【導讀】性氣氛以及特殊工況下，這種影響就更為嚴重。因此，必須按照國家檢定規(guī)程和校準規(guī)。范要求進行定期檢定。近十幾年來，國內外在實現(xiàn)熱電偶分度、檢定自動化方面作了不。程序員和特定的編程語言。由于LabVIEW的開放性和圖形化編程方式，溫度計量工程師。只需懂得一些基本編程知識，便可以對計算機測控系統(tǒng)進行設計。因此，本文提出了基。于LabVIEW平臺的熱電偶檢定爐溫度自動控制系統(tǒng)。主要分析了熱電偶的工作原理、熱

　　

【正文】 這種特性稱為熱電偶的熱電特性，可通過實驗方法求得。由此可見，當保持熱電偶冷端溫度 T0不變時，只要用儀表測得熱電勢 EAB(T ， T0)，就可求得 被測溫度。 熱電偶的檢定 所謂熱電偶檢定，是指為評定熱電偶的熱電特性是否合格而進行的全部工作。其中包括外觀檢查和在規(guī)定的溫度點檢查其熱電動勢的量值大小和穩(wěn)定程度是否符合標準規(guī)范，熱電偶的檢定步驟和檢定周期按國家計量部門制訂的檢定規(guī)程進行。 熱電偶檢定爐是電阻爐的一種，是一種具有純滯后的大慣性系統(tǒng)，開關爐門、加熱材料、環(huán)境溫度以及電網電壓等都影響控制過程，傳統(tǒng)的 檢定 爐控制系統(tǒng)大多建立在一定的數學模型基 礎上，對被控對象中的非線性、時變性及隨機干擾無能為力。當前階段，實驗室人員 熱電偶檢定要求 溫度來調節(jié) 檢定 爐的輸入 電 流 以實現(xiàn)對 檢定 爐的溫度控制，一般的有兩種方法 :第一種就是手動調壓法：此種方法在當今試驗室中比較普遍，這種方法的缺點是控制過程中必須有試驗人員在場，浪費人力資源，控制精度依賴于試驗者的調節(jié)，控制精度不高。第二種控制方法在主回路中采取雙向可控硅裝置，并結合一些簡單的儀表，使得保溫階段能夠自動保溫，但其升溫過程還是依賴于試驗者的調節(jié)，并不能精確的按照給定的升降溫速度來調節(jié)。總之，我國的 檢定 爐的控制設備的 現(xiàn)狀不容樂觀，一小部分比較先進的設備和大部分比較落后的設備并存 [26]。 檢定時用 雙向可控硅 來調節(jié)爐溫，當爐溫 達到所需的檢定溫度點 10C??內，且爐溫內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 變化每分鐘不超過 ? 時，就可以進行讀數。檢定可采用下列三種方法的任意一種方法。 (1)雙極比較法 :將同分度號同種規(guī)格的正、負極偶絲焊接成電偶，直接測量標準器與被檢熱電偶的熱電動勢。將熱電偶束插入爐膛內，并把熱電偶的冷端引入零度恒溫器內。先使爐溫恒定在檢定點溫度附近，然后從標準偶開始依次讀取各熱電偶的熱電勢，再按相反順序進行，每支讀數不應少于 2次。 (2)同名極比較法 :將同型號的標準熱電偶與被檢熱電偶工作端捆在一起，在固定點上 進行電極的比較。 (3)微差法 :將同型號的標準與被檢熱電偶反向串聯(lián)，直接測量其熱電勢差值。 檢定爐溫度 控制過程的總體設計 檢定爐溫度控制的選擇 PID控制器是最早發(fā)展起來的控制策略之一，具有結構簡單、容易實現(xiàn)、控制簡單效果好、魯棒性強等特點，被廣泛應用于工業(yè)過程控制，尤其適用于可建立精確數學模型的確定性控制系統(tǒng)，在工業(yè)過程控制中至今仍得到廣泛應用 (有資料表明在 90%以上 )。不僅可以采用常規(guī)的 PID調節(jié)，而且可以根據系統(tǒng)的要求，采用各種 PID的變 種，如 PI, PD控制，不完全微分控制，積分分離式 PID控制，帶死區(qū)的 PID控制，變速積分 PID控制，比例 PID控制等等。 實際運行經驗和理論分析都表明 PID控制能滿足相當多工業(yè)對象的控制要求．至今仍是一種應用最廣泛的控制算法。 通過對檢定爐的結構和系統(tǒng)研究確定出采用的研究方案，采用的控制方案是 PID控制，它是經典控制理論中最典型的控制方法，對工業(yè)生產過程的線性定常系統(tǒng)，大多采用經典控制方法，它結構簡單，可靠性強，容易實現(xiàn)，并 且 可以消除穩(wěn)定誤差，在大多數情況下能夠滿足性能要求。 PID 控制在生產過程中是一種被 普遍采用的控制方法，是一種比例、積分、微分并聯(lián)控制器。常規(guī) PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖 。 內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 比 例積 分微 分被 控 對 象+C ( t )r ( t )e ( t )u ( t ) 圖 PID控制原理圖 理想的 PID 控制器根據給定值 r(t)與實際輸出值 c(t)構成的控制偏差 e(t) ( ) ( ) ( )e t r t c t?? （ 37） 將偏差的比例、積分和微分通過線性組合構成控制量，對被控對象進行控制。 1 ( )( ) ( ) ( )Pdid e tu t K e t e t d t TT d t??? ? ?????? （ 38） 式中 ()ut —— 控制器的輸出； ()et —— 控制器的輸入，給定值與被控對象輸出值的差，即偏差信號； ()PKet —— 比例控制項， PK 為比例系數； 1 ()i et dtT?—— 積分控制項， iT 為積分時間常數； ()d detT dt —— 微分控制項， dT 為微分時間常數。 在圖 的基礎上分析一下 PID控制器各校正環(huán)節(jié)的作用 。 1比例環(huán)節(jié)的引入是為了及時成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號 e(t)，以最快的速度產生控制作用，使偏差向最小的方向變化。隨著比例系數 Kp的增大，穩(wěn)定誤差逐漸減小，但同時動態(tài)性能變差，振蕩比較嚴重，超調量增大。 ， 即當閉環(huán)系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)時，則此時控制輸出量和控制偏差量都將保持在某一個常值上。積分作用的強弱取決于積分時間常數 Ti，時間常數越大積分作用越弱，反之越強。隨著積分時間常數 Ti 的減小，靜差在減小 。但內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 過小的積分常數會加劇系統(tǒng)振蕩，甚至使系統(tǒng)失去穩(wěn)定。 ，它可以預測將來，能反映偏差信號的變化趨勢，并能在偏差信號值變太大之前，在系統(tǒng)引入一個有效的早期修正信號，從而加速系統(tǒng)的動態(tài)速度，減小調節(jié)時間。 在計算機直接數字控制系統(tǒng)中， PID 控制器是通過計算機 PID 控制算法程序實現(xiàn)的。PID控制器是系統(tǒng)的一個重要組成部分，實現(xiàn)對檢定 爐溫度的控制。 檢定爐溫度控制系統(tǒng)設計原則 本論文研究開發(fā)基于虛擬儀器的 檢定 爐溫度控制系統(tǒng)，要開發(fā)出好的控制系統(tǒng)，首先要進行整個系統(tǒng)的總體設計。在設計開發(fā)中主要考慮以下幾個原則 ： (1)從整體到部分的設計原則。首先把一個復雜的系統(tǒng)分解成為若 干 相對獨立的、簡單的、容易實現(xiàn)的幾個部分，再分別把這些部分分解成實現(xiàn)不同具體功能 的模塊，采用模塊化設計的思想，分別設計各個模塊，完成后再進行綜合而形成整個系統(tǒng)。本論文所研究 的基于虛擬儀器技術的溫度 控制系統(tǒng)將系統(tǒng)分成多個模塊進行設計，正是考慮了從整體到部分的設計原則。 (2)可擴展性原則。好的系統(tǒng)應該具有較好的可擴展性，當使用者需要改善系統(tǒng)的功能或者需要增加系統(tǒng)的功能時，系統(tǒng)的可擴展性顯得格外重要。如果只要對系統(tǒng)中硬件部分或軟件部分作一定的修改，系統(tǒng)的功能就會得到加強或者增加一些新的功能，那么該系統(tǒng)就具有良好的可擴展性。本論文所開發(fā)的基于虛擬儀器技術的溫度控制系統(tǒng)具有良好的可擴展性。 (3)經濟性原則。在設計一個好的系統(tǒng)時，較高的性價比，是系統(tǒng)設計和開發(fā)所不容忽視的。在滿足性能指標的前提下，應盡 可能采用實用、易實現(xiàn)、簡潔的方案，因為方案簡潔意味著所用環(huán)節(jié)少，可靠性高，而且也比較經濟。另外，在考慮經濟性時，除造價外還應顧及使用成本，即使用期間的維護費，運轉費等，必須綜合考慮后才能評估內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 出其真正的經濟效果，從而選出正確的方案。本論文所開發(fā)的基于虛擬儀器技術的溫度控制系統(tǒng)，采用 PCDAQ 虛擬儀器系統(tǒng)，正是由于此系統(tǒng)成本低。 (4)可靠性原則。所謂可靠性是指系統(tǒng)在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內完成規(guī)定功能的能力。對于本論文設計開發(fā)的基于虛擬儀器的電阻爐溫度控制系統(tǒng)，在軟硬件支持的條件下確保計算機與外圍硬件通信 順暢，不能出現(xiàn)測試過程中的通信中斷，還要軟件的容錯能力。 (5)易操作性原則。在檢定爐溫度控制系統(tǒng)的設計開發(fā)時，應該考慮系統(tǒng)的操作難易程度，盡量使系統(tǒng)的操作簡單，人機界面友好，以降低對操作人員的專業(yè)知識的要求。 檢定爐溫度控制系統(tǒng)設計軟件分析 本論文設計開發(fā)的基于虛擬儀器的檢定爐溫度控制系統(tǒng)，根據從總體到局部的設計原則，通過對系統(tǒng)功能的分析，將整個系統(tǒng)分解為實現(xiàn)不同功能的幾個部分，然后分別對每個部分設計。為了能夠實現(xiàn)檢定爐溫度控制系統(tǒng)所提出的各項具體功能，可以將整個系統(tǒng)分解為兩個部分 ： 溫度信號采集系統(tǒng)和 PID控制器。溫度信號采集系統(tǒng)由硬件和軟件兩個部分組成。其中硬件部分完成溫度信號的輸入，軟件部分完成對硬件的驅動與控制，數據顯示、處理、超溫報警 及人機交互操作界面的生成。 在本系統(tǒng)的開發(fā)過程中，將整個系統(tǒng)分解為兩個相互關聯(lián)的部分，其中溫度信號采集系統(tǒng)是采用虛擬儀器技術設計的。在虛擬儀器的設計過程中軟件的設計開發(fā)非常重要并且占據系統(tǒng)設計的大部分工作量，這是虛擬儀器較傳統(tǒng)儀器具有的優(yōu)點 —— 即用軟件代替部分硬件的功能。它可以通過軟件實現(xiàn)許多由傳統(tǒng)儀器硬件所實現(xiàn)的功能，這是虛擬儀器“軟件就是儀器”最根本的體現(xiàn)。而 PID控制器，全部都是由軟件來實現(xiàn)的。通過以上分析可知在系統(tǒng)的設計過程中，該系統(tǒng)的設計主要是軟件程序的設計，所以軟件的開發(fā)質量也將決定溫度控制系統(tǒng)的性能好壞。只有設計出運行可靠、執(zhí)行效率高的程序，才能得到整體性能良好的系統(tǒng)。 內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 被控對象數學建模 檢定爐溫度控制系統(tǒng)設計的重點在溫度控制部分，根據檢定爐的溫度特性，采用 PID控制器來實現(xiàn)對檢定 爐溫度的控制。在實際的溫度控制系統(tǒng)設計中， 簡單描述檢定爐溫度控制系統(tǒng)的模型，得出本系統(tǒng)的簡化模型圖如圖 。 微 型 計 算 機熱 電 偶檢 定 爐雙 向 可 控 硅實 際 溫 度設 定 溫 度 圖 將微型計算機簡略為控制器，將電阻爐、雙向 可控硅歸并為被控對象，由于熱電偶是將溫度信號轉化為電壓信號 ，所以略去熱電偶，使系統(tǒng)進一步簡略，可以得到系統(tǒng)控制原理圖如圖 所示，圖中輸入信號：為設定溫度，輸出信號 Y 為實際溫度， e 為誤差， u 為控制信號。從圖中可以看出，整個系統(tǒng)的數學模型可分為控制器和被控對象兩部分。 控 制 器 被 控 對 象yuer 圖 系統(tǒng)控制原理圖 設計整定 PID控制器的基礎是要對被控對象進行數學建模，它需要確定被控對象數學模型中的參數。被控對象的 數學模型不同，所用的整定程序及整定公式也會不同。本論文的被控對象檢定爐是一種能自衡的對象，將 檢定 爐爐膛內的溫度作為唯一變量。當檢定爐爐膛溫度穩(wěn)定時，則某一時刻加熱元件放出的熱量 Qt應該等于該時刻爐膛中積累的熱量 Q1，和通過爐體散失掉的熱量 Q2之和，即： 內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 12tQ Q Q?? （ 39） Q1 、 Q2大致可以用下面兩個式子表示： 1 KtdTQC d? （ 310） 式中， C 為 檢定 爐的熱容量， TK為爐內溫度， t 為 加熱 時間。 02 KTTQ R?? （ 311） 式中， T0為周圍環(huán)境溫度， R 為檢定爐的熱阻 (絕緣材料及爐內、外部流動氣體產生的 )。當爐內溫度遠遠大于環(huán)境溫度時， T0可以忽略，于是式 (311 )可以寫成： 2 KTQ R? （ 312） 將式 (38)和 (310)代入 (37)得： KKt dT TQC dt R?? （ 313） 對式 (313)兩邊取拉氏變換得： 11( ) ( ) ( ) ( )t K K KQ s C S T s T s C S T sRR??? ? ? ? ? ? ? ????? （ 314） 對式 (312 )整理可得： () 1 1()KtTsQsCS R? ?? （ 315） 從圖 中可以看到，控制器輸出的是控制信號 u，設定 u(s)正比于 Qt(s)，系統(tǒng)的輸出為爐內溫度 Tx，可得： ( ) ( )( ) ( )tKKu s Q sy s T s? ???? （ 316） 由于測量元件的時間滯后，加上檢定爐本身所固有的熱慣性，使得控制信號與溫度測量內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 值之間存在著一個 時間滯后 t，因此應給式 (315)增加一個滯后環(huán)節(jié)，即右端乘以 ets，可得： () 11() sKtTs eQs CSR????? （ 317） 將式 (316)代入 (317)得： ()( ) 11( ) ( ) 1ssKtk T sy s keeu s Q s T SCS R ????? ? ? ???? （ 318） 其中， T=RC，稱為被控對象的時間常數， K=kR，稱為被控對象的增益。式 (318 )即是被控