CN104571086A - 基于传递函数的温度控制器仿真测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于传递函数的温度控制器仿真测试方法，计算机与数据采集板卡连接，数据采集板卡上数字量接口和模拟量接口分别可接待测温控器的数字量和模拟量，计算机有温度显示界面，数据采集板卡输出的温度值输入待测温控器；计算机软件和数据采集板卡构成待测温度控制器的被控对象，与待测温控器形成一个模拟的闭环控制系统，来检测校准待测温度控制器的参数。仿真一个被温度控制器控制的被控对象。可随时随地对待测系统进行仿真模拟测试，不需要进行大规模的投资一个可以控制温度的实验室，仿真测试可靠性高，测试过程快，能耗低。

Description

基于传递函数的温度控制器仿真测试方法

技术领域

本发明涉及一种自动控制和空气调节领域，特别涉及一种基于传递函数的温度控制器仿真测试方法。

背景技术

随着国民经济的快速发展，控制领域受到人们广泛的关注，在温度控制器仿真领域，新的温度控制器研发过程，人们需要对控制器进行测试，但是温度控制器测试就需要有一个可以调节空气温度的房间，这样的房间投资很大，而且房间的惯性系数和时滞常数都是固定的不可以调节。人们迫切需求一种更快，更准，更便捷的系统来模拟各种实际环境。

随着温度控制器在现代工业控制系统中广泛应用，温控器的开发和运用也越来越受到重视。在温控系统中，被控对象是不可或缺的重要组成部分。只有在存在被控对象的条件下，温控器的特性才能充分被测试。

这种基于传递函数的温度控制器测试系统，在这种需求下必将应运而生，为国民的生产发展服务。它采用一阶传递函数数学模型来代替具备空气调节功能的房间，用软件加硬件的方式将模拟的信号模拟量信号输出的方式输出给被测温度控制器，而温度控制器输出的模拟量信号通过模拟量输入通道输入软件系统。而使得设计人员能够在计算机上完成温控器的测试。计算机仿真对象与实物对象相比，具有很多的优点，如制作方便、安全性高、投资风险低、研究时间短等。

发明内容

本发明是针对开发温控器产品时进行模拟测试需要消耗大量人力和财力的问题，提出了一种基于传递函数的温度控制器仿真测试方法，采用计算机软件和硬件资源及USB数据采集板卡代替温控器测试系统中的被控对象。

本发明的技术方案为：一种基于传递函数的温度控制器仿真测试方法，具体包括如下步骤：

1）建立基于传递函数的温控器仿真系统：计算机与数据采集板卡连接，数据采集板卡上数字量接口和模拟量接口分别可接待测温控器的数字量或模拟量，计算机有温度显示界面，数据采集板卡输出的温度值输入待测温控器；

2）基于传递函数的温控器仿真系统作为待测温度控制器的被控对象，与待测温度控制器形成一个模拟的闭环控制系统；

3）待测温控器上设定温度值并通过温控器面板显示，待测温控器输出控制量，通过数据采集板卡到计算机内进行仿真计算；

4）计算机通过步骤3）待测温控器输出控制量乘对应的执行元件一阶传递函数再经过拉普拉斯逆变换得到对应的温度值；

5），重复进行1）至4），对比步骤3）中设定温度与计算机模拟所得温度值的差值, 得到待测温控器的控制精度，并根据差值调整待测控制器参数，直到满足待测控制器的控制精度。

所述计算机模拟预测控制器输出为                                               ，

其中待测温控器输出执行元件的一阶传递函数为G(s)=，

待测控制器输出的函数为；

输出经拉普拉斯逆变换的时域表达式为

式中h（t）为t时刻模拟的温度值输出；

h ₀ 为0时刻的温度，即初始仿真温度

K为放大系数，根据被仿真的对象可以在软件中设置；

T为时间常数，根据被仿真的对象可以在软件中设置；

为延迟时间，根据被仿真的对象可以在软件中设置；

I为数据采集板卡的输入的电压V转化成的0-100%的数字量I；

t为时间。

本发明的有益效果在于：本发明基于传递函数的温度控制器仿真测试方法，仿真一个被温度控制器控制的被控对象。可随时随地对待测系统进行仿真模拟测试，不需要进行大规模的投资一个可以控制温度的实验室，仿真测试可靠性高，测试过程快，能耗低。

图1为本发明基于传递函数的温控器仿真系统结构示意图。

具体实施方式

如图1所示一种基于传递函数的温控器仿真系统，包括计算机1、数据采集板卡2；数据采集板卡2通过USB连接线4与计算机1连接；数据采集板卡2的模拟量接口与待测温控器3的模拟量AI/AO输入/输出连接；数据采集板卡的数字量接口与待测温控器3的数字量DI/DO输入/输出连接。

计算机软件和数据采集板卡2构成待测温度控制器的被控对象，形成一个模拟的闭环控制系统，来检测校准待测温度控制器的参数；温度控制器的运算输出（模拟量信号或者PWM波信号）通过数字量输入DI通道（PWM波信号）或模拟量输入AI(模拟量信号)输入计算机，通过计算机机中采用LabVIEW软件完成该输入计算机数字量的基于一阶传递函数G(s)响应的拉普拉斯逆变换函数。

计算机中的利用LabVIEW编制的软件，将仿真过程中模拟房间的温度和温度控制器的输出显示在界面上。

房间温度控制器执行元件（例如空调的输出阀门开度）的一阶传递函数G(s)包含可调的惯性常数T、延迟时间；该一阶传递函数公式为 G(s)=,其中惯性常数T、延迟时间、放大系数可根据所需模拟的实际对象（即待测温度控制器控制输出的元件）大小设置，从而使该仿真过程更接近实际过程。

数据采集板卡的输入的电压V根据待测温控器的输出型号范围转化为0-100%的数字量I。因此温控器输出的函数为。

这样模拟的对象的输出为，输出经拉普拉斯逆变换的时域表达式为

式中h（t）为t时刻模拟的温度值输出；

h ₀ 为0时刻的温度，仿真初始温度；

K为放大系数，根据被仿真的对象可以在软件中设置；

T为时间常数，根据被仿真的对象可以在软件中设置；

为延迟时间，根据被仿真的对象可以在软件中设置；

I为数据采集板卡的输入的电压V转化成的0-100%的数字量I；

t为时间。

    实际的I输入可能在每个时刻是不同的。则将上述式子离散化。

式中 为第n个采样时刻温度值输出；

t_n为第n个时刻的时间；、

I₀ 、I _i 、I _i-1分别为各个时刻的数据采集板卡的输入的电压V转化成的0-100%的数字量I。

通过数据采集板卡中的数字量接口可以接收待测温控器的数字量，适用于温控器通过占空比调节对象的场合；通过数据采集板卡中的模拟量接口可以接收待测温控器的模拟量，适用于温控器通过阀门连续调节的场合。

用计算机软件资源代替温控系统中的被控对象，可随时随地对待测系统进行仿真模拟测试，不需人时刻监视，并能够记录测试过程，生成报告，使测试更加方便。

一种基于传递函数的温控器仿真系统工作过程：首先在待测温控器上设定温度值并通过温控器面板显示，待测温控器通过内部的PID控制算法得到阀门开度模拟量（占空比数字量），此模拟量为计算机模拟的被控对象的输入量，该模拟量（数字量）经数据采集板卡处理后经过USB线与计算机连接，通过一阶传递函数计算得到响应的输出，并得到被控对象的实际温度值，利用软件将该输出转换为真实的温度传感器信号，传输给数据采集板卡的模拟量输出通道AO，输出的信号用来模拟温度传感器的信号到待测温控器的输入。这样实际的温度控制过程就被模拟出来了。

当测试过程稳定后，可通过比较待测温控器面板表面显示的设定温度值和计算机机计算得到的实际温度值，检验待测温控器面板显示器的性能；可通过比较温控器面板的设置温度值和模拟的被控对象的实际温度值的差值，分析得到待测温控器的控制精度，调整待测温控器的参数。

Claims (2)

1.一种基于传递函数的温度控制器仿真测试方法，，其特征在于，具体包括如下步骤：

1）建立基于传递函数的温控器仿真系统：计算机与数据采集板卡连接，数据采集板卡上数字量接口和模拟量接口分别可接待测温控器的数字量或模拟量，计算机有温度显示界面，数据采集板卡输出的温度值输入待测温控器；

2）基于传递函数的温控器仿真系统作为待测温度控制器的被控对象，与待测温度控制器形成一个模拟的闭环控制系统；

3）待测温控器上设定温度值并通过温控器面板显示，待测温控器输出控制量，通过数据采集板卡到计算机内进行仿真计算；

4）计算机通过步骤3）待测温控器输出控制量乘对应的执行元件一阶传递函数再经过拉普拉斯逆变换得到对应的温度值；

5），重复进行1）至4），对比步骤3）中设定温度与计算机模拟所得温度值的差值, 得到待测温控器的控制精度，并根据差值调整待测控制器参数，直到满足待测控制器的控制精度。

2.根据权利要求1所述基于传递函数的温度控制器仿真测试方法，其特征在于，所述计算机模拟预测控制器输出为                                               ，

其中待测温控器输出执行元件的一阶传递函数为G(s)=，

待测控制器输出的函数为；

输出经拉普拉斯逆变换的时域表达式为

式中h（t）为t时刻模拟的温度值输出；

h ₀ 为0时刻的温度，即初始仿真温度

K为放大系数，根据被仿真的对象可以在软件中设置；

T为时间常数，根据被仿真的对象可以在软件中设置；

为延迟时间，根据被仿真的对象可以在软件中设置；

I为数据采集板卡的输入的电压V转化成的0-100%的数字量I；

t为时间。