【正文】 ........35內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文）IV第六章 電阻爐溫度控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計 .............................................................................36 軟件模塊化設(shè)計方法概述 .............................................................................................36 電阻爐溫度控制系統(tǒng)軟件總體設(shè)計 .............................................................................37 密碼驗證模塊 .................................................................................................................37 數(shù)據(jù)采集模塊 .................................................................................................................38 A/D 和 D/A 轉(zhuǎn)換 ......................................................................................................38 數(shù)據(jù)采集 ...................................................................................................................39 信號處理模塊 .................................................................................................................40 PID 控制器模塊 ...........................................................................................................42第七章 系統(tǒng)調(diào)試 .....................................................................................................................44參考文獻(xiàn) ...................................................................................................................................47附錄 A： ...................................................................................................................................49附錄 B： ...................................................................................................................................52致 謝 .......................................................................................................................................53內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文）1第一章 引言 本課題的背景及意義隨著工業(yè)的發(fā)展，對金屬材料的性能提出了更多更高的要求，因而熱處理技術(shù)也向著優(yōu)質(zhì)、高效、節(jié)能、無公害方向發(fā)展。在鋼鐵、機(jī)械、石油化工、電力、工業(yè)爐窯等工業(yè)生產(chǎn)中，溫度是極為普遍又極為重要的熱工參數(shù)之一，隨著工業(yè)過程對控溫精度要求的提高，測溫范圍也隨之變廣，因此溫度控制技術(shù)的研究是一個重要的研究課題。在工業(yè)電爐控制中溫度的控制是十分重要的“溫控過程要嚴(yán)格按照事先設(shè)定的溫度曲線運行，如果意外掉電導(dǎo)致加熱終止或控溫精度低，都會導(dǎo)致工業(yè)加熱的失敗” ，因此研究以工業(yè)電阻爐為控制對象，以智能儀表為控制工具的溫控系統(tǒng)具有一定的實際應(yīng)用價值。隨著計算機(jī)、通訊技術(shù)在工業(yè)自動化系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，工業(yè)儀表的功能越來越強(qiáng)大，在高新技術(shù)的推動下，作為工業(yè)主要技術(shù)工具的控制儀表正跨入真正的數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化時代。不僅各類測控設(shè)備是數(shù)字化的，而且可通過網(wǎng)絡(luò)將分散的控制裝置和各類智能儀表連接起來，實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)過程的集散監(jiān)控管理。電阻爐是一種具有純滯后的大慣性系統(tǒng)，開關(guān)爐門、加熱材料、環(huán)境溫度以及電網(wǎng)電壓等都影響控制過程，傳統(tǒng)的電阻爐控制系統(tǒng)大多建立在一定的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，對被控對象中的非線性、時變性及隨機(jī)干擾無能為力。電阻爐是熱處理生產(chǎn)中應(yīng)用最廣的加熱設(shè)備，這樣加熱時均溫過程的測量與控制就成為關(guān)鍵性的技術(shù)。首先，控溫精度要高。其次，當(dāng)生產(chǎn)環(huán)境發(fā)生變化而影響到控溫精度時，要有合適的手段進(jìn)行調(diào)整以達(dá)到精度要求。而且，為了方便進(jìn)行工藝的研究，需要能保存溫度數(shù)據(jù)。最后，根據(jù)生產(chǎn)中的實際情況，電熱燒結(jié)和控制設(shè)備要求操作方便，易于維護(hù)，成本較低等等。電阻爐是利用電流通過電熱體元件將電能轉(zhuǎn)化為熱能來加熱或熔化工件物料的熱加工設(shè)備。電阻爐和火焰比，熱效率高，可達(dá) 50%－80%，熱工制度容易控制，勞動條件好，爐體壽命長，適用于要求較嚴(yán)的工件的加熱，但耗電費用高。按傳熱方式，電阻爐分為輻射式電阻爐和對流式電阻爐。輻射式電阻爐以輻射傳熱為主，對流傳熱作用較?。粚α魇诫娮锠t以對流傳熱為主，通常稱為空氣循環(huán)電阻爐，靠熱空氣進(jìn)行加熱，爐溫多低于 650℃。按電熱產(chǎn)生方式，電阻爐分為直接加熱和間接加熱兩種。在直接加熱電阻爐中，電流直接通過物料，因電熱功率集中在物料本身，所以物料加熱很快，內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文）2適用于要求快速加熱的工藝，例如鍛造坯料的加熱。這種電阻爐可以把物料加熱到很高的溫度，例如碳素材料石墨化電爐，能把物料加熱到超過 2500℃。直接加熱電阻爐可作成真空電阻加熱爐或保護(hù)氣體電阻加熱爐，在粉末冶金中，常用于燒結(jié)鎢、鉭、鈮等制品。采用這種爐子加熱時應(yīng)注意：(1)物料加熱均勻，要求物料各部位的導(dǎo)電截面和電導(dǎo)率一致；(2)由于物料自身電阻相當(dāng)小，為達(dá)到所需的電熱功率，工作電流相當(dāng)大，因此送電電極和物料接觸要好，以免起電弧燒損物料，而且送電母線的電阻要小，以減少電路損失；(3)在供交流電時，要合理配置短網(wǎng)，以免感抗過大而使功率因數(shù)過低。大部分電阻爐是間接加熱電阻爐，其中裝有專門用來實現(xiàn)電熱轉(zhuǎn)變的電阻體,稱為電熱體，由它把熱能傳給爐中物料。最常用的電熱體是鐵鉻鋁電熱體、鎳鉻電熱體、碳化硅棒和二硅化鉬棒。根據(jù)需要，爐內(nèi)氣氛可以是普通氣氛、保護(hù)氣氛或真空。一般電源電壓 220 伏或 380 伏，必要時配置可調(diào)節(jié)電壓的中間變壓器。小型爐（＜10 千瓦）單相供電，大型爐三相供電。對于品種單一、批料量大的物料，宜采用連續(xù)式爐加熱。爐溫低于 700℃的電阻爐,多數(shù)裝置鼓風(fēng)機(jī)，以強(qiáng)化爐內(nèi)傳熱，保證均勻加熱。用于熔化易熔金屬（鉛、鉛鉍合金、鋁和鎂及其合金等）的電阻爐，可做成坩堝爐；或做成有熔池的反射爐，在爐頂上裝設(shè)電熱體。常用的溫度控制方法有：電接點溫度表溫度控制、位式溫度顯示調(diào)節(jié)儀溫度控制、PID 連續(xù)電流輸出溫度顯示調(diào)節(jié)儀表溫度控制、PID 連續(xù)電壓輸出溫度顯示調(diào)節(jié)儀表溫度控制。這些溫度控制方法大都是在工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場安裝溫度控制儀表，通過提前設(shè)定溫度控制的上下限值或 PID 控制參數(shù)，然后再將控制儀表投入使用，進(jìn)行各種預(yù)定的控制。但若被控對象發(fā)生變化，難于實時的調(diào)整控制參數(shù)，不能滿足實時控制的要求，而且溫度變化曲線的記錄不易實現(xiàn)?？傊?，我國的電阻爐的控制設(shè)備的現(xiàn)狀不容樂觀，它主要有以下特點：一小部分比較先進(jìn)的設(shè)備和大部分比較落后的設(shè)備并存。由于我國改革開放的發(fā)展，國內(nèi)引進(jìn)和生產(chǎn)了少量的比較先進(jìn)的控制設(shè)備，但是，整體上，我國的電阻爐控制系統(tǒng)比國外發(fā)達(dá)國家要落后四、五十年，占主導(dǎo)地位的是模擬儀表控制，這種系統(tǒng)的控制參數(shù)由人工選擇，需要配置專門的儀表調(diào)試人員，費時、費力且不準(zhǔn)確?？刂凭纫蕾囉谠囼炚叩恼{(diào)節(jié)，控制精度不高，一旦生產(chǎn)環(huán)境發(fā)生變化就需要重新設(shè)置。操作不方便，控制數(shù)據(jù)無法保存。因而，對生產(chǎn)工藝的研究很困難，因此造成產(chǎn)品質(zhì)量低、廢品率高、工作人員的勞動強(qiáng)度大、勞動效率低、這些都縮減了企業(yè)的效益。因此，本課題研究有關(guān)控制理論及算法，編制基于智能化的控溫程序，配以相應(yīng)內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文）3的硬件裝置，使得高溫電阻爐按照預(yù)先給定的升溫保溫曲線加熱，達(dá)到提高控制精度、實現(xiàn)燒結(jié)自動化的目的。為了解決以上溫度控制方法中存在的問題，本論文提出一種基于虛擬儀器 LabVIEW 的溫度控制系統(tǒng)，本控制系統(tǒng)具有簡單易懂的控制界面，能夠?qū)崟r顯示溫度的變化曲線，容易修改控制算法控制精度高等特點，很容易適應(yīng)各種溫度控制系統(tǒng)。 論文研究的主要內(nèi)容本文以電阻爐為研究對象，針對電阻爐的溫度，在比較、研究不同控制策略的基礎(chǔ)上，主要對虛擬儀器在電阻爐溫度控制中的應(yīng)用進(jìn)行了研究。利用虛擬儀器的巨大優(yōu)越性，改善電阻爐溫度的控制品質(zhì)，提高控制效果。本文主要進(jìn)行了以下幾方面的工作：(1)論述了電阻爐溫度控制系統(tǒng)的課題目的、意義，溫度控制系統(tǒng)系統(tǒng)的國內(nèi)外發(fā)展概況及本論文的主要內(nèi)容并對電阻爐溫度控制特點進(jìn)行了簡要分析。(2)詳細(xì)介紹了虛擬儀器技術(shù)及本論文中用到的智能控制方法。(3)電阻爐溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計思路及方案，對系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺進(jìn)行選擇。(4)介紹電阻爐溫度控制系統(tǒng)硬件組成，晶閘管技術(shù)及建立控制對象數(shù)學(xué)模型。(5)將各種 PID 控制策略針對階躍信號進(jìn)行仿真，分析、比較不同控制策略對電阻爐溫度進(jìn)行控制的效果，總結(jié)各種控制策略的優(yōu)、缺點。(6)電阻爐溫度控制系統(tǒng)軟件整體設(shè)計方案，及各個子模塊設(shè)計過程。(7)系統(tǒng)運行檢驗，并對所做工作進(jìn)行了總結(jié)，對未來的研究作了展望。 文研究的重點和難點電阻爐具有高度非線性、大時滯、大慣性、時變性等特點，應(yīng)用傳統(tǒng)的 PID 控制雖然結(jié)構(gòu)簡單、容易實現(xiàn)，卻依賴于被控對象精確的數(shù)學(xué)模型且無法保證控制精度。模糊控制雖然能夠適用于無法精確建模的物理對象，但要獲得好的控制效果需要有系統(tǒng)的先驗知識和完整合理的模糊規(guī)則，這導(dǎo)致其應(yīng)用受到了很大局限?；诒敬卧O(shè)計的局限性，該論文使用虛擬儀器設(shè)計用戶界面和數(shù)據(jù)采集功能，實現(xiàn)對電阻爐溫度的實時控制并取得良好的控制效果，這是電阻爐溫度控制領(lǐng)域的難題，也是本文研究的重點。內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文）4內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文）5第二章 虛擬儀器及應(yīng)用簡介虛擬儀器產(chǎn)生于 20 世紀(jì) 80 年代，它是由計算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代測試技術(shù)和微電子技術(shù)高速發(fā)展而孕育的一項革命性技術(shù)，它把標(biāo)準(zhǔn)化總線、網(wǎng)絡(luò)化及軟件化作為自己的發(fā)展目標(biāo)和方向，極其符合未來測試與儀器技術(shù)發(fā)展的要求。與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器充分利用計算機(jī)系統(tǒng)資源，通過計算機(jī)總線與外圍通用硬件設(shè)備構(gòu)筑了功能更豐富、處理速度更快、測量效率更高、可擴(kuò)展性更好的儀器系統(tǒng)。近年來，虛擬儀器在測試、控制等領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用，成為重點的儀器技術(shù)研究對象。 虛擬儀器的概念所謂虛擬儀器(VirtualInstent，簡稱 VI)，就是用戶在通用計算機(jī)平臺上，根據(jù)需求定義和設(shè)計儀器的測試功能，使得使用者在操作計算機(jī)時，就像是在操作他自己設(shè)計的測試儀器一樣。虛擬儀器概念的出現(xiàn)，打破了傳統(tǒng)儀器由廠家定義功能的工作模式，使得用戶可以根據(jù)自己的要求，設(shè)計自己的儀器系統(tǒng)。在測試系統(tǒng)和儀器設(shè)計中盡量用軟件代替硬件，充分利用計算機(jī)技術(shù)來實現(xiàn)和擴(kuò)展傳統(tǒng)測試系統(tǒng)與儀器的功能。 “軟件就是儀器”是虛擬儀器概念最簡單，也是最本質(zhì)的表述。虛擬儀器是現(xiàn)代計算機(jī)軟件技術(shù)、通信技術(shù)和測量技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它使得人類的測試技術(shù)進(jìn)入了一個新的發(fā)展紀(jì)元。虛擬儀器將計算機(jī)資源和儀器硬件、DSP 技術(shù)結(jié)合，在系統(tǒng)內(nèi)共享軟硬件資源，既有普通儀器的功能，又有一般儀器沒有的特殊功能。利用虛擬儀器技術(shù)建立的測試系統(tǒng)提高了測量精度、測量速度，減少了開關(guān)、電纜，系統(tǒng)易擴(kuò)充、易修改，使得測試系統(tǒng)體積小、靈活方便、成本低、效率高，成為現(xiàn)代測試系統(tǒng)發(fā)展的主流。虛擬儀器沒有常規(guī)儀器的控制面板，而是利用計算機(jī)強(qiáng)大的圖形環(huán)境，在計算機(jī)屏幕上建立圖形化的虛擬面板來代替常規(guī)的儀器控制面板。軟面板上具有與實際儀器相似的旋鈕、開關(guān)、指示燈及其它控制部件。用戶通過鼠標(biāo)或鍵盤操作虛擬面板，檢驗儀器的通信和操作。在系統(tǒng)集成后，對被測對象進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、分析、存儲、顯示，組建自己所需要的儀器。用戶不必要編寫測試文本程序，即可進(jìn)行測試、測量，實現(xiàn)了測試和自動化、智能化，體現(xiàn)了“軟件就是儀器” 。如今，隨著電測技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，儀器技術(shù)必將沿著虛擬儀器方向發(fā)展。內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文）6 虛擬儀器的特點虛擬儀器是計算機(jī)技術(shù)介入儀器領(lǐng)域所形成的一種新型的、富有生命力的儀器種類。在虛擬儀器中計算機(jī)處于核心地位，計算機(jī)軟件技術(shù)和測試系統(tǒng)更緊密