引 言

　　隨著虛擬儀器的功能和性能被不斷地提高，在許多應(yīng)用中已成為傳統(tǒng)儀器的主要替代方式。

　　本文以水循環(huán)系統(tǒng)為研究對象，針對水循環(huán)的溫度，在比較研究不同控制策略的基礎(chǔ)上，建立精確的數(shù)學(xué)模型，對水循環(huán)溫度控制進(jìn)行了研究。通過數(shù)據(jù)采集卡對溫度信號進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并由軟件平臺對采集的信號進(jìn)行分析，然后用數(shù)學(xué)模型控制算法處理輸出，以使當(dāng)前溫度逼近設(shè)定值，從而達(dá)到溫控目的，最后將采集數(shù)據(jù)保存記錄，以備日后讀取分析。利用虛擬儀器的巨大優(yōu)越性改善水循環(huán)溫度的控制品質(zhì)，提高控制效果。

　　1 水循環(huán)溫度控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立

　　1.1 水循環(huán)溫控系統(tǒng)介紹

　　水循環(huán)溫控系統(tǒng)由儲水箱、水泵、傳感器、散熱器和電加熱裝置組成，水循環(huán)原理圖如圖1所示。由于本系統(tǒng)對溫度要求較高，要保證水管環(huán)境溫度保持在20℃，故需建立合理的數(shù)學(xué)模型及控制算法，將溫度傳感器PT100采樣性能通過散熱器及電加熱器的動態(tài)溫度值模擬出來，最終達(dá)到高精度控制溫度的作用。

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　　1.2 水循環(huán)溫控系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立

　　水循環(huán)溫控系統(tǒng)各個部分的溫度因管道、散熱裝置和加熱裝置的原因會產(chǎn)生很大的變化。為了表達(dá)清楚達(dá)到預(yù)想的結(jié)果，就需要建立正確的數(shù)學(xué)模型。本設(shè)計(jì)根據(jù)實(shí)際情況，選擇了幾個特殊的點(diǎn)來建立模型。如圖1所示，A，B，C，D，E，F(xiàn)六個點(diǎn)的溫度，將引起變化的原因全部考慮進(jìn)去，列出函數(shù)關(guān)系式，然后借助Lab—VIEW編程，由程序控制溫度。

　　(1)B點(diǎn)的溫度函數(shù)關(guān)系式

　　B點(diǎn)為采樣點(diǎn)，B點(diǎn)的溫度跟A點(diǎn)的溫度因中間隔水箱會有一個延時(shí)K1，取在A點(diǎn)第N個采樣值經(jīng)過K1延時(shí)之后的平均值為B點(diǎn)的溫度，它的溫度函數(shù)關(guān)系為：

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　　K1)分別為A點(diǎn)第N-1，N-2，…，N-K1個采樣時(shí)的溫度值;V1為水箱的容積，V1=5 L;q為泵流量，q=0.083 L/s;T為采樣周期，T=1 s;K1：為注滿水箱需要的時(shí)間，即延時(shí)周期，通過計(jì)算K1=60 s。

　　(2)A點(diǎn)的溫度函數(shù)關(guān)系式

　　A點(diǎn)的溫度與D點(diǎn)的溫度因水管而有個延時(shí)，故A點(diǎn)的溫度函數(shù)關(guān)系如式(2)所示：

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　　為D點(diǎn)第N-K3個采樣點(diǎn)的溫度;V3為D點(diǎn)到A點(diǎn)水管的容積，V3=0.5 L;K3為從D點(diǎn)到A點(diǎn)的延時(shí)周期，通過計(jì)算K3=6 s。

　　(3)D點(diǎn)的溫度函數(shù)值

　　D點(diǎn)的溫度與C點(diǎn)溫度相比，不僅僅是水管的散失而延時(shí)，還與電加熱裝置有關(guān)，函數(shù)關(guān)系如式(3)所示：

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　　為C點(diǎn)第N-K2個采樣點(diǎn)的溫度;P為電加熱器的功率，P=1 kW;C為水的比熱容，C=4.18 kJ/kg·℃;△T為電熱前后的溫度變化，通過計(jì)算△T=3℃;P'為采樣占控比，通過驗(yàn)證P'=1或0;V2為C點(diǎn)與D點(diǎn)間水管的容積，V2=1 L;K2為從C點(diǎn)到D點(diǎn)的延時(shí)周期，通過計(jì)算K2=6 s。