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基于虚拟仪器的气体射流冲击装置自动控制研究

向名1，高振江1
1中国农业大学工学院,（100083）
E-mail:[e-mail]
摘要：本文系统地介绍了气体射流冲击的概念及其优点、虚拟仪器的有关概念和Lab
Windows/CVI语言，并利用LabWindow/CVI开发平台研制了基于气体射流冲击装置的自动
控制系统。试验过程中运用PID来控制温度的变化。最后，通过试验验证，该系统控制精度
高，且运行稳定。
关键词：虚拟仪器LabWindows/CVI自动控制

前言：

近年来，随着计算机技术的不断发展，各行各业逐步实现了自动化、智能化、系统化。
而传感器作为计算机输入的主要外部硬件，它的发展使得计算机的功能得到充分的利用。另
一方面，虚拟仪器（VirtualInstrumentation，简称VI）是90年代以来随着计算机技术
的进步而逐步发展起来的新仪器产品，它的发展使得计算机与硬件测试设备之间的数据传输
更加方便、直接、快速。且其可视化用户界面使得测试过程更加直观、明了。具有广阔的应
用前景。

1.研究理论基础

1.1气体射流冲击概念及优点

气体射流冲击技术是一种新的干燥方法，它将加热的气体通过圆形或狭缝形喷嘴直接喷
射到固体表面进行加热的方法。由于喷嘴喷出的气体具有极高的速度，将其直接冲击到需干
燥的物料表面时，气流与物料表面之间产生非常薄的边界层，因此其传热系数比一般热风换
热要高出几倍以至一个数量级[1]。其原理图如下图1所示。

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喷嘴

喷射的气体流体

物料

图1气体射流冲击原理图

1.2LabWindow/CVI

虚拟仪器是仪器技术与计算机技术深层次结合的产物。是随着计算机技术、现代测量技
术发展起来的新型高科技产品，代表着当今仪器发展的新方向。虚拟仪器的概念是由美国国
家仪器(NationalInstruments以下简称NI)公司首先提出，是对传统仪器概念的重大突破。
它利用计算机强大的图形环境建立虚拟仪器面板，完成对仪器的控制、数据分析和显示，提
高了仪器的使用功能和效率。
LabWindow/CVI是NI公司推出的交互C语言开发平台。它将功能强大、使用灵活的C
语言平台与用于数据采集分析和显示的测控专业工具有机地结合起来，利用它的集成化开发
环境、交互式编程方法、函数面板和丰富的库函数大大增强了C语言的功能，为熟悉C语言
的开发设计人员编写检测系统、自动测试环境、数据采集系统、过程监控系统等应用软件提
供了一个理想的软件开发环境[2]。
基于实验装置的虚拟仪器自动控制系统需要有良好的图形界面，借助相关的数据采集装
置来实现系统的自动控制。而LabWindow/CVI集成的许多高级功能函数库较好地满足了本
系统的要求。因此本系统采用LabWindow/CVI作为软件开发平台。

1.3PID控制

1.PID的定义
PID（ProportionalIntegralandDifferential）控制器由于其算法简单、鲁棒性能
好、可靠性高等优点，PID控制策略被广泛应用于工业过程控制中[3]。

PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值r(t)和实际输出值c(t)构成控制偏差如下：

e(t)=r(t)-c(t)

将偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）通过线形组合构成控制量，对被控对象进
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行控制，故称为PID控制。其控制规律为：

1
é1TDde(t)ù
u(t)=Kpe()t+e()tdt+
êò0ú
ëTIdtû

或写成传递函数形式：
U(s)æ1ö
ç÷
G()s==Kpç1+s+TDs÷
E()sèTIø

式中：KP——比例系数；

TI——积分时间常数；

TD——微分时间常数。

2.PID控制器参数整定
本试验中PID控制参数的整定使用Ziegler-Nichols设定法，其原理是：受控对象大多
可以近似用一阶惯性加纯延时环节来表示，其传递函数为：
K
G()S=e-ts
TS+1

式中，T为对象时间常数，K为增益，t为系统的纯滞后时间。

U(s)æ1ö
联合式ç÷，
G()s==Kpç1+s+TDs÷
E()sèTIø
ì1.2T
ïKp=
Kt
ï
得Ziegler-Nichols设定法的整定公式为：íTI=2t
ïT=0.5t
ïD
îï

结合试验装置具体情况以及温度控制精度要求，该系统中的PID参数设定为：KP=6；

KI=0.08；KD=3。

2.系统工作原理

该自动控制系统以LabWindows/CVI为基础，结合相关PID算法