【正文】 ................. 34 PID 控制程序圖 .............................................................................................. 34 系統(tǒng)驗(yàn)證子 VI .......................................................................................................... 34 數(shù)據(jù)采集模塊子 VI .................................................................................................. 35 檢定爐溫度延時(shí)設(shè)定子 VI ...................................................................................... 37 檢定爐溫度報(bào)警子 VI .............................................................................................. 38 總系統(tǒng) VI .................................................................................................................. 39 總結(jié) .......................................................................................................................................... 40 參考文獻(xiàn) .................................................................................................................................. 41 附錄 A 程序前面板 ................................................................................................................. 43 附錄 B 程序圖后面板 .............................................................................................................. 44 致謝 .......................................................................................................................................... 45 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 第一章 緒論 研究背 景 熱電偶是目前工業(yè)生產(chǎn)過程中應(yīng)用最廣泛的溫度測(cè)量?jī)x器之一，其工作原理是將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電勢(shì)信號(hào)，配以測(cè)量電勢(shì)信號(hào)的儀表，便可以實(shí)現(xiàn)溫度的測(cè)量或溫度信號(hào)的變換，具有性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、經(jīng)濟(jì)耐用、體積小和易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn) [1]。從 19 世紀(jì)發(fā)展至今已有一百多年歷史，現(xiàn)己被廣泛應(yīng)用于石油、化工、水利、航空、航天、核電等行業(yè)領(lǐng)域 [2]。從塞貝克發(fā)現(xiàn)熱電效應(yīng)算起，一百多年來，熱電偶發(fā)展的歷史大約經(jīng)歷了三個(gè)不同的階段。 第一階段為早期探索階段。時(shí)間從 1821 年起到第一次世界大戰(zhàn)，經(jīng)歷了整整一個(gè)世紀(jì)。在此期間，由 于沒有理論指導(dǎo)和經(jīng)驗(yàn)可循，人們對(duì)熱電偶材料的研究和當(dāng)年塞貝克一樣，全靠摸索。采用的方法為配對(duì)法，即將感興趣的待試材料直接配成熱電偶，實(shí)測(cè)了近 300 種熱電偶品種。 第二階段為第一次世界大戰(zhàn)后 40 年。這個(gè)階段的特點(diǎn)是對(duì)材料熱電特性的研究十分重視。研究方法除了配對(duì)法外，還出現(xiàn)了一種新方法 —— 比較法。比較法的核心是選擇一種熱電性能穩(wěn)定，化學(xué)性能好的材料作標(biāo)準(zhǔn)電極，各種被試材料分別與標(biāo)準(zhǔn)電極組成熱 電偶，測(cè)定這些熱電偶的熱電勢(shì) —— 溫度特性曲線。二次世界大戰(zhàn)前后，熔鋼溫度測(cè)定問題曾經(jīng)是推動(dòng)熱電偶材料發(fā)展的強(qiáng)大動(dòng)力。 幾十年來，對(duì)煉鋼過程的精煉溫度、出鋼溫度、澆鑄溫度的測(cè)定和控制技術(shù)的探求，不僅推動(dòng)了對(duì)新型熱電偶材料的探索，而且促使對(duì)有關(guān)熱偶絲的站污、劣化變質(zhì)、高溫脆性和不均勻性等問題的研究日益深入。 第三階段為 60 年代至今。這個(gè)時(shí)期的特點(diǎn)是除了對(duì)材料性能和測(cè)試方法的研究很重視外，還十分重視對(duì)熱電偶回路的基本理論及其應(yīng)用的研究。在研究的方法中，除了傳統(tǒng)的配對(duì)法、比較法外，還出現(xiàn)了分析法。分析法是以現(xiàn)代熱電理論 (非平衡態(tài)熱力學(xué)、內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 量子力學(xué)應(yīng)用于熱電效應(yīng)的理論 )為指導(dǎo)，綜合冶金、物理、化學(xué)理論與經(jīng)驗(yàn)規(guī)律來進(jìn)行熱電偶合金的性能研 究和綜合設(shè)計(jì)。近 40 年來，在發(fā)展新型熱電偶材料方面取得了不少成績(jī)。愷裝熱電偶材料得到普遍推廣使用，產(chǎn)品規(guī)格和性能試驗(yàn)多己標(biāo)準(zhǔn)化 ， 隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展和各種尖端技術(shù)對(duì)測(cè)溫的要求，為了研制出能在極端條件下和特殊環(huán)境介質(zhì)中使用的新型熱電偶材料，改進(jìn)和提高現(xiàn)有熱電偶的精度和可靠性，國(guó)內(nèi)外投入不少人力物力進(jìn)行研究和開發(fā)，重點(diǎn)有兩方面 :其一，把熱電偶作為一種測(cè)溫儀 器，大力改進(jìn)熱電偶的結(jié)構(gòu)，檢定方法，安裝技術(shù)和性能試驗(yàn)，最大限度地發(fā)揮熱電溫度計(jì)的潛力和優(yōu)點(diǎn)；另一方面，把熱電偶作為一種特殊材料，研究其熱電性與化學(xué)組成、雜質(zhì)元 素、物理缺陷和表面狀態(tài)的關(guān)系，以提高測(cè)溫精度，擴(kuò)大測(cè)溫范圍，延長(zhǎng)使用壽命。 隨著時(shí)代的發(fā)展，熱電偶在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用越來越廣泛，而其測(cè)量結(jié)果是否準(zhǔn)確也成為我們十分關(guān)注的問題，所以對(duì)熱電偶進(jìn)行定期地檢定便非常重要 。在工業(yè)熱電偶檢定過程中，檢定爐的溫度控制的好壞對(duì)熱電偶檢定起關(guān)鍵作用。在實(shí)際系統(tǒng)中，爐溫問題是相當(dāng)復(fù)雜而又難以用數(shù)學(xué)公式精確描述的問題。爐溫變化與爐內(nèi)總發(fā)熱量和總散熱量等情況有關(guān)。 在傳統(tǒng)的熱電偶校驗(yàn)及檢定方式中，都沒有專用的設(shè)備，而是通過人工操作許多的檢定儀器，來實(shí)現(xiàn)對(duì)熱電偶的檢定。這就導(dǎo)致了許多檢 定儀器的利用率很低，而且接線非常繁雜。如：檢定爐溫度控制系統(tǒng)多采用模擬 PID 控制算法，需要人工調(diào)整并依據(jù)經(jīng)驗(yàn)做出判斷，這對(duì)操作人員的能力要求非常高。同時(shí)，檢定過程中數(shù)據(jù)的記錄也是采用手工方式，由于檢定耗時(shí)較長(zhǎng)，在記錄過程中溫度往往已經(jīng)偏離了檢定點(diǎn)，并且對(duì)檢定結(jié)果的處理運(yùn)算量非常巨大。這些因素造成的測(cè)量誤差已經(jīng)直接影響到溫度量值傳遞的準(zhǔn)確性。由于傳統(tǒng)的熱電偶檢定方式效率的低下而且精確度低，已無法滿足現(xiàn)代化企業(yè)對(duì)溫度計(jì)量上的需要，由此便給我們提出了新的研究課題：要求我們?cè)O(shè)計(jì)一套只需工作人員作簡(jiǎn)單設(shè)定和接線后，便 不再需要人參與，而由系統(tǒng)自動(dòng)完成對(duì)熱電偶檢定工作的內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 檢定系統(tǒng) [3]。 熱電偶的檢定需要人工手動(dòng)控溫、手動(dòng)檢測(cè)，不但檢定過程時(shí)間長(zhǎng)，人員勞動(dòng)強(qiáng)度大，而且原始數(shù)據(jù)量大，運(yùn)算處理較復(fù)雜，容易出錯(cuò)。檢定工作的低效率，大大影響了企業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量，影響工作的正常進(jìn)行 [4]。因此，隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，高效、準(zhǔn)確和可靠這些指標(biāo)已越來越成為熱電偶檢定工作的發(fā)展趨勢(shì)和需要。應(yīng)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行熱電偶自動(dòng)檢定與傳統(tǒng)的人工操作相比，具有工作效率高、節(jié)約能源 、 消除人為誤差、使測(cè)量結(jié)果更趨于真值等優(yōu)點(diǎn) [5]。利用 檢定爐溫度控制 系統(tǒng)進(jìn)行檢 定，只要將需要檢定的熱電偶放入檢定爐中，在計(jì)算機(jī)的提示下輸入有關(guān)參數(shù)后，系統(tǒng)根據(jù)要求實(shí)現(xiàn)升溫、恒溫等工作。第一個(gè)溫度點(diǎn) 檢定完成后，自動(dòng)轉(zhuǎn)入第二個(gè)溫度點(diǎn)，直至所有的被檢溫度點(diǎn)檢定完畢 ，最后系統(tǒng)根據(jù)要求打印 檢定數(shù)據(jù) 。由于在整個(gè)測(cè)試過程中不需要人工干預(yù)，可以大大提高測(cè)試精度、縮短人員的勞動(dòng)強(qiáng)度 [6]。由于具有以上優(yōu)點(diǎn)，所以 檢定爐溫度控制 系統(tǒng)是各計(jì)量部門、科研單位及有關(guān)工廠實(shí)現(xiàn)計(jì)量檢定和產(chǎn)品檢驗(yàn)自動(dòng)化的理想設(shè)備。 目前無論國(guó)內(nèi) 還是國(guó)外，都對(duì) 行 業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化有了足夠的重視，但在我國(guó)畢竟起步較晚，對(duì)計(jì)量技術(shù)自動(dòng)化和標(biāo)準(zhǔn)化的建 設(shè)才剛剛開始，介紹國(guó)外計(jì)量行業(yè)檢定技術(shù)的材料寥寥無幾。對(duì)國(guó)外先進(jìn)檢 定設(shè)備的了解，只能靠 已 見刊的測(cè)量設(shè)備來推測(cè)。總體上說，國(guó)外在控制 精度上發(fā)展較快 [7]。上個(gè)世紀(jì)末國(guó)內(nèi)電子儀器儀表市場(chǎng)幾乎完全被國(guó)外擁有先進(jìn)技術(shù)的產(chǎn)品所占領(lǐng)。近幾年來，在國(guó)家大力扶持下，一些技術(shù)先進(jìn)的儀器儀表廠家逐漸興起，國(guó)內(nèi)對(duì) 檢定爐溫度控制 技術(shù)的研究正處于百家爭(zhēng)鳴的時(shí)代，所研制的檢定設(shè)備也層出不窮，花樣不斷翻新。就調(diào)研和查閱所得的情況來看，可歸納為如下兩大類 ： (1)微處理器型。這種類型的檢定設(shè)備，是以各種各樣的微處理器為智能核心，自組專用 CPU 系統(tǒng)，將檢測(cè)、控制和數(shù)據(jù)處理等各項(xiàng)功能設(shè)計(jì)在一塊線路板上或一個(gè)機(jī)箱內(nèi)。其優(yōu)點(diǎn)是體積小，成本低，儀表自動(dòng)化程度高。其缺點(diǎn)是開發(fā)階段投資多，工作量大，內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 線路復(fù)雜，專業(yè)性強(qiáng)，技術(shù)難度高，而且在顯示及打印輸出方面功能有限，故不易推廣使用。 (2)通用微型計(jì)算機(jī)型。這種類型的熱電偶檢定設(shè)備，直接利用目前迅速發(fā)展的微機(jī)控制技術(shù)進(jìn)行開發(fā)，專門設(shè)計(jì)一個(gè)通信檢測(cè)接口，利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的智能控制和數(shù)據(jù) 處理功能，結(jié)合可視化操作界面和高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，配合鍵盤、鼠標(biāo)和打印機(jī)輸入輸出。其優(yōu)點(diǎn)是開發(fā)環(huán)境優(yōu)越，技術(shù)難度和工作量小，檢定精 度高，人機(jī)交互界面友好，功能齊全完善，故易于推廣使用。其缺點(diǎn)是成本高，體積大，檢定系統(tǒng)會(huì)占用一定的微機(jī)資源 。 本設(shè)計(jì)的任務(wù)和要求 本文以檢定爐為研究對(duì)象，針對(duì)檢定爐的溫度，在比較研究不同控制策略的基 礎(chǔ)上，主要對(duì)虛擬儀器在檢定 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 檢定 爐溫度的控制品質(zhì)，提高控制效果。本文主要 論述了 檢定爐溫度控制系統(tǒng)的課題目的、意義，溫度控制 系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況及本論文的主要內(nèi)容并對(duì)電阻爐溫度控制特點(diǎn)進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析 ； 介紹了虛擬儀器技術(shù)及本論文中用到的智能控制方法。 檢定 爐溫度 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路及方案，對(duì)系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺(tái)進(jìn)行選擇 ； 介紹 檢定 爐溫度控制系統(tǒng)硬件組成， 雙向可控硅 技術(shù)及建立控制對(duì)象數(shù)學(xué)建模 ； 檢定 爐溫度控制系統(tǒng)軟件整體設(shè)計(jì)方案，及各個(gè)子模塊設(shè)計(jì)過程 ； 系統(tǒng)運(yùn)行檢驗(yàn)，并對(duì)所做工作進(jìn)行了總結(jié)，對(duì)未來的研究作了展望。 檢定爐具有高度非線性、大時(shí)滯、大慣性、時(shí)變性等特點(diǎn)，應(yīng)用傳統(tǒng)的 PID 控制雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)，卻依賴于被控對(duì)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(duì)象，但要獲得好的控制效果需要有系統(tǒng)的先驗(yàn)知識(shí)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。虛擬儀器方便設(shè)計(jì)用戶內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 界面和數(shù)據(jù)采集功能， 通過傳統(tǒng) PID算法 實(shí)現(xiàn)對(duì) 檢定 爐溫度的實(shí)時(shí)控制并取得良好的控制效果， 是本文研究的重點(diǎn)。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 第二章 虛擬儀器概述 虛擬儀器的基本知識(shí) 虛擬儀器的概念 所謂虛擬儀器 (Vnrtual Inshument，簡(jiǎn)稱 VI)，就是用戶在通用計(jì)算機(jī)平臺(tái)上，根據(jù)需求定義和設(shè)計(jì)儀器的測(cè)試功能，使得使用者在操作計(jì)算機(jī)時(shí)，就像是在操作他自己設(shè)計(jì)的測(cè)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(jì)自己的儀器系統(tǒng)。在測(cè)試系 統(tǒng)和儀器設(shè)計(jì)中盡量用軟件代替硬件，充分利用計(jì)算機(jī)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)和擴(kuò)展傳統(tǒng)測(cè)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(jiǎn)單，也是最本質(zhì)的表述。 虛擬儀器是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)、通信技術(shù)和測(cè)量技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它使得人類的測(cè)試技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)新的發(fā)展紀(jì)元。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)特別是計(jì)算機(jī)的快速發(fā)展， CPU處理能力的增強(qiáng)，總線吞吐能力的提高以及顯示器技術(shù)的進(jìn)步，人們逐漸意識(shí)到，可以把儀器的信號(hào)分析和處理、結(jié)果的表達(dá)與輸出功能轉(zhuǎn)移給計(jì)算機(jī)來完成。這樣，可以利用計(jì)算機(jī)的高速計(jì)算能力和寬大的顯示屏更好地來完成原來的功能。 虛擬儀器的發(fā)展 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)儀器開始向計(jì)算機(jī)化的方向發(fā)展。虛擬儀器 ( Virtual Instrument，簡(jiǎn)稱 VI)是 20 世紀(jì) 90 年代提出的新概念，是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)、儀器技術(shù)以及其它新技術(shù)完美結(jié)合的產(chǎn)物。與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器充分利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源，通過計(jì)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(cè)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(cè)試、控制等領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。 智能控制自 20 世紀(jì) 70年代提出以來，一直是當(dāng)代科學(xué)技術(shù)中一個(gè)十分活躍和具有內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 挑戰(zhàn)性的 領(lǐng)域。而且由于智能控制融合了人工智能、自動(dòng)控制、運(yùn)籌學(xué)、計(jì)算機(jī)、信息處理和認(rèn)知科學(xué)等多種學(xué)科知識(shí)的一門新興交叉學(xué)科，有著極其廣闊的應(yīng)用前景。特別是由于信息技術(shù)與控制技術(shù)的飛速發(fā)展，促使控制系統(tǒng)向智能控制系統(tǒng)發(fā)展，以及自動(dòng)化技術(shù)向智能自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展成為一種必然的趨勢(shì) [8]。 追溯電子測(cè)量?jī)x