【導(dǎo)讀】質(zhì)量，因而對(duì)溫度控制系統(tǒng)的要求很高。目前工業(yè)電阻爐通常采用常規(guī)PID控制，PID. 制系統(tǒng)，在工業(yè)過(guò)程控制中至今仍得到廣泛應(yīng)用。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。與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器具有功能更豐富、處理速度更快、測(cè)量效率更高、可擴(kuò)充性更好的優(yōu)點(diǎn)。論文概述了智能溫度控。制的發(fā)展與現(xiàn)狀，介紹了虛擬儀器的發(fā)展及其突出特點(diǎn)。詳細(xì)地論述了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)?，F(xiàn)方法，其中包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)字濾波等功能模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。論文研究的主要內(nèi)容...

　　

【正文】 中使用。短期可以用于真空測(cè)溫 6001700 600800 8001700 鎳鉻 鑷硅 鎳鉻 鑷鋁 K 用于氧化和中性氣氛中測(cè)溫，但偶絲直徑不同， 其測(cè)溫范圍 200℃ 到 1300℃ ，不推薦在還原氣氛中使用?？啥唐谠谶€原氣氛中使用， 但必須加密封保護(hù)管 401100 401300 20040 銅 銅鎳 (康銅 ) T 用于在 200℃ 到 400℃范圍內(nèi)測(cè)溫，特性是測(cè)溫密度精度高，穩(wěn)定性好，低溫時(shí)靈敏度高， 價(jià)格低廉 40350 40350 20040 鎳鉻 銅鎳（康銅） E 用于氧化或弱還原性氣氛中測(cè)溫，按其偶絲直徑不同，測(cè)溫范圍為 200 到 900，具有穩(wěn)定好，靈敏度高，價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn) 40800 40900 20040 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） 16 鐵 銅鎳（康銅） J 用于氧化和還 原氣氛中測(cè)溫，也可以在真空和中性氣氛中測(cè)溫，按其偶絲直徑不同，測(cè)溫范圍為 40 到 750℃ ，具有穩(wěn)定性好，靈敏度高，價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn) 40750 40750 鉑銠 13鉑 R 用于氧化中氣氛中測(cè)溫，長(zhǎng)期最高使用溫度為 1300 ℃ ，短期最高使用溫度為1600℃ ，不推薦在還原氣氛中使用，但短期內(nèi)可以用于真空測(cè)溫 01600 01600 集成溫度傳感器。熱電偶 由于熱電勢(shì)小、靈敏度低 ， 在常溫區(qū)的溫度測(cè)量精度不高 ， 盡管其對(duì)溫度變化反應(yīng)靈敏 ， 但其非線性太大而影響測(cè)量精度。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(lái)的氣體 污染而影響壽命。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問(wèn) 題。 AD590 半導(dǎo)體集成溫度傳感器是一種二端式器件，測(cè)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。 AD590是一種電流型的溫度傳感器， 因此具有較強(qiáng)的抗干擾能力，使用于計(jì)算機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)距離溫度測(cè)量和控制，遠(yuǎn)距離信號(hào)傳遞時(shí)，可以采用一般的雙絞線來(lái)完成，其電阻比較大，因此不需要精密電源對(duì)其供電， 長(zhǎng)導(dǎo)線上的 壓降一般不影響測(cè)量精度，而且不需要溫度補(bǔ)償和專門的的線性電路，由于 AD590 上述的優(yōu)點(diǎn)，使其在溫度測(cè)量領(lǐng)域得到極為廣泛的應(yīng)用。 根據(jù)國(guó)際電工委員會(huì) (IEC)推薦的八種類型標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶，以及本設(shè)計(jì)要求，測(cè)控對(duì)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(cè)元件，其測(cè)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(diǎn)。并且所用的元器件少，性能優(yōu)良，精度高，具有先進(jìn)水平。傳感器采用 K 型熱電偶，它的的精度分為三級(jí)： 級(jí)在 01000℃之間，其誤差 為177。 ℃，為測(cè)量溫度的 % ； 級(jí)在 0 1200℃之間，其誤差為 177。 2. 5℃，為測(cè)量溫度的 % ； 級(jí)在2000℃之間，其誤差為士 ℃，為測(cè)量溫度的 %。本系統(tǒng)采用 級(jí) K 型熱電偶。 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） 17 電阻 爐熱電偶測(cè)溫 熱電偶是一種應(yīng)用廣泛的測(cè)溫儀表，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、能夠遠(yuǎn)距離傳送和多點(diǎn)測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)。由于熱電偶熱電 勢(shì)和溫度之間的非線性以及冷端溫度的不穩(wěn)定，影響了測(cè)溫精度。傳統(tǒng)的冷端及非線性補(bǔ)償方法主要有以下兩種 ： 一是基于硬件的補(bǔ)償，但補(bǔ)償電路復(fù)雜，成本較高，精度不夠 ； 二是基于軟件的補(bǔ)償，通過(guò)微機(jī)進(jìn)行擬合或插值實(shí)現(xiàn)修正，普通的 軟 件補(bǔ)償對(duì)工作人員編程能力要求較高，計(jì)算量大，實(shí)時(shí)性不是很好。因此，傳統(tǒng)補(bǔ)償方法在很多場(chǎng)合己經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)代測(cè)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(wèn)題。 虛擬儀器充分利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的運(yùn)算、存儲(chǔ)、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(yīng)用軟件中，又以美國(guó)國(guó)家儀 器公司開(kāi)發(fā)的圖形化編程語(yǔ)言 LabVIEW 最受專業(yè)人員的青睞。 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。 熱電偶測(cè)溫 的硬件由熱電偶傳感器、集成溫度傳感器 、 AD590、信號(hào)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。 圖 熱電偶測(cè)溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 熱電偶采集被測(cè)溫度信號(hào)并將其轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，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(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳給 PC。 集成溫度傳感器 AD590 測(cè)量實(shí)時(shí)環(huán)境溫度實(shí)現(xiàn)冷端補(bǔ)償， AD590 是由美國(guó)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(diǎn)，測(cè)量誤差小、體積小、微功耗，適合遠(yuǎn)距離測(cè)溫，不需要進(jìn)行非線性校正。通過(guò)取樣電阻將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，經(jīng)放大后，由數(shù)據(jù)采集卡采集進(jìn)入 PC。由基于 LabVIE1V 的軟件采用二次查表法加線性插值實(shí)現(xiàn)溫度的測(cè)量與顯示。 實(shí)驗(yàn)在 CSY20xxC 型傳感器實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)臺(tái)提供前置放大AD 590濾波前置放大數(shù)據(jù)采集卡PC 基于LABVIE熱電偶測(cè)溫儀熱電偶內(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） 18 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(shí)驗(yàn)器件。實(shí)驗(yàn)時(shí) K 型熱電偶插入加熱源測(cè)量熱源的溫度， AD590 測(cè)量實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度。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。軟件自動(dòng)顯示冷、熱端溫度及電壓，畫出溫度變化曲線。 理論與實(shí)驗(yàn)表明 ： 用集成溫度傳感器測(cè)量環(huán)境溫度，利用中間溫度定律和二次分度表查詢進(jìn)行線性插值，可以實(shí)現(xiàn)熱電偶的高精度測(cè)溫。同時(shí)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(jì)算所做的工作通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，大大提高了檢測(cè)效率，節(jié)約了成本，可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)測(cè)試的許多弊端，必將是測(cè)控技術(shù)發(fā)展的個(gè)方向。 偶測(cè)溫誤差分析 一、 插入深度 。測(cè)溫點(diǎn)的選擇： 熱電偶的安裝位置，即測(cè)溫點(diǎn)的選擇是最重要的，選擇 測(cè)溫點(diǎn)時(shí)應(yīng)具有典型性、代表性，否則將失去測(cè)量與控制的意義。測(cè)溫元 件應(yīng)安裝在測(cè)量值能代表被測(cè)介質(zhì)溫度的位置，不得裝在管道和設(shè)備的死角 ，且不應(yīng)受到劇烈震動(dòng)和沖擊。插入深度的控制： 熱電偶測(cè)溫時(shí)，沿著傳感器長(zhǎng)度方向會(huì)產(chǎn)生熱流，如果冷熱端溫差較大，就會(huì)有熱損失產(chǎn)生，這將導(dǎo)致熱電偶熱端溫 度比被測(cè)實(shí)際溫度偏低而產(chǎn)生測(cè)溫誤差。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)。金屬保護(hù)管因其導(dǎo)熱性能好，其插入深度應(yīng)該深一些。例如，對(duì)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(guān)。 見(jiàn)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(duì)高溫高壓蒸汽管道的公稱通徑小于等于 250mm 時(shí)，插入深度宜為70mm。公稱通徑大于 250mm 時(shí)，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(shí)，插入深度宜為管道外徑的 1/2 外徑大于 500mn 時(shí)，插入深度宜為300mm。 當(dāng)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(duì)于實(shí)際工程測(cè)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） 19 溫，其插入深度還應(yīng)考慮被測(cè)介質(zhì)的靜 止 或流動(dòng)狀態(tài)，如 果是流動(dòng)的液體或氣體，可以不受上述條件限制，插入深度可適當(dāng)淺一些 ，具體數(shù)值由實(shí)際情 況分析確定。二、 熱響應(yīng)時(shí)間 。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。在測(cè)溫時(shí)需要保持一定時(shí)間，才 能使兩者達(dá)到熱平衡， 而 保 持時(shí)間的長(zhǎng)短，同測(cè)溫元 件的熱響應(yīng)時(shí)間有關(guān)。熱響應(yīng)時(shí)間要取決于傳感器的結(jié)構(gòu)及測(cè)量條件，差別極大。對(duì)于氣體介質(zhì)，尤其是靜 止 氣體，至少應(yīng)保持 30min 以上才能達(dá)到平衡 ； 對(duì)于液體 而 言，最快也要在 5mi n 以上。對(duì)于溫度不斷變化的被測(cè)場(chǎng)所，尤其是瞬間變化過(guò)程，整個(gè)過(guò)程僅 1 秒鐘，則要求傳感器的響應(yīng)時(shí)間在毫秒級(jí)。普通的溫度傳感器不僅跟不上被測(cè)對(duì)象的溫度變化速度出現(xiàn)滯后， 而且也會(huì)因 達(dá)不到熱平衡 而產(chǎn)生測(cè)量誤差。因此，最好選擇響應(yīng)快的傳感器 。三、 熱阻抗 。 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，不僅增加熱電偶的響應(yīng)時(shí)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(jié)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(gòu)成的熱電偶，在高溫下其內(nèi)部晶粒要逐漸長(zhǎng)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(duì)周環(huán)環(huán)境中的還原或氧化性氣體也要發(fā)生反應(yīng)。伴隨 上述變化，熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)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(zhǎng)期在高溫作用下發(fā)生變質(zhì)；另一方面 測(cè)溫環(huán)境各種氣氛對(duì)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(cè)溫條件的同時(shí)， 也要定期對(duì)熱電偶進(jìn)行檢定。 盡管熱電偶測(cè)溫誤差會(huì)因?yàn)椴迦肷疃?、熱響?yīng)時(shí)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(yīng)有效的補(bǔ)償措施，仍然能減小測(cè)溫誤差，提高測(cè)量準(zhǔn)確度，從 而延長(zhǎng)熱電偶的使用壽命。 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） 20 第四章 PID 控制算法簡(jiǎn)介 在測(cè)控系統(tǒng)中，被控量和操縱量確定之后，就可以根據(jù)對(duì)象的特性和對(duì)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(jìn)行運(yùn)算，發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào)去推動(dòng)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(yùn)用的控制策略。它的優(yōu)點(diǎn)是原理簡(jiǎn)單，易于現(xiàn)實(shí)，穩(wěn)定性能好。實(shí)際上，大多數(shù)的工業(yè)過(guò)程都不同程度的存在著非線性、參數(shù)時(shí)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(guò)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(shí)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(diǎn)，而且具有更大的靈活性、適應(yīng)性和精確 性等優(yōu)點(diǎn)，是目前一種較為先進(jìn)的控制算法。但是考慮到本軟件 所具 有 的特點(diǎn)：對(duì)象比較簡(jiǎn)單，非線性程度不高，大多數(shù)不具有時(shí)變性和模糊不確定性，而且設(shè)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(jié)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(shù)。 傳統(tǒng)的控制技術(shù)是以經(jīng)典控 制理論或現(xiàn)代控制理論為基礎(chǔ)發(fā)展起來(lái)的， 具有原理簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)容易、技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)，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(shù)是基于被控對(duì)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。智能控制是控制理論發(fā)展的高級(jí)階段，是控制論、系統(tǒng)論、信息論和人工智能等多門學(xué)科交叉和綜合的產(chǎn)物，主要用來(lái)解決那些用傳統(tǒng)方法難以解決的復(fù)雜系統(tǒng)的控制。隨著工業(yè)生產(chǎn)的飛速發(fā)展，被控對(duì)象越來(lái)越復(fù)雜，常常表現(xiàn)為高度的非線性、強(qiáng)干擾、動(dòng)態(tài)突破性 以及分散的執(zhí)行器、分層的決策機(jī)構(gòu)、復(fù)雜的結(jié)構(gòu)信息等，這樣的被控對(duì)象往往存在難以用精確數(shù)學(xué) 方法描述的不確定性。 PID控制是在連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程控制中，將偏差的比例 (Proportional)、積分 (Integral)、微分 (Derivative)通過(guò)線性 組合構(gòu)成控制量，對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行控制。在常規(guī) PID 的應(yīng)用中， P、 I、 D 三個(gè)參數(shù)往往根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備情況或調(diào)試經(jīng)驗(yàn)人工設(shè)定的，通過(guò)調(diào)試實(shí)驗(yàn)改變參數(shù)以改變控制性能。 PID 控制是最早發(fā)展起來(lái)的控制策略之一，由于其算法簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)和可靠性高，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)過(guò)程內(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） 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)。而實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程往往具有非線性、時(shí)變 性、 不確立性，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用常規(guī) PID 控制器不能達(dá)到理想的控制效果；而 在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)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(duì)運(yùn)行工況的適應(yīng)性較差 ， 鑒于此情況，人們一直在研究 PID 參數(shù)的自動(dòng)整定技術(shù)，以適應(yīng)復(fù)雜