【正文】 trol , thus it is difficult to achieve good control effect。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(duì)控溫精度要求的提高，測(cè)溫范圍也隨之變廣，因此溫度控制技術(shù)的研究是一個(gè)重要的研究課題。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(duì)被控對(duì)象中的非線性、時(shí)變性及隨機(jī)干擾無(wú)能為力。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)。按傳熱方式，電阻爐分為輻射式電阻爐和對(duì)流式電阻爐。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℃。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。對(duì)于品種單一、批料量大的物料，宜采用連續(xù)式爐加熱。這些溫度控制方法大都是在工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)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?？刂凭纫蕾囉谠囼?yàn)者的調(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。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(jiǎn)單易懂的控制界面，能夠?qū)崟r(shí)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(diǎn)，很容易適應(yīng)各種溫度控制系統(tǒng)。(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。(6)電阻爐溫度控制系統(tǒng)軟件整體設(shè)計(jì)方案，及各個(gè)子模塊設(shè)計(jì)過程?；诒敬卧O(shè)計(jì)的局限性，該論文使用虛擬儀器設(shè)計(jì)用戶界面和數(shù)據(jù)采集功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)電阻爐溫度的實(shí)時(shí)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(diǎn)。 虛擬儀器的概念所謂虛擬儀器(VirtualInstent，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。軟面板上具有與實(shí)際儀器相似的旋鈕、開關(guān)、指示燈及其它控制部件。如今，隨著電測(cè)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。虛擬儀器特點(diǎn)可以歸結(jié)為以下四個(gè)方面：(l)豐富和增強(qiáng)了傳統(tǒng)儀器的功能。(3)儀器由用戶自己定義。(5)便于構(gòu)成復(fù)雜的測(cè)試系統(tǒng)，經(jīng)濟(jì)性好。它充分利用PC 機(jī)豐富的軟硬件資源快速建立數(shù)據(jù)采集應(yīng)用系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)采集卡從外界采集各種信號(hào)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)存儲(chǔ)、實(shí)時(shí)顯示及離線分析。其中，I/O 接口設(shè)備完成被測(cè)信號(hào)的采集、放大、模/數(shù)轉(zhuǎn)換等。采用 PCI 計(jì)算機(jī)本身的總線，故將數(shù)采卡(DAQ)插入計(jì)算機(jī)的空槽中即可。⑤串口系統(tǒng):以 Serial 標(biāo)準(zhǔn)總線儀器與計(jì)算機(jī)為儀器硬件平臺(tái)組成的虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)。虛擬儀器的核心是軟件，軟件開發(fā)平臺(tái)的水平在很大程度上代表了虛擬儀器的水平。這些軟件開發(fā)平臺(tái)提供了強(qiáng)大的儀器軟面板設(shè)計(jì)工具和各種數(shù)據(jù)處理工具，再加上虛擬儀器硬件廠商提供的各種硬件驅(qū)動(dòng)程序模塊，大大地簡(jiǎn)化了虛擬儀器設(shè)計(jì)工作。LabVIEW 是一個(gè)帶有擴(kuò)展功能庫(kù)和子程序庫(kù)的通用程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)。LabVIEW 的程序包括前面板(FrontPanel)、流程圖(BlockDiagram)以及圖標(biāo)/連接器三部分。此外，LabVIEW 按其易用的方式將復(fù)雜的任務(wù)包裝起來，從而使復(fù)雜任務(wù)得到簡(jiǎn)化。(4)完整的開發(fā)環(huán)境 LabVIEW 軟件包中包含了功能強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集、分析和表達(dá)的能力，使用戶可以在該平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的解決方案。(5)快速開發(fā)的 LabVIEW 為用戶提供了實(shí)現(xiàn)儀器編程和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的便捷途徑。內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文）9 LabVIEW 的程序構(gòu)成LabVIEW 的程序由前面板(frontpanel)和流程圖(bloekdiagram)兩部分組成，整個(gè)程序是基于多線程的設(shè)計(jì)，前面板和流程圖各占用一個(gè)線程。在流程圖中對(duì) VI 進(jìn)行編程，以控制和操作定義在前面板上的輸入和輸出功能。虛擬儀器與之不同，它可以通過在幾個(gè)分面板上的操作來實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的功能。決定虛擬儀器具有傳統(tǒng)儀器不可能具有的特點(diǎn)的根本原因在于“虛擬儀器的關(guān)鍵是軟件” 。在任何一種情況下，軟件界面可按照用戶的需求進(jìn)行設(shè)計(jì)，以使用戶操作方便和快捷。然而，技術(shù)的進(jìn)步是以復(fù)雜性的提高為代價(jià)的，比起使用具有類似功能的一臺(tái)獨(dú)立儀器，用戶必須具備更多有關(guān)硬件方面的知識(shí)。虛擬儀器技術(shù)先進(jìn)，十分符合國(guó)際上流行的“硬件軟件化”的發(fā)展趨勢(shì)，因而常被稱作“軟件儀器” 。虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用方式多種多樣，下面主要針對(duì)虛擬儀器技術(shù)在工業(yè)自動(dòng)化，儀器制造和實(shí)驗(yàn)室方面的應(yīng)用前景和效益進(jìn)行分析。許多生產(chǎn)第一線的工程師熟悉設(shè)備與工藝流程，但是不具備程序員的專門編程能力，往往控制系統(tǒng)軟件使交給研究人員或大學(xué)程序員編寫的軟件設(shè)計(jì)與使用脫節(jié)。儀器產(chǎn)業(yè)改造。目前，像數(shù)字示波儀，頻譜分析儀和邏輯分析儀等中高檔儀器還依賴于進(jìn)口。這是采用高新技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的一個(gè)大有可為的領(lǐng)域。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。從日本的 Honda 汽車測(cè)試、澳洲的心臟起搏器設(shè)計(jì)/驗(yàn)證，到英國(guó)電信電話線路性能測(cè)試，全世界數(shù)以萬(wàn)計(jì)的工程師和科學(xué)家們都在使用 NI 的產(chǎn)品達(dá)到他們共同的目的——更快、更好、更省錢。虛擬儀器網(wǎng)絡(luò)化是指將工作于試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的虛擬儀器通過網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展到遠(yuǎn)程應(yīng)用領(lǐng)域。盡管現(xiàn)在有 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(chǎng)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。經(jīng)比較，取 m=0，n=2 時(shí)所獲得的傳遞函數(shù) ()52 143()9 061GSss???作為系統(tǒng)的模型。首先必須承認(rèn)辨識(shí)得到的模型只能是近似的，不能期望會(huì)找到一個(gè)和實(shí)際過程完全一致的模型，如果模型的特性和實(shí)際過程基本一致，那么就認(rèn)為模型是滿意的；檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臉?biāo)準(zhǔn)應(yīng)該是模型的實(shí)際應(yīng)用效果。得出了比例(P)控制下系統(tǒng)處于無(wú)法穩(wěn)定收斂的振蕩狀態(tài)時(shí)，仿真結(jié)果與實(shí)際控制結(jié)果比較得出了一階慣性加純滯后模型內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文）16 ()150()8sGse???和 m=3，n=4 時(shí)的多項(xiàng)式模型： ()13 8 24 .75. 10. 3()4705681ssss?????圖 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖這兩種情況與實(shí)際情況接近。在輸出端（冷端）溫度恒定的情況下，熱電偶的輸出電勢(shì)隨著熱端的溫度增高而增大， 熱電勢(shì)的大小只與二支電極的材料及熱電偶兩端的溫差有關(guān)，而與電極的長(zhǎng)度，直徑，氣壓和空氣濕度等無(wú)關(guān)。由于冷端溫度變化而導(dǎo)致電橋輸出電壓的變化，熱電勢(shì)相反，而大小則取決于熱電偶冷端作為工作端，而零度作為自由端時(shí)輸出電壓值，從而達(dá)到冷端溫度補(bǔ)償?shù)淖饔谩６唐诳梢杂糜谡婵諟y(cè)溫6008008001700401100401300鎳鉻鑷硅 鎳鉻鑷鋁K 用于氧化和中性氣氛中測(cè)溫，但偶絲直徑不同，其測(cè)溫范圍200℃到 1300℃，不推薦在還原氣氛中使用。上述傳感器溫度的變化一般表現(xiàn)為電壓的變化，因而不宜在有強(qiáng)電磁干擾環(huán)境中實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳送，采用溫度變送器價(jià)格又昂貴，但是半導(dǎo)體集成溫度傳感器可以解決這類問題。并且所用的元器件少，性能優(yōu)良，精度高，具有先進(jìn)水平。本系統(tǒng)采用 級(jí)內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文）19K 型熱電偶。因此，傳統(tǒng)補(bǔ)償方法在很多場(chǎng)合己經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)代測(cè)溫的要求。LabVIEW 軟件開發(fā)系統(tǒng)是用工程人員所熟悉的術(shù)語(yǔ)和圖形化符號(hào)代替常規(guī)的文本語(yǔ)言編程，界面友好，操作方便，可大大縮短系統(tǒng)的開發(fā)周期和開發(fā)人員的負(fù)擔(dān)，使其將主要精力集中投入到系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，而不再是具體軟件細(xì)節(jié)的推敲上。通過取樣電阻將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為前 置 放 大AD590 濾 波前 置 放 大 數(shù) 據(jù) 采集 卡 PC基 于LABVIE熱 電 偶 測(cè)溫 儀熱 電 偶內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文）20電壓信號(hào)，經(jīng)放大后，由數(shù)據(jù)采集卡采集進(jìn)入 PC。運(yùn)行測(cè)溫軟件，設(shè)定溫度值為 100℃+n X△t ，△t=5℃ ， n=0， 1，2……18，每隔一段時(shí)間，按下前面板的“顯示結(jié)果”按鍵進(jìn)行測(cè)量。 偶測(cè)溫誤差分析一、插入深度。為了解決這種由熱傳導(dǎo)引起的誤差，必須保證熱電偶有足夠的插入深度，而插入深度又與保護(hù)管材質(zhì)有關(guān)。公稱通徑大于 250mm 時(shí)，插入深度宜為 100mm，一般流體介質(zhì)管道的外徑小于等于 5 0 0mm 時(shí)，插入深度宜為管道外徑的 1/2 外徑大于 500mn 時(shí)，插入深度宜為300mm。接觸法測(cè)溫的基本原理是測(cè)溫元件要與被測(cè)對(duì)象達(dá)到熱平衡。對(duì)于溫度不斷變化的被測(cè)場(chǎng)所，尤其是瞬間變化過程，整個(gè)過程僅1 秒鐘，則要求傳感器的響應(yīng)時(shí)間在毫秒級(jí)。在高溫下使用的熱電偶，如果被測(cè)介質(zhì)為氣態(tài)，那么保護(hù)管表面沉積的灰塵等將燒熔在表面上，使保護(hù)管的熱阻抗增大；如果被測(cè)介質(zhì)是熔體，在使用過程中將有爐渣沉積，不僅增加熱電偶的響應(yīng)時(shí)間，而且還使指示溫度偏低。由金屬或合金構(gòu)成的熱電偶，在高溫下其內(nèi)部晶粒要逐漸長(zhǎng)大，合金中含有少量雜質(zhì)，其位置或形狀也將發(fā)生變化，而且，對(duì)周環(huán)環(huán)境中的還原或氧化性氣體也要發(fā)生反應(yīng)。因此，在注意控制各種熱電偶測(cè)溫條件的同時(shí)，也要定期對(duì)熱電偶進(jìn)行檢定。PID 控制算式是一種在工業(yè)控制中廣泛運(yùn)用的控制策略。但是考慮到本軟件所具有的特點(diǎn)：對(duì)象比較簡(jiǎn)單，非線性程度不高，大多數(shù)不具有時(shí)變性和模糊不確定性，而且設(shè)備的投資成本要求較低，比較適合采用常規(guī) PID 控制，故本課題中的 PID 控制算式就確定為虛擬儀器結(jié)合常規(guī)的 PID 控制算式。智能控制是控制理論發(fā)展的高級(jí)階段，是控制論、系統(tǒng)論、信息論和人工智能等多門學(xué)科交叉和綜合的產(chǎn)物，主要用來解決那些用傳統(tǒng)方法難以解決的復(fù)雜系統(tǒng)的控制。PID 控制是最早發(fā)展起來的控制策略之一，由于其算法簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)和內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文）24可靠性高，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)。 “智能控制”一詞在 1967 年 Leondes 和 Mendel 在他們的“人工智能控制”技術(shù)報(bào)告中正式使用，智能控制是一門新興的理論和技術(shù)，目前關(guān)于智能控制的定義、理論、結(jié)構(gòu)等尚無(wú)統(tǒng)一的系統(tǒng)描述，1993 年美國(guó) IEEE 控制系統(tǒng)學(xué)會(huì)智能控制技術(shù)委員會(huì)邀請(qǐng)成立一個(gè)專家小組，目的在于描述智能控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，對(duì)“智能控制”一詞進(jìn)行定義。智能控制的對(duì)象通常存在嚴(yán)重的不確定性，其不確定性是指模型未知或知之甚少以及模型的結(jié)構(gòu)和參數(shù)可能在很大范圍內(nèi)變化。傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)控制任務(wù)要求比較單一，智能控制系統(tǒng)可以完成復(fù)雜的任務(wù)要求。二、適應(yīng)功能。智能控制的方法很多，包括專家控制、神經(jīng)控制、模糊控制、基于模式識(shí)別的智能控制、多模變結(jié)構(gòu)智能控內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文）25制、仿人智能控制等，現(xiàn)介紹主要的三種智能控制方法——專家控制、神經(jīng)控制、模糊控制。二、推理機(jī)制——按照類似專家水平的問題求解方法，調(diào)用知識(shí)庫(kù)中的條目進(jìn)行推理、判斷和決策。二、在線控制的實(shí)時(shí)性。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）是近幾十年發(fā)展的一門新興的交叉學(xué)科，所謂“人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。四、使用的靈活性及維護(hù)的方便性。專家控制系統(tǒng)不同于離線的專家系統(tǒng)，其不僅是獨(dú)立的決策者，而且是具有獲得反饋信息并能實(shí)時(shí)在線控制的系統(tǒng)。因而，專家系統(tǒng)是一種人工智能的計(jì)算機(jī)程序系統(tǒng)，這些程序軟件具有相當(dāng)于某個(gè)專門領(lǐng)域的專家的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)水平，以及解決專門問題的能力。三、組織功能。智能控制是一類無(wú)需人的干預(yù)就能獨(dú)立驅(qū)動(dòng)智能機(jī)械而實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)的自動(dòng)控制， “智能”一詞是對(duì)系統(tǒng)的自動(dòng)化程度、范圍及所能完成復(fù)雜控制任務(wù)的功能的表征，一般智能控制系統(tǒng)的功能包括以下三點(diǎn)：一、學(xué)習(xí)功能。在傳統(tǒng)的控制理論中，線性理論比較成熟，而非線性理論很不成熟，非線性控制方法也比較復(fù)雜，采用智能控制方法可以較好的解決非線性系統(tǒng)的控制問題。通常這種智能要求具有感知環(huán)境、作出決策和控制動(dòng)作的能力，更高的智能還包括認(rèn)識(shí)目標(biāo)和事件用語(yǔ)言模型代表知識(shí)，對(duì)未來作出推理和計(jì)劃。隨著微機(jī)技術(shù)和智能控制理論的發(fā)展，出現(xiàn)了許多新型 PID 控制器，例如模糊 PID、神經(jīng) PID、預(yù)測(cè) PID 等，對(duì)于復(fù)雜對(duì)象，其控制效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過常規(guī) PID 控制。PID 控制是在連續(xù)生產(chǎn)過程控制中，將偏差的比例(Proportional)、積分(Integral)、微分(Derivative)通過線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行控制。傳統(tǒng)的控制技術(shù)是以經(jīng)典控制理論或現(xiàn)代控制理論為基礎(chǔ)發(fā)展起來的，具有原理簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)容易、技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)控制中具有重要作用，其中 PID 控制是傳統(tǒng)控制中的經(jīng)典控制方式之一。實(shí)際上，大多數(shù)的工業(yè)過程都不同程度的存在著非線性、參數(shù)時(shí)變性和模糊不確定性，而傳統(tǒng)的 PID 控制主要是控制具有確定模型的線性過程，因此常規(guī) PID 控制不具有在線整定參數(shù)的能力，其控制效果就不是十分理想。內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文）22內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文）23第四章 PID 控制算法簡(jiǎn)介在測(cè)控系統(tǒng)中，被控量和操縱量確定之后，就可以根據(jù)對(duì)象的特性和對(duì)控制質(zhì)量的要求，選擇控制器的控制作用，由控制器按規(guī)