【正文】 微分反映的是變化率，而當(dāng)輸入沒(méi)有變化時(shí)，微分作用輸出為零。 微分 （ D） 控制：在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分 （ 即誤差的變化率 ） 成正比關(guān)系。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。 其原理圖 如圖 所示． 比 例積 分微 分被 控 對(duì) 象R ( t ) E ( t )+++U ( t )Y ( t ) 圖 PID 控制原理 圖 PID 控制主要有比例控制，積分控制和微分控制三部分組成。 本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要有兩大模塊組成：溫度信號(hào)采集模塊、 PID 控制模塊。 交流電源 經(jīng) R12 加到 2 個(gè)反向并聯(lián)的光電二極管上，在交流電源的正，負(fù)半周，二極管 D1， D2 輪流導(dǎo) 通，從而使三極管 T1， T2 也輪流導(dǎo)通，在導(dǎo)通期間 V0 端輸出低電平，只有在交流電源過(guò)零的瞬間， 2 個(gè)二極管均截止，V0 端輸出高電平，因此 V0 端得到周期為 10ms 的脈沖信號(hào)。溫度控制信號(hào)的產(chǎn)生與輸出由程序控制數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，通過(guò) PID 算法得到控制量由數(shù)據(jù)采集卡輸出以控制電熱水器的溫度值。在穩(wěn)態(tài)情況下，應(yīng)使正負(fù)半周α相等。 把兩個(gè)晶閘管反并聯(lián)后串聯(lián)在交流電路中，通過(guò)對(duì)晶閘管的控制就可以控制交流電力。工業(yè)上一般都采用三線制接法。故系統(tǒng)不需要進(jìn)行 線 性 化 。計(jì)算機(jī)采集卡通過(guò)其 A/D 轉(zhuǎn)換通道采樣輸入信號(hào)，通過(guò) PID 算法，求出系統(tǒng)輸出信號(hào)的大小， 其輸出信號(hào)通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡 的數(shù)字口 輸出給外部溫度控制電路， 以達(dá)到控制溫度的作用。 （ 3） 在 Linux 平臺(tái)上幾乎能使用所有流行的開(kāi)發(fā)軟件，如 C++、 FORTRAN、 JAVA 等。 向幾何參量和機(jī)械參量等難點(diǎn)領(lǐng)域拓展 應(yīng)用虛擬儀器進(jìn)行幾何量和機(jī)械參量測(cè)量的難度要高于電參量的測(cè)量，這是因?yàn)閭鞲衅骱捅粶y(cè)工件需要按照測(cè)量基準(zhǔn)保持嚴(yán)格的相對(duì)位置關(guān)系，這種虛擬儀器不同其它參量的測(cè)量，它一般需要專(zhuān)用的定位機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。在同等的性能條件下，相應(yīng)的虛擬儀器價(jià)格要比傳統(tǒng)儀器低。用戶 在使用過(guò)程中無(wú)須專(zhuān)門(mén)查閱、學(xué)習(xí)儀器的程控方法 、 程控指令就可以對(duì)儀器進(jìn)行操作； （ 2） 計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的圖形用戶界面增強(qiáng)了儀器結(jié)果顯示功能； （ 3） 具有龐大的數(shù)據(jù)記錄容量和可擴(kuò)展的 函數(shù)庫(kù)； （ 4） 用戶可以自定義接口形式、分析方式； （ 5） 測(cè)試過(guò)程自動(dòng)化，具有完整的時(shí)間記錄和測(cè)試 說(shuō)明，測(cè)量結(jié)果關(guān)聯(lián)分析和趨勢(shì)標(biāo)定； （ 6） 測(cè)量程序中內(nèi)置多媒體操作指令，并且可用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行多用戶數(shù)據(jù)共享。通過(guò)與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)連接，還可實(shí)現(xiàn)虛擬儀器的分布式共享，更好地 發(fā)揮儀器的使用價(jià)值。 因此，在 LXI 儀器還未完全占領(lǐng)市場(chǎng)之前， VXI、 PXI 和 USB 等都將成為市場(chǎng)的主流總線技術(shù)。 LXI 標(biāo)準(zhǔn)用以太網(wǎng)作系統(tǒng)的骨干，無(wú)需內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)（畢業(yè) 論文 ） VXI 或 PXI 方式的機(jī)箱。 經(jīng) 過(guò) 十 多年 的發(fā)展 ， VXI 系統(tǒng)的組建和使用越來(lái)越方便，尤其是組建大、中規(guī)模自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)以及對(duì)速度、精度要求高的場(chǎng)合。 GPIB（ General Purpose Interface Bus）是計(jì)算機(jī)和儀器之間的標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議， GPIB的硬件規(guī)格和軟件協(xié)議已經(jīng)納入國(guó)際工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) IEEE 和 IEEE 中。利用 USB 總線的優(yōu)勢(shì)可以實(shí)現(xiàn)測(cè)試方案的靈活配置 和測(cè)試功能的自由擴(kuò)展，即當(dāng)需要添加新測(cè)試功能時(shí)，只需開(kāi)發(fā)支持 USB 接口的相應(yīng)測(cè)試功能的嵌入式虛擬儀器模塊即可。 USB 通用串行總線是被 PC 機(jī)廣泛采用的總線，它已被集成到計(jì)算機(jī)主板上。 PCI 總線上的外圍設(shè)備可以和 CPU 并行工作，因此 PCI 總線得到了廣泛的應(yīng)用。 虛擬儀器總線技術(shù) 目前 VI 使用的總線技術(shù)主要有以下幾種。用戶可以根據(jù)測(cè)試需要，通過(guò)界面方便的設(shè)置信號(hào)源的各項(xiàng) 參數(shù)，選擇不同的測(cè)試頻段及頻率步進(jìn)，并將結(jié)果數(shù)據(jù)以圖表的形式顯示。用戶可以使用多種圖標(biāo)，如旋鈕、開(kāi)關(guān)、按鈕、圖表、文本框 、圖形等，使前面板易看易懂。 美國(guó) NI 公司是虛擬儀器技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者 ， LabVIEW 就是其推出的一種基于圖形的開(kāi)發(fā)、調(diào)試和運(yùn)行程序的集成化環(huán)境，是目前國(guó)際上唯一的 基于數(shù)據(jù)流的 編譯型圖形化編程語(yǔ)言， 是一種優(yōu)秀 的虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái) 。 VISA 庫(kù)實(shí)質(zhì)就是標(biāo)準(zhǔn)的 I/O 函數(shù)庫(kù)及其相關(guān)規(guī)范的總稱(chēng)，它駐留在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，執(zhí)行儀器總線的特殊功能，是計(jì)算機(jī)與儀器之間的軟件層連接，用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器的控制。 PXI 是 PCI 總線在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展，以 PCI 總線為基礎(chǔ)，利用了豐富的 PCI 模板 資源和 PC 軟件工具及開(kāi)發(fā)環(huán)境，數(shù)據(jù)傳輸率可達(dá) 132MB/s，應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)與 VXI 一樣。 GPIB 儀器具有獨(dú)立的儀器操作界面，可以脫離計(jì)算機(jī)使用，也可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn) GPIB 電纜連接計(jì)算機(jī)實(shí)施程序控制。 硬件接口電路與計(jì)算機(jī)一起構(gòu)成了虛擬儀器的硬件。為給用戶提供方便、易用的儀器驅(qū)動(dòng)程序 ， 泰 克公司、惠普公司和美國(guó) 國(guó)家儀器公司等 35 家國(guó)際上最大的儀內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)（畢業(yè) 論文 ） 器公司成立了 VXI plugamp。 虛擬儀器的基本思想是利用計(jì)算機(jī)來(lái)管理儀器， 組織儀器系統(tǒng) ， 進(jìn)而逐步代替儀器完成某些功能 ， 最終達(dá)到取代傳統(tǒng)電子儀器的目的。 虛擬儀器中的“虛”即軟件化 ， “虛擬” 主要 表現(xiàn)在兩個(gè)方面 ： 其一是 虛擬的儀器面板 。基于虛擬儀器的電熱水器溫度控制系統(tǒng) 必然會(huì)給現(xiàn)代 電熱水器智能溫度控制 領(lǐng)域帶來(lái)一片新天地。比較測(cè) 得的水溫與設(shè)定的溫度，如果前者小于后者 ， 則令 輸出低電平 ， 三極管 T3 導(dǎo)通，通過(guò)光耦使 T4 也導(dǎo)通，繼電器 J 得電， 觸點(diǎn) J 閉合，電熱絲接通對(duì)水加熱，紅色提示燈 Dl 亮 ； 如果前者大于后者則令 輸出高電平， T T4 截止， 繼 電器 失電， 觸點(diǎn) J 斷開(kāi)，停止加熱，加熱指示燈 Dl不亮。前制式電熱水器 水溫和水量的控制方式是靠裝在冷水進(jìn)口端（即前端）的冷水 閥門(mén) 進(jìn)行控制的，在熱水出口端不設(shè)置閥門(mén)。 儲(chǔ)水式電熱水器的優(yōu)點(diǎn)是不必分室安裝、不會(huì)產(chǎn)生有害氣體、調(diào)溫方便。 本文采用 美國(guó) NI 公司的圖形化編程 語(yǔ)言 設(shè)計(jì)了一個(gè)基于增量 PID 算式的電熱水器溫度控制系統(tǒng)。 由 熱電阻 Pt100 采集到的 熱水 溫度信號(hào)通過(guò)調(diào)理電路轉(zhuǎn)換為能被 PCI6221 數(shù)據(jù)采集卡 接受的 010V 的電壓信號(hào)，然 后通過(guò)板卡 PCI6221 的模擬輸入端 AI0 輸入到計(jì)算機(jī)，在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的 LabVIEW 程序?qū)斎氲臄?shù)據(jù)進(jìn)行分析處理后產(chǎn)生脈沖信號(hào)輸出到 PCI6221 的數(shù)字 輸出 口 上，去控制可控硅的通斷，繼而控制電熱水器的加熱過(guò)程。但是儲(chǔ)水式熱水器在使 用前需要預(yù)熱，一次使用的量有限。而后制式電熱水器則是靠裝在熱水出口的熱水閥門(mén)來(lái)進(jìn)行控制的，后制式電熱水器具有安裝和使用方便等優(yōu)點(diǎn)，是電熱水器的發(fā)展方向。單片機(jī)通過(guò)從 一 輸出段碼， 從 、 輸出位碼對(duì)設(shè)定的兩位溫度值進(jìn)行循環(huán)掃描顯示。 本文研究的就是基于虛擬儀器的電熱水器溫度控制系統(tǒng)。 操縱該儀器的開(kāi) 關(guān)、按鈕等并不是實(shí)際的物理器件 ， 而是位于計(jì)算機(jī)屏幕上控制面板上的“控件” ； 其二是 由軟件實(shí)現(xiàn)儀器的測(cè)量功能 （ 軟件就是儀器 ） 。虛擬儀器以透明的方式把計(jì)算機(jī)資源 （ 如微處理器、內(nèi)存、顯示器等 ） 和儀器硬件 （ 如 A/D、 D/A、數(shù)字 I/O、定時(shí)器、信號(hào)處理等 ） 的測(cè)量控制能力結(jié)合在一起 ， 通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的分析處理、表達(dá)以及圖形化用戶接口。play 系統(tǒng)聯(lián)盟 ， 并 推出 VISA(Virtual Instrument Software Architecture)標(biāo)準(zhǔn)。計(jì)算機(jī)是虛擬儀器的核心 ， 主要完 成數(shù)據(jù)處理和結(jié)果的顯示。 （ 3） 基于串行口儀器的虛擬儀器，它是由 Serial標(biāo)準(zhǔn)總線儀器及 PC 機(jī)為儀器硬件內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)（畢業(yè) 論文 ） 平臺(tái)的，它包括符合 RS232/ RS422 標(biāo)準(zhǔn)的 PLC(program logic controller)和單片機(jī)系統(tǒng)。PXI 實(shí)現(xiàn)了 VISA 虛擬儀器軟件體系，不僅能夠控制 PXI 模塊，也能控制 VXI、 GPIB 及串行接口器件，還可以通過(guò)采用標(biāo)準(zhǔn)的 PCIPCI 橋接器提高擴(kuò)展槽數(shù)量，有利于系統(tǒng)集成。 （ 2）儀器驅(qū)動(dòng)程序 。 它不僅能輕松方便地完成與各種軟硬件內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)（畢業(yè) 論文 ） 的連接 ， 更能提供強(qiáng)大的后續(xù)數(shù)據(jù)處理能力 ， 設(shè)置數(shù)據(jù)處理、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)的方式 ， 并將結(jié)果顯示給用戶。我們可以把它想象為傳統(tǒng)儀器的面板，面板上自然會(huì)有表頭，按紐 ，撥盤(pán)等各種元件。 每一個(gè) VI 程序的前面板都對(duì)應(yīng)著一段框圖程序。 DAQ 總線方式的虛擬儀器 DAQ 指的是基于計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)總線（如 ISA、 PCI 等）的內(nèi)置功能插卡，它更加充分地利用計(jì)算機(jī)的資源，大大增加了測(cè)試系統(tǒng)的靈活性和擴(kuò)展性。 這種方式借助于插入 PC 機(jī)和工控機(jī)內(nèi)的高速數(shù)據(jù)采集卡與專(zhuān)用的軟件相結(jié)合，將它們安裝在一臺(tái)運(yùn)行的 PC 機(jī)上，可構(gòu)成一個(gè)功能強(qiáng)大的數(shù)字虛擬儀器，完成測(cè)試任務(wù)。 USB 總線能連接 127 個(gè)裝置，需要一對(duì)信號(hào)線及電源線。 USB 技術(shù)和虛擬儀器技術(shù) 結(jié)合在一起是計(jì)算機(jī)儀表領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，基于 USB 總線接口設(shè)計(jì)的嵌入式虛擬儀器具有良好的系統(tǒng)擴(kuò)展性。 GPIB 是最 早的儀器總線。然而，組建 VXI 總線要求有機(jī)箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造價(jià)比較高。在眾計(jì)算機(jī)和通信網(wǎng)絡(luò)中選用以太網(wǎng)技術(shù)，在于以太 網(wǎng)的發(fā)展已相當(dāng)成熟，被廣泛安裝在計(jì)算機(jī)作為標(biāo)準(zhǔn) 通信接口。 虛擬儀器的優(yōu)點(diǎn) 虛擬儀器具有高效、開(kāi)放、易用靈活、功能強(qiáng)大、性?xún)r(jià)比高、可操作性好等明顯優(yōu)點(diǎn)，具體表現(xiàn)為： （ 1）智能化程度高，功能強(qiáng)大。 （ 3） 操作簡(jiǎn)便，直觀 ，界面 友好。 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較 傳統(tǒng)儀器由信號(hào)采集 、信號(hào)處理和結(jié)果表達(dá)與儀器控制三部分組成。虛擬儀器強(qiáng)大的功能和價(jià)格優(yōu)勢(shì)，使得它在儀器計(jì)量領(lǐng)域具有很強(qiáng)的生命力和十分廣闊的前景。例如，在 開(kāi)發(fā)類(lèi)似三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的虛擬儀器進(jìn)行幾何輪廓參數(shù)的高精度測(cè)量時(shí)，專(zhuān)用的高精度傳感器、高精度的定位機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)不可缺少。 （ 4） 可以合理分配內(nèi)存。 電熱水器熱 電 阻 P t 1 0 0 信 號(hào) 調(diào) 理 電 路數(shù) 據(jù) 采 集卡P C I 6 2 2 1計(jì) 算 機(jī)L a b V I E W光 耦M O C 3 0 4 1觸 發(fā) 器晶 閘 管 圖 電熱水器溫度控制 系統(tǒng)整體方框圖 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 基于虛擬儀器的電熱水器溫度控制系統(tǒng)的硬件電路圖如附錄 A 所示，本圖主要包括溫度 測(cè)量及 調(diào)理電路，溫度控制電路，一個(gè)過(guò)零 檢測(cè)電路。 信號(hào)調(diào)理的作用是對(duì)溫度傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行濾波和放大以滿足數(shù)據(jù)采集卡 A/D輸入端電氣參數(shù)要求。 （ 2） 選用高精度低漂移運(yùn)算放大器 OP07 構(gòu)成 運(yùn)算放大 電路 。這種電路不改變交流電的頻率，稱(chēng)為交流電力控制電路 。 從圖 中 可以看出，負(fù)載電壓波形是電源電壓波形的一部分，負(fù)載電流（也即電內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)（畢業(yè) 論文 ） 源電流）和負(fù)載電壓的波形相同。 調(diào)壓方案波形圖如圖 所示。 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t leN u m be r R e v i s i onS i z eBD a t e : 16 A pr 2 00 8 S he e t o f F i l e : C : \ D o c um e nt s a n d S e tt i ng s \ da iz on ge \桌面 \戴宗娥 \ da iz on ge .ddbD r a w n B y :T L P 52 1TT R A N S 1T L P 52 1A C 22 01kR 12R 11 100+5V0D1D2T1T2 圖 過(guò)零檢測(cè)電路 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN u m be r R e vi s i o nS i z eBD a t e : 13 J un 200 8 S h e e t of F i l e : F : \ da i z onge .ddb D r a w n B y:U1M O C 3 041Q1Z 0 409 M FD1P 0 .0D G N DA C 22050 0R 2 130 0R 2 296 0RL內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)（畢業(yè) 論文 ） t / s工 頻 電壓 / V過(guò) 零 電壓 / Vt / s00 圖 過(guò)零電路波形圖 數(shù)據(jù)采集卡 數(shù)據(jù)采集卡的主要功能是向被測(cè)電路和元器件傳送所需的數(shù)據(jù)信號(hào)和控制信號(hào)，同時(shí)又接收并處理來(lái)自被檢對(duì)象的狀態(tài)信號(hào)。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)（畢業(yè) 論文 ） 由熱電阻采集到的溫度信號(hào)通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡 PCI6221 輸入計(jì)算機(jī)，經(jīng)過(guò) PID 模塊對(duì)之進(jìn)行分析和處理，然后去控制輸出，改變當(dāng)前溫度逼近設(shè)定溫度值，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。 比例 （ P） 控制：比例控制是一種最簡(jiǎn)單的控