【正文】 ........................................................ 18 第四章 PID 控制算法簡(jiǎn)介 ..................................................................................................... 20 PID 控制和智能控制的介紹 ......................................................................................... 20 數(shù)字 PID 控制算式 ........................................................................................................ 23 數(shù)字 PID 控制算式的改進(jìn) ............................................................................................ 26 增量式 PID 控制器的程序流程圖 ............................................................................... 30 第五章 電阻爐溫度控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) ........................................................................ 32 控制系統(tǒng)的功能及結(jié)構(gòu) ................................................................................................. 32 數(shù)據(jù)采集卡 ..................................................................................................................... 33 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則 ................................................................................................................. 35 第六章 電阻爐溫度控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) ............................................................................ 36 軟件模塊化設(shè)計(jì)方法概述 ............................................................................................. 36 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） IV 電阻爐溫度控制系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì) ............................................................................. 37 密碼驗(yàn)證模塊 ................................................................................................................. 37 數(shù)據(jù)采集模塊 ................................................................................................................. 38 A/D 和 D/A 轉(zhuǎn)換 ...................................................................................................... 38 數(shù)據(jù)采集 .................................................................................................................. 39 信號(hào)處理模塊 ................................................................................................................. 40 PID 控制器模塊 .......................................................................................................... 42 第七章 系統(tǒng)調(diào)試 .................................................................................................................... 44 參考文獻(xiàn) .................................................................................................................................. 47 附錄 A： .................................................................................................................................. 49 附錄 B： ................................................................................................................................... 52 致 謝 ...................................................................................................................................... 53 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） 1 第一章 引言 本課題的背景及 意義 隨著工業(yè)的發(fā)展，對(duì)金屬材料的性能提出了更多更高的要求，因而熱處理技術(shù)也向著優(yōu)質(zhì)、高效、節(jié)能、無(wú)公害方向發(fā)展。 本文把虛擬儀器與智能溫度控制相結(jié)合，用LabVIEW 開(kāi)發(fā)了一套自整定的 PID 控制算法的溫度控制系統(tǒng)。 但是工 業(yè)電阻爐 的溫度控制具有非線(xiàn)性、大慣性、大滯后等特點(diǎn)，難以對(duì)其建立精確的數(shù)學(xué)模型，因而常規(guī) PID 控制難以取得良好的控制效果 ； 本文采用 增量式 PID 控制算法 來(lái)進(jìn)行 PID 參數(shù)的自動(dòng)整定 。s Resistance furnace with temperature control of nonlinear, large inertia, the characteristics of large time delay, it is difficult to establish its precise mathematical model of conventional PID control , thus it is difficult to achieve good control effect。 電阻爐是一種具有純滯后的大慣性系統(tǒng)，開(kāi)關(guān)爐門(mén)、加熱材料、環(huán)境溫度以及電網(wǎng)電壓等都影響控制過(guò)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(xiàn)性、時(shí)變性及隨機(jī)干擾無(wú)能為力。按傳熱方式，電阻爐分為輻射式電阻爐和對(duì)流式電阻爐。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。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(guò)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。為了解決以上溫度控制方法中存在的問(wèn)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(jì)說(shuō)明 書(shū)（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(jiǎn)單易懂 的 控制界面，能夠?qū)崟r(shí)顯示溫度的變化曲線(xiàn) ， 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) 。 (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(guò)程。 虛擬儀器的概念 所謂虛擬儀器 (VirtualInstent，簡(jiǎn)稱(chēng) VI)，就是用戶(hù)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 。軟面板上具有與實(shí)際儀器相似的旋鈕、開(kāi)關(guān)、指示燈及其它控制部件。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。 (5)便于構(gòu)成復(fù)雜的測(cè)試系統(tǒng)，經(jīng)濟(jì)性好。其中， I/O 接口設(shè)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） 6 備完成被測(cè)信號(hào)的采集、放大、模 /數(shù)轉(zhuǎn)換等。⑤串口系統(tǒng) :以 Serial標(biāo)準(zhǔn)總線(xiàn)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)。這些軟件開(kāi)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(chǎng)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 的程序包括前面板 (FrontPanel)、流程圖(BlockDiagram)以及圖標(biāo) /連接器三部分。 (4)完整的開(kāi)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(hù)可以在該平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的解決方案。 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） 8 是基于多線(xiàn)程的設(shè)計(jì)，前面板和流程圖各占用一個(gè)線(xiàn)程。虛擬儀器與之不同，它可以通過(guò)在幾個(gè)分面板上的操作來(lái)實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的功能。在任何一種情況下，軟件界面可按照用戶(hù)的需求進(jìn)行設(shè)計(jì)，以使用戶(hù)操作方便和快捷。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(chēng)作“軟件儀器”。許多生產(chǎn)第一線(xiàn)的工程師熟悉設(shè)備與工藝流程，但是不具備程序員的 專(zhuān)門(mén)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(xiě)的 軟件設(shè)計(jì)與使用脫節(jié)。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(lài)于進(jìn)口。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。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(guò)網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展到遠(yuǎn)程應(yīng)用領(lǐng)域。經(jīng)比較，取 m=0， n=2 時(shí)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。 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(shuō)明 書(shū)（畢業(yè)論文） 14 15015() 5 8 0 0 1 sG s es ?? ? () 和 m=3， n=4 時(shí)的多項(xiàng)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(shí) 際情況接近。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?。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(lèi)問(wèn) 題。本系統(tǒng)采用 級(jí) K 型熱電偶。 LabVIEW 軟件開(kāi)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(kāi)發(fā)周期和開(kāi)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。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。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)。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。 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(guò)程中將有爐渣沉積