【正文】 、 機械 、 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 。 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、時變性及隨機干擾無能為力。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流式電阻爐。這種電阻爐可以把物料加熱到很高的溫度，例內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明 書（畢業(yè)論文） 2 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。控制精度依賴于試驗者的調(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內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明 書（畢業(yè)論文） 3 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) 。 (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)計方案，及各個子模塊設(shè)計過程。 基于本次設(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。 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時，就像是在操作 他自己設(shè)計的測試儀器一樣 。虛擬儀器是現(xiàn)代計算機軟件技術(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。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。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。虛擬儀器特點可以歸結(jié)為以下四個方面 ： (l)豐富和增強了傳統(tǒng)儀器的功能。 (3)儀器由 用戶自己定義。 (5)便于構(gòu)成復(fù)雜的測試系統(tǒng)，經(jīng)濟性好。它充分利用PC 機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，對信號進(jìn)行實時存儲、實時顯示及離線分析。其中， I/O 接口設(shè)內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明 書（畢業(yè)論文） 6 備完成被測信號的采集、放大、模 /數(shù)轉(zhuǎn)換等。采用 PCI 計算機本身的總線，故將數(shù)采卡 (DAQ)插入計算機的空槽中即可。⑤串口系統(tǒng) :以 Serial標(biāo)準(zhǔn)總線儀器與計算機為儀器硬件平臺組成的虛擬儀器測試系統(tǒng)。 虛擬儀器的核心是軟件，軟件開發(fā)平臺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)平臺提供了強大的儀器軟面板設(shè)計工具和各種數(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)動程序模塊，大大地簡化了虛擬儀器設(shè)計工作。 LabVIEW 是一個帶有擴展功能庫和子程序庫的通用程序設(shè)計系統(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)得到簡化。 (4)完整的開發(fā)環(huán)境 LabVIEW 軟件包中包 含了功能強大的數(shù)據(jù)采集、分析和表達(dá)的能力，使用戶可以在該平臺上實現(xiàn)一個完整的解決方案。 (5)快速開發(fā)的 LabVIEW 為用戶提供了實現(xiàn)儀器編程和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的便捷途徑。 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，整個程序內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明 書（畢業(yè)論文） 8 是基于多線程的設(shè)計，前面板和流程圖各占用一個線程。在流程圖中對 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，它可以通過在幾個分面板上的操作來實現(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，以使用戶操作方便和快捷。然而，技術(shù)的進(jìn)步是以復(fù)雜性的提高為代價的，比起使用具有類似功能的一臺獨立儀器，用戶必須具備更多有關(guān)硬件方面的知識。虛擬儀器技術(shù)先進(jìn)，十分符合國際上流行的“硬件軟件化”的發(fā)展趨勢，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，下面主要針對虛擬儀器技術(shù)在工業(yè)自動化，儀器制造和實驗室方面的應(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)的一個大有可為的領(lǐng)域。利用虛擬儀器技術(shù)，我們可以設(shè)計出與實際儀器在原理、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 汽車測試、澳洲的心臟起搏器設(shè)計 /驗證，到英國電信電話線路性能測試，全世界數(shù)以萬計的工程師和科學(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現(xiàn)場的虛擬儀器通過網(wǎng)絡(luò)擴展到遠(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。經(jīng)比較，取 m=0， n=2 時所獲得的傳遞函數(shù)5 2 1443() 9 1 0 6 0 0 0 1GS ss? ? ? ? () 作為系統(tǒng)的模型。首先必須承認(rèn)辨識得到的模型只能是近 似的，不能期望會找到一個和實際過程完全一致的模型，如果模型的特性和實際過程基本一致，那么就認(rèn)為模型是滿意的；檢驗?zāi)Ｐ偷臉?biāo)準(zhǔn)應(yīng)該是模型的實際應(yīng)用效果。 得出了比例 (P)控制下系統(tǒng)處于 無法穩(wěn)定收斂的振蕩狀態(tài)時，仿真結(jié)果與實際控制結(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)計說明 書（畢業(yè)論文） 14 15015() 5 8 0 0 1 sG s es ?? ? () 和 m=3， n=4 時的多項式模型： 11 3 8 2 4 4 1 0 3 7 21 .124 1 0 1 . 787 1 0 5 . 1 1 0 14 . 43() 4 .744 1 013 5 . 88 1 0 3 . 186 1 0 873 0 1s s sGs s s s s? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? () 圖 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 這兩種情況與實 際情況接近。在輸出端（冷端）溫度恒定的情況下，熱電偶的輸出電勢隨著熱端的溫 度增高而增大， 熱電勢的大小只與二支電極的材料及熱電偶兩端的溫差有關(guān)，而與電極的長度，直徑，氣壓和空氣濕度等無關(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輸出電壓值，從而達(dá)到冷端溫度補償?shù)淖饔?。短期可以用于真空測溫 6001700 600800 8001700 鎳鉻 鑷硅 鎳鉻 鑷鋁 K 用于氧化和中性氣氛中測溫，但偶絲直徑不同， 其測溫范圍 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 ， 因而不宜在有強電磁干擾環(huán)境中實現(xiàn)信號傳送 ， 采用溫度變送器價格又昂貴 ， 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 K 型熱電偶。因此，傳統(tǒng)補償方法在很多場合己經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)代測溫的要求。 LabVIEW 軟件開發(fā)系統(tǒng)是用工程人員所熟悉的術(shù)語和圖形化符號代替常規(guī)的文本語言編程，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轉(zhuǎn)換為電壓信號，經(jīng)放大后，由數(shù)據(jù)采集卡采集進(jìn)入 PC。運行測溫軟件，設(shè)定溫度值為 100℃ +n X△ t，△ t=5℃ ， n=0， 1，2…… 18，每隔 一段時間 ，按下前面板的“顯示結(jié)果”按鍵進(jìn)行測量。 偶測溫誤差分析 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，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，插入深度宜為管道外徑的 1/2 外徑大于 500mn 時，插入深度宜為300mm。接觸法測溫的基本原 理是測溫元 件要與被測對象達(dá)到熱平 衡。對于溫度不斷變化的被測場所，尤其是瞬間變化過程，整個過程僅 1 秒鐘，則要求傳感器的響應(yīng)時間在毫秒級。 在高溫下使用的熱電偶，如果被測介質(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溫條件的同時， 也要定期對熱電偶進(jìn)行檢定。 PID 控制算式是一種在工業(yè)控制中廣泛運用的控制策略。但是考慮到本軟件 所具 有 的特點：對象比較簡單，非線性程度不高，大多數(shù)不具有時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，由于其算法簡單、易于實現(xiàn)和可靠性高，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)過程內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明 書（畢業(yè)論文） 21 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)。 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，對控制對象進(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， 具有原理簡單、實現(xiàn)容易、技術(shù)成熟等優(yōu)點，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)計說明 書（畢業(yè)論文） 20 第四章 PID 控制算法簡介 在測控系統(tǒng)中，被控量和操縱量確定之后，就可以根據(jù)對象的特性和對控制質(zhì)量的要求，選擇控制器的控制作用，由控制器按規(guī)定的控制規(guī)律進(jìn)行運算，發(fā)出相應(yīng)的控制信號去推動執(zhí)行器。因此，熱電偶的劣化現(xiàn)象是不可避免的。 四、 熱電偶的劣化 。因此，最好選擇響應(yīng)快的傳感器 。熱響應(yīng)時間要取決于傳感器的結(jié)構(gòu)及測量條件，差別極大。對于實際工程測內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明 書（畢業(yè)論文） 19 溫，其插入深度還應(yīng)考慮被測介質(zhì)的靜 止 或流動狀態(tài)，如 果是流動的液體或氣體，可以不受上述條件限制，插入深度可適當(dāng)淺一些 ，具體數(shù)值由實際情 況分析確定。例如，對高溫高壓蒸汽管道和一般流體介質(zhì)管道，插入深度與其公稱通徑或管道外徑的大小有關(guān)。測溫元 件應(yīng)安裝在測量值能代表被測介質(zhì)溫度的位置，不得裝在管道和設(shè)備的死角 ，且不應(yīng)受到劇烈震動和沖擊。 理論與實驗表明 ： 用集成溫度傳感器測量環(huán)境溫度，利用中間溫度定律和二次分度表查詢進(jìn)行線性插值，可以實現(xiàn)熱電偶的高精度測溫。 實驗在 CSY20xxC 型傳感器實驗臺上進(jìn)行，實驗臺提供前置放大AD 590濾波前置放大數(shù)據(jù)采集卡PC 基于LABVIE熱電偶測溫儀熱電偶內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明 書（畢業(yè)論文） 18 了加熱源 ( 200℃ 可調(diào) )，高精度溫度控制儀， K， E 型熱電偶，集成溫度傳感器 AD590，調(diào)理電路模板等實驗器件。 圖 熱電偶測溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 熱電偶采集被測溫度信號并將其轉(zhuǎn)化為電壓信號，經(jīng)儀表放大器放大， 濾波電路濾波后輸入到數(shù)據(jù)采集卡，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號傳給 PC。 虛擬儀器充分利用計算機強大的運算、存儲、顯示以及文件管理等智能功能，可以把傳統(tǒng)儀器的 功能軟件