【正文】 PID 控制和智能控制的介紹 PID 控制技術(shù)。因此，除了定期檢定外，為了減少誤差，經(jīng)常抽檢套管是否結(jié)焦 也是必要的。金屬保護管因其導(dǎo)熱性能好，其插入深度應(yīng)該深一些。 熱電偶測溫 的硬件由熱電偶傳感器、集成溫度傳感器 、 AD590、信號調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集卡及 PC 四部分組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖所示。 AD590 半導(dǎo)體集成溫度傳感器是一種二端式器件，測溫范圍 55150℃ ，工作電壓 430V， AD590 是一種恒流源形式的溫度傳感器，只需要在其二端加上一定工作電壓則其輸出電流隨溫度變化而變化，其線性電流輸出為 1uA/K， 即溫度每變化 1 攝氏度其輸出電流變化 1 毫安。本系統(tǒng)選用一階慣性加純滯后環(huán)節(jié)（ ）作為電阻爐模型。網(wǎng)絡(luò)化的虛擬儀器可以為遠程故障診斷提供形象生動的現(xiàn)場資源，增強臨場感。即使像數(shù)字萬用表，發(fā)生器等基礎(chǔ)測量儀器，國產(chǎn)的與進口的產(chǎn)品在功能上，易用性方面仍存在差距。它功能強大，可實現(xiàn)示波器、邏輯分析儀、頻譜儀、信號校正器等多種普通儀器全部功能，配以專用探頭和軟件還可以檢測特定系統(tǒng)的參數(shù)，如汽車發(fā)動機參數(shù)、汽油標(biāo)號、爐窯溫度、血液脈搏波、心電參數(shù)等多種數(shù)據(jù) ； 它操作靈活，完全圖形化界面，風(fēng)格簡約，符合傳統(tǒng)設(shè)備的使用習(xí)慣，用戶不經(jīng)培訓(xùn)即可迅速掌握 操作規(guī)程 ； 它集成方便不但可以和高速數(shù)據(jù)采集設(shè)備構(gòu)成自動測量系統(tǒng)，而且可以和控制設(shè)備構(gòu)成自動控制系統(tǒng)。這樣，在每個分面板上就可以實現(xiàn)功能操作的單純化與面板布置的簡潔化，從而提高操作的準(zhǔn)確性和便捷性。另外，它還有一個多線程和用于最大限度提高系統(tǒng)性能的優(yōu)化圖形編輯器。隨著軟件技術(shù)的迅速發(fā)展，軟件開發(fā)的模塊化、復(fù)用化，對各種硬件儀器的驅(qū)動軟件模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化，將使 虛擬儀器軟件開發(fā)變得更加方 便。可以根據(jù)實際的情況采用不同的 I/O 接口硬件設(shè)備，如數(shù)據(jù)采集卡 (DAQ)、 GPIB 總線儀器、 VXI 總線儀器、 PXI 總線儀器、串口儀器等。虛擬儀器將信號分析，顯示，存儲，打印和其他管理集中交由計算機來處理，充分利用了計算機的強大的數(shù)據(jù)處理，傳輸和發(fā)布能力，使得組建系統(tǒng)變得更加靈活、簡單。虛擬儀器概念的出現(xiàn)，打破了傳統(tǒng)儀器由廠家定義功能的工作模式，使得用戶可以根據(jù)自己的要求，設(shè)計自己的儀器系統(tǒng)。 論 文研究的主要內(nèi)容 本文以電阻爐為研究對象，針對電阻爐的溫度，在比較、研究不同控制策略的基礎(chǔ)上，主要對 虛擬儀器在電阻爐溫度控制中的應(yīng)用進行了研究。根據(jù)需要，爐內(nèi)氣氛可以是普通氣氛、保護氣氛或真空。電阻爐是熱處理生產(chǎn)中應(yīng)用最廣的加熱設(shè)備，這樣加熱時均溫過程的測量與控制就成為關(guān)鍵性的技術(shù)。 作為計算機技術(shù)和現(xiàn)代儀器技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，虛擬儀器實現(xiàn)了在傳統(tǒng)測試理論和控制 方法上的革命性突破。 PID controller。按電熱產(chǎn) 生方式，電阻爐分為直接加熱和間接加熱兩種?？傊?，我國的電阻爐的控制設(shè)備的現(xiàn)狀不容樂觀，它主要有以下特點 ： 一小部分比較先進的設(shè)備和大部分比較落后的設(shè)備并存。 文研究的重點和難點 電阻爐具有高度非線性、大時滯、大慣性、時變性等特點，應(yīng)用傳統(tǒng)的 PID 控制雖然結(jié)構(gòu)簡單、容易實現(xiàn)，卻依 賴于被控對象精確的數(shù)學(xué)模型且無法保證控制精度。在系統(tǒng)集成后，對被測對象進行數(shù)據(jù)采集、分析、存儲、顯示，組建自己所需要的儀器。此外，用基于軟件體系結(jié)構(gòu)的虛擬儀器代替基于硬件體系結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)儀器，還 可以大大節(jié)約儀器的購買和維護費用。其中， PCDAQ 系統(tǒng)是構(gòu)成Vl 的最基本的方式，也是最廉價的方式。 LabVIEW 是一個面向最終用戶的工具，它可以增強用戶構(gòu)建自己的科學(xué)和工程系統(tǒng)的能力，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，使用它進行原理研究、設(shè)計、測試并實現(xiàn)儀器系統(tǒng)時，可以大大提高工作效率，其主要特點可歸納為如下幾點 ： (l)簡單的方案 。前面板包括旋鈕、按鈕、圖形和其它的控 制 (controls)與顯示對象 (indieators)。如今， 許多插卡式的數(shù)據(jù)采 集主板同時還設(shè)置了技術(shù)先進的直接存儲器存取 時以及兼容于多種主板的觸發(fā)功能，增強了主板之間的同步性和信號結(jié) 合性。虛擬儀器設(shè)計所采用的圖形化編程語言，十分適合工程師應(yīng)用，有利于提高企業(yè)自主開發(fā)和管理項目的能力，降低工業(yè)自動化技術(shù)改造的成本。這種思想對從根本上改變傳統(tǒng)實驗教學(xué)方法，降低實驗室建設(shè)與管理成 本，實現(xiàn)遠程實驗教學(xué)具有重要的參考價值。 模型的檢驗 。它們被稱為標(biāo)準(zhǔn)熱電偶。由于熱電偶熱電 勢和溫度之間的非線性以及冷端溫度的不穩(wěn)定，影響了測溫精度。 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行線性插值，可以實現(xiàn)熱電偶的高精度測溫。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。 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)律進行運算，發(fā)出相應(yīng)的控制信號去推動執(zhí)行器。 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)。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行檢定。接觸法測溫的基本原 理是測溫元 件要與被測對象達到熱平 衡。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”按鍵進行測量。本系統(tǒng)采用 級 K 型熱電偶。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，從而達到冷端溫度補償?shù)淖饔?。?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。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。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)。在任何一種情況下，軟件界面可按照用戶的需求進行設(shè)計，以使用戶操作方便和快捷。 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。 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。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)。 (5)便于構(gòu)成復(fù)雜的測試系統(tǒng)，經(jīng)濟性好。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。 (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。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，進行各種預(yù) 定的控制。按傳熱方式，電阻爐分為輻射式電阻爐和對流式電阻爐。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。 本文把虛擬儀器與智能溫度控制相結(jié)合，用LabVIEW 開發(fā)了一套自整定的 PID 控制算法的溫度控制系統(tǒng)。其次，當(dāng)生產(chǎn)環(huán)境發(fā)生變化而影響到控溫精度時，要有合適的手段進行調(diào)整以達到精度要 求。小型爐（＜ 10 千瓦）單相供電，大型爐三相供電。本文主要進行了以下幾方面的工作 ：(1)論述了電阻爐溫度控制系統(tǒng)的課題目的、意義，溫度控制系統(tǒng)系統(tǒng)的國內(nèi)外發(fā)展概況及本論文的主要內(nèi)容并對電阻爐溫度控制特點進行了簡要分析?！败浖褪莾x器”是虛擬儀器概念最簡單，也是最本質(zhì)的表述。傳統(tǒng)儀器的某些硬件在虛擬儀器中被軟件代替，由于減 少了許多隨時間可能漂移、需要定期校準(zhǔn)的分立式模擬硬件，加上標(biāo)準(zhǔn) 總線的使用，使儀器的測量精度、測量速度和可重復(fù)性都大大提高。① PC 一 DAQ 系統(tǒng) ： 是以數(shù)據(jù)采集板、信號調(diào)理電路和計算機為儀器硬件平臺組成的插卡式虛擬儀器系統(tǒng)。它把復(fù)雜的語言編程簡化成用圖形編程的方式，為編程的調(diào)試提供了簡單方便的環(huán)境，同時集成了大量的生成圖形界面的模塊，豐富的數(shù)值分析與處理功能。此外， LabVIEW 還可以生成在沒有 LabviEw 編程環(huán)境的目標(biāo)機器上運行可執(zhí)行的代碼。 表 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器比較 虛擬儀器 傳統(tǒng)儀器 開發(fā)和維護費用低 開發(fā)和維護開銷大 技術(shù)更新時間短（ 12 年） 技術(shù)更新周期長（ 510 年） 軟件是關(guān)鍵，系 統(tǒng)性能升級方便，通過網(wǎng)絡(luò)下載升級程序即可 硬件是關(guān)鍵，升級成本高 價格低廉，儀器資源可重復(fù)利用率高 價格 較昂貴，儀器資源重復(fù)利用率低 用戶可自定義儀器功能，并且可以根據(jù)實際情況更改 只有廠商能定義儀器功能，一旦定義好以后就難以更改 可通過網(wǎng)絡(luò)連接其他儀器，實現(xiàn)資源共享或協(xié)同工作 功能一般比較單一，只能連接有限的獨立設(shè)備 開放性好、比較靈活，可與計算機技術(shù)保持步發(fā)展 開放性差，利用新技術(shù)為自己服務(wù)的速率低 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明 書（畢業(yè)論文） 9 從表可以看出與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器具有絕對的優(yōu)勢。從總體上而言，虛擬儀器是測量測試領(lǐng)域的一個創(chuàng)新概念，改變了人們對儀器的傳統(tǒng)觀念，適應(yīng)了現(xiàn)代測試技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展趨勢。采用虛擬儀器技術(shù)，將過去的儀器中許多靠硬件來完成實現(xiàn)的功能用軟件來代替，利用商品化的數(shù)據(jù)采集和 PC 技術(shù)，完全可以開發(fā)出各行各業(yè)急需的各種測量儀器，縮短我國與世界先進國家在儀器領(lǐng)域的差距。要實現(xiàn)虛擬儀器在網(wǎng)絡(luò)平臺上的應(yīng)用最關(guān)鍵的問題是 ： 如何充分考慮到虛擬儀器測量的數(shù)據(jù)量大、實時性強等特點，有效地將采集到的信號轉(zhuǎn)化為適合于在以太網(wǎng)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信號，從而實現(xiàn)在應(yīng)用程序間共享現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)。 溫度傳感器的選用 熱電偶的工作原理 ： 把兩種不同材料導(dǎo)體的一端連接在一起，當(dāng)連接點的溫度和導(dǎo)體另一端的溫度不同時，由于電子熱運動的差異，會在導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生熱電勢塞貝克效應(yīng)， 其值與被測溫度有確定的關(guān)系，熱電偶就是把這種溫度差量轉(zhuǎn)化成電勢量的溫度傳感器。 根據(jù)國際電工委員會 (IEC)推薦的八種類型標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶，以及本設(shè)計要求，測控對象 (電阻爐 )的溫度變化范圍為 200 到 800℃ ，選用 K 型熱電偶 (鎳鉻一鎳硅熱電偶 )作為檢測元件，其測溫范圍一般在 200 到 1200℃ ，具有高溫下抗 氧化，抗腐蝕，穩(wěn)定性好等特點。 集成溫度傳感器 AD590 測量實時環(huán)境溫度實現(xiàn)冷端補償， AD590 是由美國模擬器件公司 (AD)生產(chǎn)的恒流源式模擬集成溫度傳感器，它兼有集成恒流源和集成溫度傳感器的特點，測量誤差小、體積小、微功耗，適合遠距離測溫，不需要進行非線性校正。 見下表： 表 高溫高壓蒸汽管道和一般流體介質(zhì)管道的插入深度一覽表 高溫高壓蒸汽管道 一般流體介質(zhì)管道 公稱通徑或管道外徑 ≤ 250mm ＞ 250mm ≤ 500mm ＞ 500mm 插入深度 70mm 100mm 管道外徑的 300mm 從表可以看出，對高溫高壓蒸汽管道的公稱通徑小于等于 250mm 時，插入深度宜為70mm。 所謂熱電偶的劣化，即熱電偶經(jīng)使用后，出現(xiàn)老化變質(zhì)的現(xiàn)象。傳統(tǒng)的控制技術(shù)是基于被控對象的精確數(shù)學(xué)模型的控制方式，采用固定的控制算法，控制系統(tǒng)由于依賴于數(shù)學(xué)模型而缺乏靈活性和應(yīng)變能力。如果采用模糊推理的方法實現(xiàn) PID 參數(shù) ：IT 、 DT 的在線自適應(yīng)，不僅保持了常規(guī) PID 控制的特點，而且具有更大的靈活性、適應(yīng)性和精確 性等優(yōu)點，是目前一種較為先進的控制算法。三、 熱阻抗 。插入深度的控制： 熱電偶測溫時，沿著傳感器長度方向會產(chǎn)生熱流，如果冷熱端溫差較大，就會有熱損失產(chǎn)生，這將導(dǎo)致熱電偶熱端溫 度比被測實際溫度偏低而產(chǎn)生測溫誤差。在眾多虛擬儀器應(yīng)用軟件中，又以美國國家儀 器公司開發(fā)的圖形化編程語言 LabVIEW 最受專業(yè)人員的青睞。鉑電阻由于成本高 ， 而且在還原介質(zhì) 中容易被從氧化物中還原出來的氣體 污染而影響壽命。采取比例積分微分 (PD)控制方案，選取了比例控制 (P)、比例積分控制 (PI)、比例積分微分 (PID)三種控制器結(jié)構(gòu)，并對每種結(jié)構(gòu)選取無超調(diào)、有超調(diào)和無法穩(wěn)定收斂三種典型控制 效果的控制參數(shù)，將模型的仿真結(jié)果與實際控制結(jié)果進行比較 。 尤其要提及的是在 NI 公司的 LabVIEW 這個開發(fā)平臺上，應(yīng)用 NI 的技術(shù)，虛擬儀器網(wǎng)絡(luò)化也成為了現(xiàn)實。由于工業(yè)基礎(chǔ)比較落后，我國的儀器制