【正文】 42） 在公式 42 中， Kp 是比例系數(shù)； Ti 是 積分時(shí)間常數(shù)； Td 是微分時(shí)間常數(shù)； u(t)是控制器的輸出； e(t)是控制器的輸入，是偏差值，即給定值 r(t)與被控參數(shù)實(shí)際輸出 y(t)的差值： e(t)=r(t)y(t)。在微分時(shí)間選擇合適的情況下，可以減少超調(diào)，減少調(diào)節(jié)時(shí)間 。反之 Ti大則積分作用弱，加入積分調(diào)節(jié)可使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢。 積分 （ I） 控制：在積分控制中，控制器的輸出與輸入 偏差 信號(hào)的積分成正比關(guān)系。 PID 控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的 偏差 ，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制。 PCI6221 引腳圖 如圖 所示。本設(shè)計(jì)采用 2 個(gè)光電耦合實(shí)現(xiàn)過零控制。此外，α =0 時(shí)，功率因數(shù)λ =1，隨著α的增 大，輸入電流滯后于電壓且發(fā)生畸變，λ也逐漸降低。 如圖 ， 在交流電源 U1 的的正半周和負(fù)半周， 分別對(duì) VT1 和 VT2 的 開通角α進(jìn)行控制就可以調(diào)節(jié)輸出電壓。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 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 :O P 07r1r2Rt r3A1O P 07+ 5VU o ( t )A2100R021 3 .71Rf+ 15 15+ 15 15100R6100R1100R5100R230KR4 圖 溫度 信號(hào) 調(diào)理 電路 溫度控制電路 本系統(tǒng)溫度控制電路的硬件電路主要由隔離光耦、觸發(fā)器 及晶閘管等單元構(gòu)成。熱電阻作為電橋的一個(gè)橋臂電阻，其連接導(dǎo)線（從熱電阻到中控室）也成為橋臂電阻的一部分，這一部分電阻是未知的且隨環(huán)境溫度變化，造成測(cè)量誤差。 鉑熱電阻 Pt100 在溫度為 0℃時(shí)輸出的電阻值為 100 歐 ,溫度為 100℃是輸出的阻值為 歐。它主要由溫度 測(cè)量及 調(diào)理電路、溫度控制電路、一塊基于 PCI 總線的多功能數(shù)據(jù)采集卡 PCI6221 及相應(yīng)的軟件組成。 （ 2） Linux 操作系統(tǒng)是一個(gè)多用戶操作系統(tǒng)。它們?cè)趥鹘y(tǒng)的 測(cè)量?jī)x器 、測(cè) 控模塊、傳感器上加裝了本地處理器和通訊接口，其主要任務(wù) 是：①數(shù)據(jù)采集和處理；②測(cè)試數(shù)據(jù)交換；③測(cè)控過程監(jiān)控、故障診斷；④測(cè)試信息存儲(chǔ)。虛擬儀器 可使用相同的硬件系統(tǒng)，通過不同的軟件就可以構(gòu)建功能完全不同的各種測(cè)量測(cè)試儀器，即軟件系統(tǒng)是虛擬儀器的核心，軟件可以定義為各種儀器。虛擬儀器徹底打破了傳統(tǒng)儀器只能由生產(chǎn)廠家定義，用戶無法改變、被動(dòng)接收的局面，這種“可開發(fā)性”和“可擴(kuò)展性”等優(yōu)越特點(diǎn)使虛擬儀器具有強(qiáng)大的生命力和競(jìng)爭(zhēng)力。 虛擬儀器軟件平臺(tái)為所有的 I/O 設(shè)備提供了標(biāo)準(zhǔn)的接口，幫助用戶輕松地將多個(gè)測(cè)量設(shè)備集成到單個(gè)系統(tǒng)，用相同的基本硬件可構(gòu)造多種不同功能的測(cè)試分析儀器，或只需更新計(jì)算機(jī)或測(cè)量硬件，就能以最少的硬件投資和極少的、甚至無需軟件上的升級(jí)即可改進(jìn)用戶的整個(gè)系統(tǒng)。我國(guó)的海泰公司率先加入了 LXI 聯(lián)盟。 LXI 總線方式的虛擬儀器 20xx 年 9 月 VXI 科技公司和安捷倫聯(lián)合推出一種新的基于工業(yè)以太網(wǎng)的總線規(guī)范—— LXI(LAN eXtensions for Instrumentation)。 VXI 總線方式的虛擬儀器 1987 年公布的 VXI 總線是一種高速計(jì)算機(jī)總線 VME 在 VI 領(lǐng)域的擴(kuò)展，由 HP、Tektronix 等公司在 1987 共同制 定，它以 VME 為基礎(chǔ)，不僅繼承了 GPIB、 VME 總線的優(yōu)點(diǎn)，集測(cè)量、計(jì)算、通信于一體，還具有高速、模塊化的優(yōu)點(diǎn)。 GPIB 總線方式的虛擬儀器 GPIB 總線 (即 IEEE488 總線 )是一種并行外總線，是在 HP 公司 1965 年設(shè)計(jì)的 HPIB儀器接口總線的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，經(jīng)歷了 、 、目前市面上使用的是 GPIB。該類系統(tǒng)主要由 PC 機(jī)、 USB 集線器和 嵌入式虛擬儀器組成。 這種類型的虛擬儀器充分利用了計(jì)算機(jī)的總線、機(jī)箱、電源及軟件的便利，但它也具有一定的缺點(diǎn)：由于基于 PCI 總線的虛擬儀器在插入時(shí)都需要打開機(jī)箱，操作不方便；并且測(cè) 試信號(hào)直接進(jìn)入計(jì)算機(jī)，各種現(xiàn)場(chǎng)的被測(cè)信號(hào)對(duì)計(jì)算機(jī)安全造成很大的威脅；同時(shí)，計(jì)算機(jī)內(nèi)部的強(qiáng)電磁干擾對(duì)被測(cè)信號(hào)也會(huì)造成很大的影響。 下面以基于 PCI 總線和 USB 總線的多功能虛擬儀器的實(shí)現(xiàn)為例，介紹 DAQ 型虛擬儀器的結(jié)構(gòu)。編 制框圖程序時(shí)，從功能模板中選擇需要的節(jié)點(diǎn)圖標(biāo)或圖框，將之置于 窗口 面板上適當(dāng)?shù)奈恢?，然后用連線連接它們及框圖中的端子即可。按照面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)思想，一個(gè)虛擬儀器集成系統(tǒng)由多個(gè)虛擬儀器組成，每個(gè)虛擬儀器均由前面板控制。這個(gè)窗口模擬真實(shí)儀表的前面板，用于設(shè)置輸入和觀察輸出，輸入量稱為控 件 (Controls)，輸出量稱為指示器 (Indicators)。 虛擬儀器 必須具有強(qiáng)大的人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)能力，易于實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的儀器面板，還必須具有數(shù)據(jù)可視化分析能力，能提供豐富的儀器和總線接口的硬件驅(qū)動(dòng)程序 使用正確的軟件工具并通過設(shè)計(jì)或調(diào)用特定的程序模塊 ， 工程師們可以高效地創(chuàng)建自己的應(yīng)用以及友好的人機(jī)交互界面。 虛擬儀器 的軟件 從底層到頂層包括三部分： VISA 庫(kù)、儀器驅(qū)動(dòng)程序、應(yīng)用軟件。 （ 5） 基于 PXI 儀器的虛擬儀器，它是以 PXI(PCI extension for instrumentation)標(biāo)準(zhǔn)總線儀器模塊及 PC 機(jī)為儀器硬件平臺(tái)， PXI 總線方式是在 PCI 總線內(nèi)核技術(shù)上增加 了參考時(shí)鐘技術(shù)規(guī)范和要求形成 的 。 PCDAQ 為采集卡，由過去的 16 位標(biāo)準(zhǔn) ISA 總線發(fā)展到 32 位的 PCI 總線插卡，易于構(gòu)成 個(gè)人儀器系統(tǒng)，但需打開主機(jī)箱直接與 ISA、 PCI 總線連接，沒有定義儀器系統(tǒng)所需的總線 。 虛擬儀器硬件系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)硬件平臺(tái)和測(cè)試功能硬件。用戶可以用這類軟件進(jìn)行深層開發(fā) ，以 擴(kuò)展儀器原有的功能。 虛擬儀器的本質(zhì)是利用現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)加上特殊設(shè)計(jì)的儀器硬件和專用軟件形成既有內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 普通儀器的基本功能又有 一般儀器所沒有的特殊功能的高檔低價(jià)的新型儀器。 就功能而言 ， 虛擬儀器是基于計(jì)算機(jī)的儀器 ， 儀器工作時(shí)通過操縱位于計(jì)算機(jī)屏幕虛擬面板上的“按鈕”來完成檢測(cè)或者控制任務(wù) 。隨著一些新的 PC 技術(shù)和數(shù)據(jù)采集技術(shù)逐漸應(yīng)用到虛擬儀器內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 中 ， 虛擬儀器技術(shù)也有了一些新的進(jìn)展。 本系統(tǒng)的工作原理是： 如圖 所示， 接通電源后，多諧振蕩器產(chǎn)生電脈沖由 INTO輸入單片機(jī)，先使 TR0=1， INTO 變?yōu)楦唠娖胶?T0 開始計(jì)數(shù)， INTO 變?yōu)榈碗娖胶笸Ｖ褂?jì)數(shù)，把計(jì)數(shù)值 （ TH0、 TL0） 與預(yù)先放置在“溫度表”中 的 與一定的脈沖寬度對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)值 （ TH0、 TL0 的值 ） 相比較就可轉(zhuǎn)化為溫度。但是即熱式電熱水器的額定功率較高，一般需要 5000 瓦以上才能保證使用 。該中心預(yù)計(jì)，在城 市電網(wǎng)更大范圍改造和城市住房市場(chǎng)大 規(guī)模啟動(dòng)的帶動(dòng)下，今后幾年我國(guó) 電熱水器市場(chǎng)將呈現(xiàn)強(qiáng)勁增長(zhǎng)的勢(shì)頭。隨著人民生活水平和環(huán)保安全意識(shí)的不斷提高和我國(guó)電力工業(yè)的不斷發(fā)展，電熱水器越來越受到消費(fèi)者的青睞，電熱水器的使用得到不斷普及。目前市場(chǎng)上熱水器主要品種有電熱水器、太陽能熱水器、燃?xì)鉄崴鳌? 顧名思義，即熱式電熱水器就是利用 電熱管 、電熱棒、 玻璃 管或塑料管加熱，即開即熱，無需預(yù)熱和保溫。 安全 、節(jié)能 、 多功能 、 智能化 、 數(shù)字化是其主要發(fā)展方向 。 圖 基于單片機(jī)的電熱水器溫度控制系統(tǒng) 由單片機(jī)構(gòu)成的電熱水器 溫度 控制器具有多功能、安全、適用性強(qiáng)等特點(diǎn) ， 與同類的電熱水器相比還具有節(jié)能的優(yōu)點(diǎn) ， 因此將具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。 虛擬儀器的出現(xiàn) ，克服了以硬件為主 的傳統(tǒng)儀器的功能只能由廠家定義而用戶難以改變的缺陷 。 以上兩點(diǎn)是虛擬儀器的必備要素 。 虛擬儀器的結(jié)構(gòu)及組成 一套完整的虛擬儀器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)一般來說分為四層 ： （ 1） 測(cè)試管理層 用戶使用虛擬儀器生產(chǎn)廠商開發(fā)的應(yīng)用程序 ， 組成自己的一套測(cè)試儀器。 一個(gè)完整的 虛擬儀器主要由高效的軟件、模塊化的 I/O 硬件以及用于集成的軟硬件平臺(tái)組成。根據(jù)構(gòu)成虛擬儀器的接口總線不同，主要可分為如下幾種構(gòu)成方案， 按照構(gòu)成虛擬儀器的接口總線不同，可分為 PCDAQ、 GPIB、 RS232/RS42 VXI、 PXI 等。其中 ， 控制器安裝在零號(hào)槽中，稱為零槽控制器。 （ 6） 基于現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備的虛擬儀 器，它是以 Fieldbus 標(biāo)準(zhǔn)總線儀器及 PC 機(jī)為儀器硬件平臺(tái)的。每個(gè)儀器都有自己的儀器驅(qū)動(dòng)程序，由儀器廠商提供。所以，只要把程序流程框圖畫好了，程序也就差不多編好了。 （ 2） 根據(jù)測(cè)試要求確定儀器功能。也可以把它想象為傳統(tǒng)儀器機(jī)箱里用來實(shí)現(xiàn)儀器功能的零部件。 在性能上，隨著 A/D 轉(zhuǎn)換技 術(shù)、儀器放大技術(shù)、抗混疊濾波技術(shù)與信號(hào)調(diào)理技術(shù)的發(fā)展， DAQ 的采樣速率已達(dá) 1Gb/s，精度高達(dá) 24 位，通道數(shù)高達(dá) 64 個(gè)，并能任意結(jié)合數(shù)字 I/O、模擬 I/O、計(jì)數(shù)器 /定時(shí)器等通道。 其工作原理是：由主機(jī)啟動(dòng)程序，發(fā)出按時(shí) 間步進(jìn)的頻率控制字送入信號(hào)源電路，產(chǎn)生頻率隨時(shí)間在 1MHz～ 70MHz 范圍內(nèi)變化的恒幅正弦波模擬信號(hào)。該總線具有輕巧簡(jiǎn)便、價(jià)格便宜、連接方便快捷的 特點(diǎn)，現(xiàn)在已被廣泛用于寬帶數(shù)字?jǐn)z像機(jī)、掃描儀、打印機(jī)及存儲(chǔ)設(shè)備。 USB 總線具有“即插即用 — plugamp。每臺(tái) GPIB 儀器有單獨(dú)的地址，由計(jì)算機(jī)控制操作。 PXI 總線方式的虛擬儀器 PXI 總線 是 1997 年由 NI 公司推出的一種新的開放性、模塊化的儀器總線規(guī)范，它是在 PCI 總線內(nèi)核技術(shù)上增加了成熟的技術(shù)規(guī)范和要求形成的。以太網(wǎng)采用的 TCP/IP 協(xié)議在 Inter 內(nèi)廣泛使用。用戶完全可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求，將先進(jìn)的信號(hào)處理算法、人工智能技術(shù)和專家系統(tǒng)應(yīng)用于儀器設(shè)計(jì)與集成，從 而將智能儀器水平提高到一個(gè)新的層次。使用計(jì)算機(jī)的多媒體處理能力可以使儀器操作變得更加直觀、簡(jiǎn)便、易于理解，測(cè)量結(jié)果可以直接進(jìn)入數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)或通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展， 尤其是數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的進(jìn)步 ， 在儀器的信號(hào)處理部分，用軟件代替硬件成為可能 ， 即：用算法代替電 子線路 ， 能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)儀器的信號(hào)處理功能， 即把傳統(tǒng)儀器的后兩部分 （ 信號(hào)處理、結(jié)果表達(dá)與儀器控制 ） 用計(jì)算機(jī)軟件來實(shí)現(xiàn)，而不再采用硬件 （ 電內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 子線路 ） 來實(shí)現(xiàn)?；谔摂M儀器的網(wǎng)絡(luò)化測(cè)控系統(tǒng)是分布式測(cè)控系統(tǒng)，它利用網(wǎng)絡(luò)將分散的各種測(cè)控設(shè)備相連接，利用 網(wǎng)絡(luò)完成數(shù)據(jù)采集、處理、傳輸，以實(shí)現(xiàn)信息、資源共享，協(xié)同工作，從而完成復(fù)雜的測(cè)控任務(wù)，因而具備以下功能： （ 1） 支持遠(yuǎn)程測(cè)控； （ 2） 支持分布式應(yīng)用； （ 3） 支持異地域數(shù)據(jù)存?。?（ 4） 支持異地服務(wù)請(qǐng)求與訪問。該系統(tǒng)主要面向大眾用戶，盡管普及面較廣，但基于 Windows 操作系統(tǒng)的應(yīng)用程序占用內(nèi)存大，系統(tǒng)穩(wěn)定性不理想，常出現(xiàn)“死機(jī)”現(xiàn)象。每個(gè)程序都有自己的主內(nèi)存區(qū) ，系統(tǒng)處理主內(nèi)存區(qū)是采取保護(hù)的方式，可以避免 因?yàn)橐粋€(gè)程序的執(zhí)行失敗而引起整個(gè)系統(tǒng)癱瘓。 溫度 測(cè)量及 調(diào)理電路 溫度測(cè)量及調(diào)理電路 主要由溫度傳感器和信號(hào)調(diào)理兩部分組成，用于對(duì)電熱水器溫度的檢測(cè) 及信號(hào) 調(diào)理。 溫度的測(cè)量和控制主要取決于溫度測(cè)量精度，因此，為了保證精度，從硬件采用了三個(gè)方面的措施： （ 1） 測(cè)量中傳感器的連接采用三線制方法 。 圖 即為溫度 信號(hào) 調(diào)理電路的電路圖 。 圖 中的晶閘管 VT1 和 VT2 也可以用一個(gè)雙向晶閘管代替。α =0 時(shí)，相當(dāng)于晶閘管一直接通，輸出電壓為最大值 U0=U1。 0 TUUTT m?? （ ） V T1V T2U1U0I0RG 2G 1 圖 調(diào)壓方案電路圖 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） ω tU10ω t0ω tU00ω t0I0GT 1αT /2G 1 G 2 圖 調(diào)壓方案波形圖 為了讓用戶在使用時(shí)不必?fù)?dān)心由于外電路原因或誤操作引發(fā)計(jì)算機(jī)部件和采集卡的燒壞，通常需要在采集卡和強(qiáng)電設(shè)備之間設(shè)置電隔離，考慮到采集卡的輸出信號(hào)需要對(duì)后續(xù)電路的觸發(fā)，這里選用集隔離、過零檢測(cè)、過零觸發(fā)功能于一體的光電藕合器件MOC3041，它具有體積小、功耗低、抗干擾能力強(qiáng)、無噪音等優(yōu)點(diǎn)，可為大功率的 晶閘管提供足夠的觸發(fā)電流。 本系統(tǒng)在綜合考慮 A/D 和 D/A 通道數(shù)目、采樣速率、輸入精度、 A/D 和 D/A 轉(zhuǎn)換速度、分辨率與精度等技術(shù)指標(biāo)的情況下，選用 NI 公司的 PC