【正文】 式 (318 )即是被控對(duì)。 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(nèi)、外部流動(dòng)氣體產(chǎn)生的 )。本論文的被控對(duì)象檢定爐是一種能自衡的對(duì)象，將 檢定 爐爐膛內(nèi)的溫度作為唯一變量。 控 制 器 被 控 對(duì) 象yuer 圖 系統(tǒng)控制原理圖 設(shè)計(jì)整定 PID控制器的基礎(chǔ)是要對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，它需要確定被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型中的參數(shù)。 微 型 計(jì) 算 機(jī)熱 電 偶檢 定 爐雙 向 可 控 硅實(shí) 際 溫 度設(shè) 定 溫 度 圖 將微型計(jì)算機(jī)簡(jiǎn)略為控制器，將電阻爐、雙向 可控硅歸并為被控對(duì)象，由于熱電偶是將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào) ，所以略去熱電偶，使系統(tǒng)進(jìn)一步簡(jiǎn)略，可以得到系統(tǒng)控制原理圖如圖 所示，圖中輸入信號(hào)：為設(shè)定溫度，輸出信號(hào) Y 為實(shí)際溫度， e 為誤差， u 為控制信號(hào)。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 被控對(duì)象數(shù)學(xué)建模 檢定爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在溫度控制部分，根據(jù)檢定爐的溫度特性，采用 PID控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)檢定 爐溫度的控制。通過以上分析可知在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要是軟件程序的設(shè)計(jì)，所以軟件的開發(fā)質(zhì)量也將決定溫度控制系統(tǒng)的性能好壞。它可以通過軟件實(shí)現(xiàn)許多由傳統(tǒng)儀器硬件所實(shí)現(xiàn)的功能，這是虛擬儀器“軟件就是儀器”最根本的體現(xiàn)。 在本系統(tǒng)的開發(fā)過程中，將整個(gè)系統(tǒng)分解為兩個(gè)相互關(guān)聯(lián)的部分，其中溫度信號(hào)采集系統(tǒng)是采用虛擬儀器技術(shù)設(shè)計(jì)的。溫度信號(hào)采集系統(tǒng)由硬件和軟件兩個(gè)部分組成。 檢定爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件分析 本論文設(shè)計(jì)開發(fā)的基于虛擬儀器的檢定爐溫度控制系統(tǒng)，根據(jù)從總體到局部的設(shè)計(jì)原則，通過對(duì)系統(tǒng)功能的分析，將整個(gè)系統(tǒng)分解為實(shí)現(xiàn)不同功能的幾個(gè)部分，然后分別對(duì)每個(gè)部分設(shè)計(jì)。 (5)易操作性原則。所謂可靠性是指系統(tǒng)在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力。本論文所開發(fā)的基于虛擬儀器技術(shù)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。在滿足性能指標(biāo)的前提下，應(yīng)盡 可能采用實(shí)用、易實(shí)現(xiàn)、簡(jiǎn)潔的方案，因?yàn)榉桨负?jiǎn)潔意味著所用環(huán)節(jié)少，可靠性高，而且也比較經(jīng)濟(jì)。 (3)經(jīng)濟(jì)性原則。如果只要對(duì)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(huì)得到加強(qiáng)或者增加一些新的功能，那么該系統(tǒng)就具有良好的可擴(kuò)展性。 (2)可擴(kuò)展性原則。首先把一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)分解成為若 干 相對(duì)獨(dú)立的、簡(jiǎn)單的、容易實(shí)現(xiàn)的幾個(gè)部分，再分別把這些部分分解成實(shí)現(xiàn)不同具體功能 的模塊，采用模塊化設(shè)計(jì)的思想，分別設(shè)計(jì)各個(gè)模塊，完成后再進(jìn)行綜合而形成整個(gè)系統(tǒng)。 檢定爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)。 在計(jì)算機(jī)直接數(shù)字控制系統(tǒng)中， PID 控制器是通過計(jì)算機(jī) PID 控制算法程序?qū)崿F(xiàn)的。但內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 過小的積分常數(shù)會(huì)加劇系統(tǒng)振蕩，甚至使系統(tǒng)失去穩(wěn)定。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù) Ti，時(shí)間常數(shù)越大積分作用越弱，反之越強(qiáng)。隨著比例系數(shù) Kp的增大，穩(wěn)定誤差逐漸減小，但同時(shí)動(dòng)態(tài)性能變差，振蕩比較嚴(yán)重，超調(diào)量增大。 在圖 的基礎(chǔ)上分析一下 PID控制器各校正環(huán)節(jié)的作用 。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 比 例積 分微 分被 控 對(duì) 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(jù)給定值 r(t)與實(shí)際輸出值 c(t)構(gòu)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(gòu)成控制量，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制。 PID 控制在生產(chǎn)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。 實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和理論分析都表明 PID控制能滿足相當(dāng)多工業(yè)對(duì)象的控制要求．至今仍是一種應(yīng)用最廣泛的控制算法。 檢定爐溫度 控制過程的總體設(shè)計(jì) 檢定爐溫度控制的選擇 PID控制器是最早發(fā)展起來(lái)的控制策略之一，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)、控制簡(jiǎn)單效果好、魯棒性強(qiáng)等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)過程控制，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)，在工業(yè)過程控制中至今仍得到廣泛應(yīng)用 (有資料表明在 90%以上 )。 (2)同名極比較法 :將同型號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)熱電偶與被檢熱電偶工作端捆在一起，在固定點(diǎn)上 進(jìn)行電極的比較。將熱電偶束插入爐膛內(nèi)，并把熱電偶的冷端引入零度恒溫器內(nèi)。檢定可采用下列三種方法的任意一種方法?？傊覈?guó)的 檢定 爐的控制設(shè)備的 現(xiàn)狀不容樂觀，一小部分比較先進(jìn)的設(shè)備和大部分比較落后的設(shè)備并存 [26]。當(dāng)前階段，實(shí)驗(yàn)室人員 熱電偶檢定要求 溫度來(lái)調(diào)節(jié) 檢定 爐的輸入 電 流 以實(shí)現(xiàn)對(duì) 檢定 爐的溫度控制，一般的有兩種方法 :第一種就是手動(dòng)調(diào)壓法：此種方法在當(dāng)今試驗(yàn)室中比較普遍，這種方法的缺點(diǎn)是控制過程中必須有試驗(yàn)人員在場(chǎng)，浪費(fèi)人力資源，控制精度依賴于試驗(yàn)者的調(diào)節(jié)，控制精度不高。其中包括外觀檢查和在規(guī)定的溫度點(diǎn)檢查其熱電動(dòng)勢(shì)的量值大小和穩(wěn)定程度是否符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，熱電偶的檢定步驟和檢定周期按國(guó)家計(jì)量部門制訂的檢定規(guī)程進(jìn)行。由此可見，當(dāng)保持熱電偶冷端溫度 T0不變時(shí)，只要用儀表測(cè)得熱電勢(shì) EAB(T ， T0)，就可求得 被測(cè)溫度。電子密度不僅取決于熱電偶材料特性，而且隨溫度的變化而變化，它們并非常數(shù)。 (3)熱電偶閉合回路的總電勢(shì) 如圖 所示的熱電偶閉合回路中將產(chǎn)生兩個(gè)溫差電勢(shì) EA(T， T0) 、 EB(T， T0)及兩個(gè)接觸電勢(shì) EAB(T)、 EAB(T0)。因而，在同一導(dǎo)體兩端便產(chǎn)生電位差，并阻止電子從高溫端向低溫端擴(kuò)散，最后使電子擴(kuò)散達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，此時(shí)所形成的電位差稱作溫差電勢(shì)。 (2)單一導(dǎo)體中的溫差電勢(shì) 溫差電勢(shì)是基于湯姆遜效應(yīng)產(chǎn)生的，即同一導(dǎo)體的兩端因其溫度不同而產(chǎn)生的一種熱電勢(shì)。 NAT 、 NAT0即導(dǎo)體 A在溫度分別為 T和 T0時(shí)的電子 密度， NBT、 NBT0即導(dǎo)體 B在溫度分別為 T 和 T0時(shí)的電子 密度。 () ATAB BTNKTE T LneN? 00 0() ATAB BTNkTE T LneN? （ 31） 式中， e為單位電荷， e=* 1019 C； K為玻耳茲曼常數(shù)， K=*1023 J/K。這個(gè)電勢(shì)在 A, B 接觸處形成一個(gè)靜電場(chǎng)，阻礙擴(kuò)散作用的繼續(xù) 進(jìn)行。電子擴(kuò)散的速率與自由電子的密度和所處的溫度成正比。該熱 電勢(shì)是由兩部分組成 :接觸電勢(shì)與溫差電勢(shì) [24]。內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） (4)測(cè)量端的熱擴(kuò)散 [23]。 (3)晶體結(jié)構(gòu)不均勻。實(shí)踐證明熱電偶的熱電特性因應(yīng)力的影響而發(fā)生變化。 物理狀態(tài) :(1)雜質(zhì)的存在。但在高溫氣氛中使用時(shí)，隨著鉻的揮發(fā)，原先不具有親磁性的鎳鉻極，在測(cè)量端會(huì)出現(xiàn)親磁性。 (4)材料的性質(zhì)改變。 (2)熱電極中某些元素的選擇性氧化。而造成熱電極材料不均勻的主要原因有化學(xué)成分和物理狀態(tài)兩方面。若熱電極材料 不均勻，兩熱電極又處于溫度梯度中，則熱電偶回路中就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)附加電勢(shì)。然而，在檢定過程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)一些超出允許誤差的檢定偏差。后者因與工藝或生產(chǎn)過程有關(guān)，這里不再贅述，只討論前面 2 個(gè)原因。二是在使用中往往會(huì)受到其他化學(xué)成分的影響而使得材料成分發(fā)生變化 。我國(guó) 從 1988 年 1月 1日起，熱電偶全部按 IEC 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)，并指定 S, B,E, K, R, J, T 七種標(biāo)準(zhǔn)熱電偶為我國(guó)統(tǒng)一設(shè)計(jì)型熱電偶。非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶在使用范圍或數(shù)量級(jí)上均不及標(biāo)準(zhǔn)熱電偶，一般也沒有統(tǒng)一的分度表，主要用于某些特殊場(chǎng)合的測(cè)量，這里我們主要介紹標(biāo)準(zhǔn)熱電偶。 ATB12 圖 常用熱電偶可分為標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶兩大類。兩熱電極 A和 B的組合稱作熱電偶。AB(T, T0)。熱電偶是熱電偶溫度計(jì)的敏感元件，它測(cè)溫的基本原理是熱電效應(yīng)，又稱塞貝克效應(yīng) [21]。對(duì)熱電溫度計(jì)的理論和特性如果不作較深入的了解，不僅其潛力不能充分發(fā)揮，往往還會(huì)發(fā)生選配錯(cuò)誤和使用不當(dāng)，造成較 大的測(cè)量誤差。盡管現(xiàn)在 TCP/IP DDE等技術(shù)可以現(xiàn)實(shí)應(yīng)用程序間數(shù)據(jù)共享，但是這些技術(shù)大多數(shù)都不適用于現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的傳輸，DataSocket 編程技術(shù)能夠非常有效地解決上述的問題。網(wǎng)絡(luò)化的虛擬儀器可以為遠(yuǎn)程故障診斷提供形象生動(dòng)的現(xiàn)場(chǎng)資源，增強(qiáng)臨場(chǎng)感。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 尤其要提及的是在 NI公司的 LabVIEW 這個(gè)開發(fā)平臺(tái)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(shí)。從日本的 Honda 汽車測(cè)試、澳洲的心臟起搏器設(shè)計(jì) /驗(yàn)證，到英國(guó)電信電話線路性能測(cè)試，全世界數(shù)以 萬(wàn)計(jì)的工程師和科學(xué)家們都在使用 NI的產(chǎn)品達(dá)到他們共同的目的 — 更快、更好、更省錢。 (6)開放的平臺(tái)提供的 DLL 接口和 CIN 接口節(jié)點(diǎn)，使用戶能在它的平臺(tái)上使用其它應(yīng)用軟件編譯的模塊，能調(diào)用 C語(yǔ)言程序、 Matlab 程序及已存在的 DLL 庫(kù)函數(shù)，是一個(gè)開放的平臺(tái) [19]。通過儀器驅(qū)動(dòng)程 序可以與大多數(shù)儀器進(jìn)行通訊。此外， LabVIEW 還可以生成在沒有 LabVIEW 編程環(huán)境的目標(biāo)機(jī)器上運(yùn)行可執(zhí)行的代碼。另外，它還有一個(gè)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。 (3)方便的程序調(diào)試具有一些專用程序開發(fā)箱，可以在源代碼中設(shè)置斷點(diǎn)，單步執(zhí)行源代碼，高亮顯 示，連線上設(shè)置探針，動(dòng)態(tài)執(zhí)行程序，觀察程序運(yùn)行過程中數(shù)據(jù)流的變化。先進(jìn)的內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） ActiveX 技術(shù)融合了簡(jiǎn)單的拖動(dòng)編程方法，儀器控制和數(shù)據(jù)采集在開發(fā)向?qū)У囊龑?dǎo)下變得十分簡(jiǎn)單，使用戶十分容易地開發(fā)自己的儀器，并將其立即投入使用。 LabVIEW 是一個(gè)面向最終用戶的工具，它可以增強(qiáng)用戶構(gòu)建自己的科學(xué)和工程系統(tǒng)的能力，提供了實(shí)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(jìn)行原理研究、設(shè)計(jì)、測(cè)試并實(shí)現(xiàn)儀器系統(tǒng)時(shí)，可以大大提高工作效率，其主要特點(diǎn)可歸納為如下幾點(diǎn) : (1)簡(jiǎn)單的方案即使沒有多少編程經(jīng)驗(yàn)，仍可以方便的使用 LabVIEW，因?yàn)樗褂谩八娂此谩钡目梢?化技術(shù)建立人機(jī)界面，提供大量的儀器面板中的控制對(duì)象。在流程圖中對(duì) VI進(jìn)行編程，以控制和操作定義在前面板上的輸入和輸出功 能。前面板是 LabVIEW程序的圖形用戶接口，此接口集成了用戶輸入，并顯示程序的輸出，相當(dāng)于傳統(tǒng)儀器的面板。 LabV IEW 簡(jiǎn)化了虛擬儀器系統(tǒng)的開發(fā)過程，縮短了系統(tǒng)的開發(fā)和調(diào)試周期，它讓用戶從煩瑣的計(jì)算機(jī)代碼編寫中解放出 來(lái)，把大部分精力投入系統(tǒng)設(shè)計(jì)和分析當(dāng)中，而不再拘泥于程序細(xì)節(jié)。它集成了GPIB, VXI, PXI, RS232 和 RS485 協(xié)議以及數(shù)據(jù)采集卡通訊的全部功能，還內(nèi)置了便于應(yīng)用 TCP/IP, ActiveX 等軟件標(biāo)準(zhǔn)的庫(kù)函數(shù)。其開發(fā)環(huán)境下提供的應(yīng)用程序有 180 多種，除了具備其它語(yǔ)言所提供的常規(guī)函數(shù)功能和上述的生成圖形界面的大量模板外，內(nèi)部還包括許多特殊的功能庫(kù)函數(shù)和開發(fā)工具庫(kù)以及多種以及設(shè)備驅(qū)動(dòng)功能。它把復(fù)雜的語(yǔ)言編程簡(jiǎn)化成用圖形編程的方式，為編程的調(diào)試提供了簡(jiǎn)單方便的環(huán)境，同時(shí)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。這種思想對(duì)從根本上改變傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，降低實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與管理成本，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有重要的參考價(jià)值 [16]。利用虛擬儀器技術(shù)，我們可以設(shè)計(jì)出與實(shí)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。 (3)實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用 電子儀器與測(cè)試實(shí)驗(yàn)室是高等工科院校必備的教學(xué)實(shí)驗(yàn)條件。采用虛擬儀器技術(shù)，將過去的儀器中許多靠硬件來(lái)完成實(shí) 現(xiàn)的功能用軟件來(lái)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(cè)量?jī)x器，縮短我國(guó)與世界先進(jìn)國(guó)家在儀器領(lǐng)域的差距。即使像數(shù)字萬(wàn)用表，發(fā)生器等基礎(chǔ)測(cè)量?jī)x器，國(guó)產(chǎn)的與進(jìn)口的產(chǎn)品在功能上，易用性方面仍存在差距。由于工業(yè)基礎(chǔ)比較落后，我國(guó)的儀器制造，尤其是高性能科學(xué)儀器的制造還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足國(guó)防和經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)展的需要。 (2)儀器產(chǎn)業(yè)改造 儀器制造業(yè)是代表一個(gè)國(guó)家科技和工業(yè)發(fā)展水平的一個(gè)重要領(lǐng)域。虛擬儀器設(shè)計(jì)所采用的圖形化編程語(yǔ)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(xiàng)目的能力，降低工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)改造的成本。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 是 交給研究人員或大學(xué)程序員編寫的，軟件設(shè)計(jì)與使用脫節(jié)。 (1)工業(yè)自動(dòng)化 我國(guó)工業(yè)基礎(chǔ)比較落后，工業(yè)自動(dòng)化程度遠(yuǎn)不能滿足市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的要求。從總體上而言，虛擬儀器是測(cè)量測(cè)試領(lǐng)域的一個(gè)創(chuàng)新概念，改變了人們對(duì)儀器的傳統(tǒng)觀念，適應(yīng)了現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展趨勢(shì)。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(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，而且可以和控制設(shè)備構(gòu)成自動(dòng)控制系統(tǒng) [14]。它功能強(qiáng)大，可實(shí)現(xiàn)示波器、邏輯分析儀、頻譜儀、信號(hào)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(cè)特定系統(tǒng)的參數(shù)，如汽車發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)、汽油標(biāo)號(hào)、爐窯溫度、血液脈搏波、心電參數(shù)等多種數(shù)據(jù) 。尤其在科研、開發(fā)、測(cè)