要介紹了在LabVIEW平臺(tái)上開發(fā)的噴射制冷測(cè)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、保存以及數(shù)據(jù)分析等功能。
關(guān)鍵詞：噴射 制冷 測(cè)控 labVIEW

Abstracts: With the emergency of energy problem,ejector refrigeration driven by low grade heat attracted more and more attention.In order to make the experiment more convenient, electricity is used to provide energy. This paper describes the measurement and control system of solar ejector refrigeration based on LabVIEW, which can realize real-time data acquisition and conservation.

Keywords: ejector, refrigeration ,measurement and control, LabVIEW

1. 引言

空調(diào)系統(tǒng)向新能源發(fā)展、減少電能消耗已經(jīng)是必然的趨勢(shì)。目前，在世界范圍內(nèi)，對(duì)太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的噴射式制冷、吸收式制冷及吸附式制冷的研究和應(yīng)用，已受到普遍重視并取得一定的效果。在早期的研究中，吸收式制冷系統(tǒng)是眾多研究人員關(guān)注的焦點(diǎn)。但是，其設(shè)計(jì)和運(yùn)行維護(hù)比較復(fù)雜，且運(yùn)行一段時(shí)間后，工質(zhì)的化學(xué)穩(wěn)定性下降、系統(tǒng)難以保持高真空等問題會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)效率下降。同時(shí)，吸收式制冷的初期投資較大，也是其進(jìn)一步發(fā)展的障礙。因此，近年來，噴射式制冷受到了較多的關(guān)注[1]。

但是如果直接利用太陽(yáng)能做熱源來加熱，易受天氣影響，難以保證實(shí)驗(yàn)過程的穩(wěn)定進(jìn)行。因此，目前進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)多以電能直接做熱源來進(jìn)行的。為了保證實(shí)驗(yàn)的精度，必須對(duì)水溫進(jìn)行準(zhǔn)確的控制。PID控制器就是一種可以進(jìn)行方便、精確控溫的控制方式。但此種方法的缺點(diǎn)是需要另外購(gòu)置PID控制器，且不便于遠(yuǎn)程的電腦控制。為此，筆者針對(duì)太陽(yáng)能噴射制冷實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在labVIEW平臺(tái)上開發(fā)了一套測(cè)控系統(tǒng)。LabVIEW 是美國(guó)National Instrument 公司推出的應(yīng)用于測(cè)控領(lǐng)域的圖形化編程軟件。本文主要介紹了一種利用LabVIEW的公式節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)的PID 控制技術(shù)和使用其簡(jiǎn)便的數(shù)據(jù)采集方式建立的測(cè)控系統(tǒng)。

2. 工作原理

PID控制原理

PID控制是從比例、積分和微分三個(gè)環(huán)節(jié)來實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)控制的。常規(guī)PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖1 所示。PID控制是一種線性控制方式,它根據(jù)給定值r（t）與實(shí)際輸出值c（t）構(gòu)成控制偏差:

e（t）=r（t）-c（t） （1）

對(duì)偏差進(jìn)行比例（P）、積分（I）、微分（D）計(jì)算后通過線性組合構(gòu)成控制量,作用于被控對(duì)象,其控制規(guī)律為：

表示為傳遞函數(shù)的形式為：

其中kp — 比例系數(shù)

Ti — 積分時(shí)間常數(shù)

Td — 微分時(shí)間常數(shù)

比例環(huán)節(jié)成比例的反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào),一旦產(chǎn)生偏差,控制器就產(chǎn)生控制作用,來減少偏差。積分環(huán)節(jié)主要用于消除靜態(tài)誤差, 提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強(qiáng)弱取決于時(shí)間常數(shù)Ti, Ti越小,積分作用越強(qiáng)。微分環(huán)節(jié)反映偏差信號(hào)的變化趨勢(shì),在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的提前修正信號(hào),來加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度,縮短調(diào)節(jié)時(shí)間。

LabVIEW中實(shí)現(xiàn)PID控制

LabVIEW提供了PID工具包（PID Toolkit），用以實(shí)現(xiàn)對(duì)控制對(duì)象的PID控制。本文則介紹了一種新的通過公式節(jié)點(diǎn)（formula node）實(shí)現(xiàn)PID控制的簡(jiǎn)單方法。公式節(jié)點(diǎn)的程序如圖1所示。其中Tset為設(shè)定的溫度值，input為實(shí)際溫度值，unew為輸出的控制調(diào)壓模塊的電壓值。P值、I值和D值分別通過前面板設(shè)定。為了防止在系統(tǒng)啟動(dòng)過程中造成PID運(yùn)算的積分積累，致使算得的控制量超過電加熱的最大動(dòng)作范圍，引起系統(tǒng)超調(diào)，本系統(tǒng)采用了積分分離PID控制方法。e為設(shè)定的閾值，當(dāng)enew大于e值時(shí)，起作用的僅是PD控制，可避免過大的超調(diào)，又使系統(tǒng)有較快的響應(yīng)。當(dāng)enew小于等于e值時(shí)，即偏差較小時(shí)，采用PID控制，可保證系統(tǒng)的控制精度。通過公式節(jié)點(diǎn)內(nèi)的簡(jiǎn)短運(yùn)算，將結(jié)果unew以電壓信號(hào)的形式輸出至調(diào)壓模塊，通過它控制電加熱的功率大小。

圖1. 公式節(jié)點(diǎn)程序

圖2 系統(tǒng)整體框圖
系統(tǒng)原理

整個(gè)系統(tǒng)包括6個(gè)HT100型壓力傳感器、8個(gè)Pt100溫度傳感器和USB2000A共同完成數(shù)據(jù)采集功能。USB接口、PC和LabVIEW共同構(gòu)成了數(shù)據(jù)接收和顯示單元。控制功能則由調(diào)壓模塊TY-H380D來完成。系統(tǒng)框如圖2所示。

首先在PC上設(shè)定發(fā)生器溫度、P值、I值、D值等所需參數(shù)，系統(tǒng)開始運(yùn)行。傳感器將信號(hào)送至數(shù)據(jù)采集卡USB2000A，經(jīng)由USB接口送至PC。通過將實(shí)際測(cè)得的發(fā)生器溫度與設(shè)定值比較，PC發(fā)出信號(hào)控制調(diào)壓模塊調(diào)節(jié)加熱量。

3. 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)應(yīng)用LabVIEW編制了測(cè)控軟件，可以方便的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、存儲(chǔ)、處理和分析。此外，本程序通過與VC++編寫的仿真計(jì)算程序的鏈接，實(shí)現(xiàn)了仿真計(jì)算和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較。通過這種直觀的比較，可以分析在給定的工況下實(shí)驗(yàn)結(jié)果和仿真計(jì)算之間的誤差。從而可以對(duì)仿真計(jì)算方法加以修正，使其更加完善，計(jì)算結(jié)果能夠更加符合實(shí)際的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。程序前面板通過tab container可以方便的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)原理flash展示、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)分析之間的切換，如圖3所示。

圖3 程序前面板
主程序主要數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)保存模塊、控制模塊和數(shù)據(jù)分析模塊組成。

數(shù)據(jù)采集模塊的主要功能是選擇板卡的通道范圍，并將采集的溫度、壓力數(shù)據(jù)按一定順序打包，等待下一步的處理。模塊的主要構(gòu)成如圖4所示。

數(shù)據(jù)保存模塊的功能則是將采集模塊得到的數(shù)據(jù)以電子表格形式保存下來。在數(shù)據(jù)采集過程中，系統(tǒng)會(huì)建立測(cè)量的數(shù)據(jù)文件，以便記錄測(cè)量中的數(shù)據(jù)。該模塊可以將采樣得到的數(shù)據(jù)和采樣時(shí)間轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電子表格數(shù)據(jù)，追加在建立的數(shù)據(jù)文件后。由于數(shù)據(jù)的寫入是實(shí)時(shí)的，即沒完成一次采樣，就將數(shù)據(jù)寫入文件中，所以可以將意外情況對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的影響降至最低。

控制模塊則是針對(duì)發(fā)生器的電加熱控制而設(shè)計(jì)的，該模塊主要通過公式節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)電加熱的積分分離PID控制。實(shí)驗(yàn)證明，該控制算法可以很好的滿足控溫精度的要求。