【正文】 虛擬儀器的概念 所謂虛擬儀器 (Vnrtual Inshument，簡稱 VI)，就是用戶在通用計(jì)算機(jī)平臺上，根據(jù)需求定義和設(shè)計(jì)儀器的測試功能，使得使用者在操作計(jì)算機(jī)時，就像是在操作他自己設(shè)計(jì)的測試儀器一樣。 檢定 爐溫度 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路及方案，對系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺進(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，及各個子模塊設(shè)計(jì)過程 ； 系統(tǒng)運(yùn)行檢驗(yàn)，并對所做工作進(jìn)行了總結(jié)，對未來的研究作了展望。其缺點(diǎn)是成本高，體積大，檢定系統(tǒng)會占用一定的微機(jī)資源 。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。近幾年來，在國家大力扶持下，一些技術(shù)先進(jìn)的儀器儀表廠家逐漸興起，國內(nèi)對 檢定爐溫度控制 技術(shù)的研究正處于百家爭鳴的時代，所研制的檢定設(shè)備也層出不窮，花樣不斷翻新。 目前無論國內(nèi) 還是國外，都對 行 業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化有了足夠的重視，但在我國畢竟起步較晚，對計(jì)量技術(shù)自動化和標(biāo)準(zhǔn)化的建 設(shè)才剛剛開始，介紹國外計(jì)量行業(yè)檢定技術(shù)的材料寥寥無幾。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。 熱電偶的檢定需要人工手動控溫、手動檢測，不但檢定過程時間長，人員勞動強(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。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，這對操作人員的能力要求非常高。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。近 40 年來，在發(fā)展新型熱電偶材料方面取得了不少成績。 第三階段為 60 年代至今。研究方法除了配對法外，還出現(xiàn)了一種新方法 —— 比較法。在此期間，由 于沒有理論指導(dǎo)和經(jīng)驗(yàn)可循，人們對熱電偶材料的研究和當(dāng)年塞貝克一樣，全靠摸索。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]。virtual intrument。由于 LabVIEW 的開放性和圖形化編程方式，溫度計(jì)量工程師只需 懂得一些基本編程知識，便可以對計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 基于虛擬儀器的檢定爐溫度控制系統(tǒng) 摘 要 熱電偶 在使用過程中由于受到測量環(huán)境、介質(zhì)氣氛、使用溫度以及絕緣材料和保護(hù)管材料的站污等影響，使用一段時間后，其熱電特性會發(fā)生變化，尤其是在高溫、腐蝕性氣氛以及特殊工況下，這種影響就更 為嚴(yán)重。因此，本文提出了基于 LabVIEW 平臺的 熱電偶 檢定爐溫度 自動 控制 系統(tǒng)。LabVIEW。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)歷了三個不同的階段。采用的方法為配對法，即將感興趣的待試材料直接配成熱電偶，實(shí)測了近 300 種熱電偶品種。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，測定這些熱電偶的熱電勢 —— 溫度特性曲線。這個時期的特點(diǎn)是除了對材料性能和測試方法的研究很重視外，還十分重視對熱電偶回路的基本理論及其應(yīng)用的研究。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)對測溫的要求，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，以提高測溫精度，擴(kuò)大測溫范圍，延長使用壽命。爐溫變化與爐內(nèi)總發(fā)熱量和總散熱量等情況有關(guān)。同時，檢定過程中數(shù)據(jù)的記錄也是采用手工方式，由于檢定耗時較長，在記錄過程中溫度往往已經(jīng)偏離了檢定點(diǎn)，并且對檢定結(jié)果的處理運(yùn)算量非常巨大。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]。第一個溫度點(diǎn) 檢定完成后，自動轉(zhuǎn)入第二個溫度點(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) 。對國外先進(jìn)檢 定設(shè)備的了解，只能靠 已 見刊的測量設(shè)備來推測。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。 (2)通用微型計(jì)算機(jī)型。 本設(shè)計(jì)的任務(wù)和要求 本文以檢定爐為研究對象，針對檢定爐的溫度，在比較研究不同控制策略的基 礎(chǔ)上，主要對虛擬儀器在檢定 爐溫度控制中的應(yīng)用進(jìn)行了研究。 檢定爐具有高度非線性、大時滯、大慣性、時變性等特點(diǎn)，應(yīng)用傳統(tǒng)的 PID 控制雖然結(jié)構(gòu)簡單、容易實(shí)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。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)。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，人們逐漸意識到，可以把儀器的信號分析和處理、結(jié)果的表達(dá)與輸出功能轉(zhuǎn)移給計(jì)算機(jī)來完成。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、測量效率更高、可擴(kuò)展性更好的儀器系統(tǒng)。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，以及自動化技術(shù)向智能自動化技術(shù)的發(fā)展成為一種必然的趨勢 [8]。 (2)第二代分立元件式儀器。這類儀器目前相當(dāng)普遍，如數(shù)字電壓表、數(shù)字頻率計(jì)等。其缺點(diǎn)是它的功能塊都以硬件 (或固化的軟件 )的形式存在，無論是針對開發(fā)還是 針對應(yīng)用，都缺乏靈活性。采用虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建的測試儀器，具有開發(fā)效率高、可維護(hù)性強(qiáng)、測試精度高、穩(wěn)定性和可靠性好等優(yōu)點(diǎn)，因此具有較高的性能價格比，便于節(jié)省投資、設(shè)備更新和功能轉(zhuǎn)換與擴(kuò)充。 I/O 接口設(shè)備主要完成信號的采集、放大、模 /數(shù)轉(zhuǎn)換等。 PCI 總線具有即插即用功能，能夠自動配置參數(shù)并支持 PCI總線擴(kuò)展板，使用方便。 (3)VXI 總線虛擬儀器 ： VXI(VME Bus Extensions for Instrumentation)總線支持即插即用，人機(jī)界面良好，資源利用率高，容易實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成，大大地縮短了研制周期，且便于升級和擴(kuò)展。 PXI 系統(tǒng)易于集成與使用，從而降低用戶的開發(fā)費(fèi)用，所以在數(shù)據(jù)采集、工業(yè)自動化系統(tǒng)和圖像處理等方面獲得了廣泛應(yīng)用。另外 它可以實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵設(shè)備的資源共享，減少了成本。虛擬儀器軟件由兩大部分構(gòu)成 :應(yīng)用程序和 1/0 接口儀器驅(qū)動程序。傳統(tǒng)儀器面板只有一個，其上布置著種類繁多的顯示與操作元件，容易導(dǎo)致許多識別與操作錯誤。 表 21虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較 虛擬儀器 傳統(tǒng)儀器 開發(fā)和維護(hù)費(fèi)用低 開發(fā)和維護(hù)開銷大 技術(shù)更新周期短（ 1~2 年） 技術(shù)更新周期長（ 5~10） 軟件是關(guān)機(jī)，系統(tǒng)性能升級方便，通過網(wǎng)絡(luò)下載升級即可 硬件是關(guān)鍵，升級成本高 價格低廉，儀器資源可重復(fù)利用率高 價格一般較昂貴， 儀器資源可重復(fù)利用率低 可通過網(wǎng)絡(luò)連接其他儀器，實(shí)現(xiàn)資源共享或協(xié)同工作 功能一般比較單一，只能連接有限的獨(dú)立設(shè)備 開放性好，比較靈活， 可與計(jì)算機(jī)技術(shù)保持同步發(fā)展 開放性差，利用新技術(shù)為自己服務(wù)速率低 用戶可自定義 功能，并且可以根據(jù)實(shí)際情況更改 只有廠商定義功能，并且一旦定義好了，就難以更改 從表 (21)可以看出與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器具有絕對的優(yōu)勢。硬件部分可以是插入式主板、外圍儀器，或者兩者的結(jié)合。這些技術(shù)上的進(jìn)步，再加上操作系統(tǒng)功能和計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)方面的發(fā)展，己經(jīng)使得個人電腦具有并行處理的能力，從而可以成為更加先進(jìn)的儀器和數(shù)據(jù)采集應(yīng)用程序的平臺。尤其在科研、開發(fā)、測量、檢測、計(jì)量、測控等領(lǐng)域更是不可多得的好工具。它集成方便不但可以和高速數(shù)據(jù)采集設(shè)備構(gòu)成自動測量系統(tǒng)，而且可以和控制設(shè)備構(gòu)成自動控制系統(tǒng) [14]。 (1)工業(yè)自動化 我國工業(yè)基礎(chǔ)比較落后，工業(yè)自動化程度遠(yuǎn)不能滿足市場經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的要求。虛擬儀器設(shè)計(jì)所采用的圖形化編程語言，十分適合工程師應(yīng)用，有利于提高企業(yè)自主開發(fā)和管理項(xiàng)目的能力，降低工業(yè)自動化技術(shù)改造的成本。由于工業(yè)基礎(chǔ)比較落后，我國的儀器制造，尤其是高性能科學(xué)儀器的制造還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足國防和經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)展的需要。采用虛擬儀器技術(shù)，將過去的儀器中許多靠硬件來完成實(shí) 現(xiàn)的功能用軟件來代替，利用商品化的數(shù)據(jù)采集和 PC技術(shù)，完全可以開發(fā)出各行各業(yè)急需的各種測量儀器，縮短我國與世界先進(jìn)國家在儀器領(lǐng)域的差距。利用虛擬儀器技術(shù)，我們可以設(shè)計(jì)出與實(shí)際儀器在原理、功能和操作等方面完全一樣的全軟 件虛擬儀器。它把復(fù)雜的語言編程簡化成用圖形編程的方式，為編程的調(diào)試提供了簡單方便的環(huán)境，同時集成了大量的生成圖形界面的模塊，豐富的數(shù)值分析與處理功能。它集成了GPIB, VXI, PXI, RS232 和 RS485 協(xié)議以及數(shù)據(jù)采集卡通訊的全部功能，還內(nèi)置了便于應(yīng)用 TCP/IP, ActiveX 等軟件標(biāo)準(zhǔn)的庫函數(shù)。前面板是 LabVIEW程序的圖形用戶接口，此接口集成了用戶輸入，并顯示程序的輸出，相當(dāng)于傳統(tǒng)儀器的面板。 LabVIEW 是一個面向最終用戶的工具，它可以增強(qiáng)用戶構(gòu)建自己的科學(xué)和工程系統(tǒng)的能力，提供了實(shí)現(xiàn)儀器編程和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的便捷途徑，使用它進(jìn)行原理研究、設(shè)計(jì)、測試并實(shí)現(xiàn)儀器系統(tǒng)時，可以大大提高工作效率，其主要特點(diǎn)可歸納為如下幾點(diǎn) : (1)簡單的方案即使沒有多少編程經(jīng)驗(yàn)，仍可以方便的使用 LabVIEW，因?yàn)樗褂谩八娂此谩钡目梢?化技術(shù)建立人機(jī)界面，提供大量的儀器面板中的控制對象。 (3)方便的程序調(diào)試具有一些專用程序開發(fā)箱，可以在源代碼中設(shè)置斷點(diǎn)，單步執(zhí)行源代碼，高亮顯 示，連線上設(shè)置探針，動態(tài)執(zhí)行程序，觀察程序運(yùn)行過程中數(shù)據(jù)流的變化。此外， LabVIEW 還可以生成在沒有 LabVIEW 編程環(huán)境的目標(biāo)機(jī)器上運(yùn)行可執(zhí)行的代碼。 (6)開放的平臺提供的 DLL 接口和 CIN 接口節(jié)點(diǎn)，使用戶能在它的平臺上使用其它應(yīng)用軟件編譯的模塊，能調(diào)用 C語言程序、 Matlab 程序及已存在的 DLL 庫函數(shù)，是一個開放的平臺 [19]。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 尤其要提及的是在 NI公司的 LabVIEW 這個開發(fā)平臺上，應(yīng)用 NI的技術(shù)，虛擬儀器網(wǎng)絡(luò)化也成為了現(xiàn)實(shí)。盡管現(xiàn)在 TCP/IP DDE等技術(shù)可以現(xiàn)實(shí)應(yīng)用程序間數(shù)據(jù)共享，但是這些技術(shù)大多數(shù)都不適用于現(xiàn)場數(shù)據(jù)的傳輸，DataSocket 編程技術(shù)能夠非常有效地解決上述的問題。熱電偶是熱電偶溫度計(jì)的敏感元件，它測溫的基本原理是熱電效應(yīng)，又稱塞貝克效應(yīng) [21]。兩熱電極 A和 B的組合稱作熱電偶。非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶在使用范圍或數(shù)量級上均不及標(biāo)準(zhǔn)熱電偶，一般也沒有統(tǒng)一的分度表，主要用于某些特殊場合的測量，這里我們主要介紹標(biāo)準(zhǔn)熱電偶。二是在使用中往往會受到其他化學(xué)成分的影響而使得材料成分發(fā)生變化 。然而，在檢定過程中經(jīng)常會出現(xiàn)一些超出允許誤差的檢定偏差。而造成熱電極材料不均勻的主要原因有化學(xué)成分和物理狀態(tài)兩方面。 (4)材料的性質(zhì)改變。 物理狀態(tài) :(1)雜質(zhì)的存在。 (3)晶體結(jié)構(gòu)不均勻。該熱 電勢是由兩部分組成 :接觸電勢與溫差電勢 [24]。這個電勢在 A, B 接觸處形成一個靜電場，阻礙擴(kuò)散作用的繼續(xù) 進(jìn)行。 NAT 、 NAT0即導(dǎo)體 A在溫度分別為 T和 T0時的電子 密度， NBT、 NBT0即導(dǎo)體 B在溫度分別為 T 和 T0時的電子 密度。因而，在同一導(dǎo)體兩端便產(chǎn)生電位差，并阻止電子從高溫端向低溫端擴(kuò)散，最后使電子擴(kuò)散達(dá)到動態(tài)平衡，此時所形成的電位差稱作溫差電勢。電子密度不僅取決于熱電偶材料特性，而且隨溫度的變化而變化，它們并非常數(shù)。其中包括外觀檢查和在規(guī)定的溫度點(diǎn)檢查其熱電動勢的量值大小和穩(wěn)定程度是否符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，熱電偶的檢定步驟和檢定周期按國家計(jì)量部門制訂的檢定規(guī)程進(jìn)行。總之，我國的 檢定 爐的控制設(shè)備的 現(xiàn)狀不容樂觀，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 [26]。將熱電偶束插入爐膛內(nèi)，并把熱電偶的冷端引入零度恒溫器內(nèi)。 檢定爐溫度 控制過程的總體設(shè)計(jì) 檢定爐溫度控制的選擇 PID控制器是最早發(fā)展起來的控制策略之一，具有結(jié)構(gòu)簡單、容易實(shí)現(xiàn)、控制簡單效果好、魯棒性強(qiáng)等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)過程控制，尤其適用于可建立精確數(shù)學(xué)模型的確定性控制系統(tǒng)，在工業(yè)過程控制中至今仍得到廣泛應(yīng)用 (有資料表明在 90%以上 )。 PID 控制在生產(chǎn)過程中是一種被 普遍采用的控制方法，是一種比例、積分、微分并聯(lián)控制器。 在圖 的基礎(chǔ)上分析一下 PID控制器各校正環(huán)節(jié)的作用 。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時間常數(shù) Ti，時間常數(shù)越大積分作用越弱，反之越強(qiáng)。 在計(jì)算機(jī)直接數(shù)字控制系統(tǒng)中， PID 控制器是通過計(jì)算機(jī) PID 控制算法程序?qū)崿F(xiàn)的。首先把一個復(fù)雜的系統(tǒng)分解成為若 干 相對獨(dú)立的、簡單的、容易實(shí)現(xiàn)的幾個部分，再分別把這些部分分解成實(shí)現(xiàn)不同具體功能 的模塊，采用模塊化設(shè)計(jì)的思想，分別設(shè)計(jì)各個模塊，完成后再進(jìn)行綜合而形成整個系統(tǒng)。如果只要對系統(tǒng)中硬件部分或軟件部分作一定的修改，系統(tǒng)的功能就會得到加強(qiáng)或者增加一些新的功能，那么該系統(tǒng)就具有良好的可擴(kuò)展性。在滿足性能指標(biāo)的前提下，應(yīng)盡