【正文】 之間，其誤差為士 ℃，為測量溫度的 %。本系統(tǒng)采用 級內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文）19K 型熱電偶。 電阻爐熱電偶測溫熱電偶是一種應用廣泛的測溫儀表，具有結構簡單、使用方便、能夠遠距離傳送和多點測量等優(yōu)點。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。傳統(tǒng)的冷端及非線性補償方法主要有以下兩種：一是基于硬件的補償，但補償電路復雜，成本較高，精度不夠；二是基于軟件的補償，通過微機進行擬合或插值實現(xiàn)修正，普通的軟件補償對工作人員編程能力要求較高，計算量大，實時性不是很好。因此，傳統(tǒng)補償方法在很多場合己經(jīng)不能適應現(xiàn)代測溫的要求。而虛擬儀器的出現(xiàn)可以較好的解決這樣一些問題。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)儀器的功能軟件化。在眾多虛擬儀器應用軟件中，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。LabVIEW 軟件開發(fā)系統(tǒng)是用工程人員所熟悉的術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)人員的負擔，使其將主要精力集中投入到系統(tǒng)設計中，而不再是具體軟件細節(jié)的推敲上。 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)結構如圖所示。圖 熱電偶測溫系統(tǒng)結構框圖熱電偶采集被測溫度信號并將其轉化為電壓信號，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，轉換為數(shù)字信號傳給 PC。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。通過取樣電阻將電流信號轉換為前 置 放 大AD590 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)蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文）20電壓信號，經(jīng)放大后，由數(shù)據(jù)采集卡采集進入 PC。由基于 LabVIE1V 的軟件采用二次查表法加線性插值實現(xiàn)溫度的測量與顯示。實驗在 CSY2022C 型傳感器實驗臺上進行，實驗臺提供了加熱源( 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。實驗時 K 型熱電偶插入加熱源測量熱源的溫度，AD590 測量實驗室環(huán)境溫度。運行測溫軟件，設定溫度值為 100℃+n X△t ，△t=5℃ ， n=0， 1，2……18，每隔一段時間，按下前面板的“顯示結果”按鍵進行測量。軟件自動顯示冷、熱端溫度及電壓，畫出溫度變化曲線。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。同時充分利用虛擬儀器發(fā)展的最新成果，將許多以前用硬件或人工計算所做的工作通過軟件來實現(xiàn)，大大提高了檢測效率，節(jié)約了成本，可以彌補傳統(tǒng)測試的許多弊端，必將是測控技術發(fā)展的個方向。 偶測溫誤差分析一、插入深度。測溫點的選擇：熱電偶的安裝位置，即測溫點的選擇是最重要的，選擇測溫點時應具有典型性、代表性，否則將失去測量與控制的意義。測溫元件應安裝在測量值能代表被測介質(zhì)溫度的位置，不得裝在管道和設備的死角，且不應受到劇烈震動和沖擊。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。為了解決這種由熱傳導引起的誤差，必須保證熱電偶有足夠的插入深度，而插入深度又與保護管材質(zhì)有關。金屬保護管因其導熱性能好，其插入深度應該深一些。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。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，插入深度宜為內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文）2170mm。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。當然，具體插入深度還必須兼顧容器體積或管道內(nèi)徑等因素。對于實際工程測溫，其插入深度還應考慮被測介質(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，插入深度可適當淺一些，具體數(shù)值由實際情況分析確定。二、熱響應時間。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。在測溫時需要保持一定時間，才能使兩者達到熱平衡，而保持時間的長短，同測溫元件的熱響應時間有關。熱響應時間要取決于傳感器的結構及測量條件，差別極大。對于氣體介質(zhì)，尤其是靜止氣體，至少應保持 30min 以上才能達到平衡；對于液體而言，最快也要在 5mi n 以上。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時間在毫秒級。普通的溫度傳感器不僅跟不上被測對象的溫度變化速度出現(xiàn)滯后，而且也會因達不到熱平衡而產(chǎn)生測量誤差。因此，最好選擇響應快的傳感器。三、熱阻抗。在高溫下使用的熱電偶，如果被測介質(zhì)為氣態(tài)，那么保護管表面沉積的灰塵等將燒熔在表面上，使保護管的熱阻抗增大；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時間，而且還使指示溫度偏低。因此，除了定期檢定外，為了減少誤差，經(jīng)常抽檢套管是否結焦也是必要的。四、熱電偶的劣化。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。由金屬或合金構成的熱電偶，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。伴隨上述變化，熱電偶的熱電動勢也將極其敏感地發(fā)生變化。因此，熱電偶的劣化現(xiàn)象是不可避免的。 熱電偶的劣化因其自身情況不同而異，主要原因是：一方面熱電偶材料本身長期在高溫作用下發(fā)生變質(zhì)；另一方面測溫環(huán)境各種氣氛對熱電偶的作用使熱電極發(fā)生質(zhì)變。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。 盡管熱電偶測溫誤差會因為插入深度、熱響應時間、熱輻射及熱阻抗、熱電偶劣化等因素而存在，但如果能夠清楚誤差產(chǎn)生的原因，掌握解決辦法，并積極采取相應有效的補償措施，仍然能減小測溫誤差，提高測量準確度，從而延長熱電偶的使用壽命。內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文）22內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文）23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)出相應的控制信號去推動執(zhí)行器?？刂破鞯目刂埔?guī)律，即為控制器的 PID 算式。PID 控制算式是一種在工業(yè)控制中廣泛運用的控制策略。它的優(yōu)點是原理簡單，易于現(xiàn)實，穩(wěn)定性能好。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。如果采用模糊推理的方法實現(xiàn) PID 參數(shù)： IT、 D的在線自適應，不僅保持了常規(guī) PID 控制的特點，而且具有更大的靈活性、適應性和精確性等優(yōu)點，是目前一種較為先進的控制算法。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合常規(guī)的 PID 控制算式。 PID 控制和智能控制的介紹PID 控制技術。傳統(tǒng)的控制技術是以經(jīng)典控制理論或現(xiàn)代控制理論為基礎發(fā)展起來的，具有原理簡單、實現(xiàn)容易、技術成熟等優(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。傳統(tǒng)的控制技術是基于被控對象的精確數(shù)學模型的控制方式，采用固定的控制算法，控制系統(tǒng)由于依賴于數(shù)學模型而缺乏靈活性和應變能力。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)方法難以解決的復雜系統(tǒng)的控制。隨著工業(yè)生產(chǎn)的飛速發(fā)展，被控對象越來越復雜，常常表現(xiàn)為高度的非線性、強干擾、動態(tài)突破性以及分散的執(zhí)行器、分層的決策機構、復雜的結構信息等，這樣的被控對象往往存在難以用精確數(shù)學方法描述的不確定性。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)通過線性組合構成控制量，對控制對象進行控制。在常規(guī) PID 的應用中，P、I、D 三個參數(shù)往往根據(jù)現(xiàn)場設備情況或調(diào)試經(jīng)驗人工設定的，通過調(diào)試實驗改變參數(shù)以改變控制性能。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)和內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文）24可靠性高，被廣泛應用于工業(yè)過程控制，尤其適用于可建立精確數(shù)學模型的確定性控制系統(tǒng)。而實際工業(yè)生產(chǎn)過程往往具有非線性、時變性、不確立性，難以建立精確的數(shù)學模型，應用常規(guī) PID 控制器不能達到理想的控制效果；而在實際現(xiàn)場中，由于受到參數(shù)整定方法煩雜的困擾，常規(guī) PID 控制參數(shù)往往整定不良、性能欠佳，對運行工況的適應性較差，鑒于此情況，人們一直在研究 PID 參數(shù)的自動整定技術，以適應復雜的工況和高指標的控制要求。隨著微機技術和智能控制理論的發(fā)展，出現(xiàn)了許多新型 PID 控制器，例如模糊 PID、神經(jīng) PID、預測 PID 等，對于復雜對象，其控制效果遠遠超過常規(guī) PID 控制。智能控制。 “智能控制”一詞在 1967 年 Leondes 和 Mendel 在他們的“人工智能控制”技術報告中正式使用，智能控制是一門新興的理論和技術，目前關于智能控制的定義、理論、結構等尚無統(tǒng)一的系統(tǒng)描述，1993 年美國 IEEE 控制系統(tǒng)學會智能控制技術委員會邀請成立一個專家小組，目的在于描述智能控制系統(tǒng)的特點，對“智能控制”一詞進行定義。在上述專家小組發(fā)表的綜合報告中指出，實際上稱為具有智能的系統(tǒng)其智能應相當高才行。通常這種智能要求具有感知環(huán)境、作出決策和控制動作的能力，更高的智能還包括認識目標和事件用語言模型代表知識，對未來作出推理和計劃。智能控制的研究對象具有以下幾個特點：一、模型的不確定性。智能控制的對象通常存在嚴重的不確定性，其不確定性是指模型未知或知之甚少以及模型的結構和參數(shù)可能在很大范圍內(nèi)變化。二、高度的非線性。在傳統(tǒng)的控制理論中，線性理論比較成熟，而非線性理論很不成熟，非線性控制方法也比較復雜，采用智能控制方法可以較好的解決非線性系統(tǒng)的控制問題。三、復雜的任務要求。傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)控制任務要求比較單一，智能控制系統(tǒng)可以完成復雜的任務要求。例如在復雜的工業(yè)過程控制系統(tǒng)中，除了要求對各被控物理量實現(xiàn)定值調(diào)節(jié)外，還要求能實現(xiàn)整個系統(tǒng)的自動啟停、故障的自動診斷以及緊急情況的自動處理等功能。智能控制是一類無需人的干預就能獨立驅動智能機械而實現(xiàn)其目標的自動控制， “智能”一詞是對系統(tǒng)的自動化程度、范圍及所能完成復雜控制任務的功能的表征，一般智能控制系統(tǒng)的功能包括以下三點：一、學習功能。系統(tǒng)能對一個過程或未知環(huán)境所提供的信息進行識別、記憶、學習并利用積累的經(jīng)驗進一步改善系統(tǒng)的性能。二、適應功能。系統(tǒng)應具有適應受控對象動力學特性、環(huán)境變化和運行條件變化的能力。三、組織功能。對于復雜任務和分散的傳感信息具有自組織和協(xié)調(diào)功能，使系統(tǒng)具有主動性和靈活性。智能控制的方法很多，包括專家控制、神經(jīng)控制、模糊控制、基于模式識別的智能控制、多模變結構智能控內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文）25制、仿人智能控制等，現(xiàn)介紹主要的三種智能控制方法——專家控制、神經(jīng)控制、模糊控制。專家系統(tǒng)通過某種知識獲取手段，把人類專家領域的知識和經(jīng)驗技巧移植到計算機中，并且模擬人類專家的推理、決策過程，表現(xiàn)出求解復雜問題的人工智能。因而，專家系統(tǒng)是一種人工智能的計算機程序系統(tǒng)，這些程序軟件具有相當于某個專門領域的專家的知識和經(jīng)驗水平，以及解決專門問題的能力。專家系統(tǒng)在結構上有兩個基本要素：一、知識庫——存儲有某個專門領域中經(jīng)過事先總結的按某種格式表示的專家水平的知識條目。二、推理機制——按照類似專家水平的問題求解方法，調(diào)用知識庫中的條目進行推理、判斷和決策。專家控制是將專家系統(tǒng)的理論和技術同控制理論方法和技術相結合，在未知環(huán)境下，仿效專家的智能，實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制。專家控制系統(tǒng)不同于離線的專家系統(tǒng)，其不僅是獨立的決策者，而且是具有獲得反饋信息并能實時在線控制的系統(tǒng)。專家控制系統(tǒng)一般由數(shù)據(jù)庫、規(guī)則庫、推理機、人機接口及規(guī)劃環(huán)節(jié)五個部分組成，控制系統(tǒng)具有下述特點：一、高可靠性及長期運行的連續(xù)性。二、在線控制的實時性。三、優(yōu)良的控制性能和抗干擾性。四、使用的靈活性及維護的方便性。在專家控制系統(tǒng)的規(guī)則庫中含有產(chǎn)生式規(guī)則，包括專家的知識和經(jīng)驗，而把知識和經(jīng)驗表達成規(guī)則并非易事，規(guī)則的補充、完善更是困難，因為這不是一種單向的簡單的知識堆砌過程，而是一個復雜的整理過程，這也是專家控制系統(tǒng)實際應用中的難點。人工神經(jīng)網(wǎng)絡（ANN）是近幾十年發(fā)展的一門新興的交叉學科，所謂“人工神經(jīng)網(wǎng)