【正文】 ，為積分時間常數(shù)；——微分控制項，為微分時間常數(shù)。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。實際運行經(jīng)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(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 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(jié)構(gòu)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(yīng)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)，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。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?，我國的檢定爐的控制設(shè)備的現(xiàn)狀不容樂觀，一小部分比較先進的設(shè)備和大部分比較落后的設(shè)備并存[26]。當前階段，實驗室人員熱電偶檢定要求溫度來調(diào)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(diào)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(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。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。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(T，T0) 、EB(T，T0)及兩個接觸電勢EAB(T)、EAB(T0)。因而，在同一導體兩端便產(chǎn)生電位差，并阻止電子從高溫端向低溫端擴散，最后使電子擴散達到動態(tài)平衡，此時所形成的電位差稱作溫差電勢。 (2)單一導體中的溫差電勢溫差電勢是基于湯姆遜效應(yīng)產(chǎn)生的，即同一導體的兩端因其溫度不同而產(chǎn)生的一種熱電勢。NAT 、NAT0即導體A在溫度分別為T和T0時的電子密度，NBT、 NBT0即導體B在溫度分別為T和T0時的電子密度。 （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。這個電勢在A, B接觸處形成一個靜電場，阻礙擴散作用的繼續(xù)進行。電子擴散的速率與自由電子的密度和所處的溫度成正比。該熱電勢是由兩部分組成:接觸電勢與溫差電勢[24]。(4)測量端的熱擴散[23]。(3)晶體結(jié)構(gòu)不均勻。實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，隨著鉻的揮發(fā)，原先不具有親磁性的鎳鉻極，在測量端會出現(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產(chǎn)生一個附加電勢。然而，在檢定過程中經(jīng)常會出現(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個原因。二是在使用中往往會受到其他化學成分的影響而使得材料成分發(fā)生變化。我國從1988年1月1日起，熱電偶全部按IEC國際標準生產(chǎn)，并指定S, B,E, K, R, J, T七種標準熱電偶為我國統(tǒng)一設(shè)計型熱電偶。非標準熱電偶在使用范圍或數(shù)量級上均不及標準熱電偶，一般也沒有統(tǒng)一的分度表，主要用于某些特殊場合的測量，這里我們主要介紹標準熱電偶。常用熱電偶可分為標準熱電偶和非標準熱電偶兩大類。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的敏感元件，它測溫的基本原理是熱電效應(yīng)，又稱塞貝克效應(yīng)[21]。對熱電溫度計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，往往還會發(fā)生選配錯誤和使用不當，造成較大的測量誤差。盡管現(xiàn)在TCP/IP DDE等技術(shù)可以現(xiàn)實應(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程故障診斷提供形象生動的現(xiàn)場資源，增強臨場感。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。從日本的Honda汽車測試、澳洲的心臟起搏器設(shè)計/驗證，到英國電信電話線路性能測試，全世界數(shù)以萬計的工程師和科學家們都在使用NI的產(chǎn)品達到他們共同的目的—更快、更好、更省錢。(6)開放的平臺提供的DLL接口和CIN接口節(jié)點，使用戶能在它的平臺上使用其它應(yīng)用軟件編譯的模塊，能調(diào)用C語言程序、Matlab程序及已存在的DLL庫函數(shù)，是一個開放的平臺[19]。通過儀器驅(qū)動程序可以與大多數(shù)儀器進行通訊。此外，LabVIEW還可以生成在沒有LabVIEW編程環(huán)境的目標機器上運行可執(zhí)行的代碼。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。(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，單步執(zhí)行源代碼，高亮顯示，連線上設(shè)置探針，動態(tài)執(zhí)行程序，觀察程序運行過程中數(shù)據(jù)流的變化。先進的ActiveX技術(shù)融合了簡單的拖動編程方法，儀器控制和數(shù)據(jù)采集在開發(fā)向?qū)У囊龑伦兊檬趾唵危褂脩羰秩菀椎亻_發(fā)自己的儀器，并將其立即投入使用。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:(1)簡單的方案即使沒有多少編程經(jīng)驗，仍可以方便的使用LabVIEW，因為它使用“所見即所得”的可視化技術(shù)建立人機界面，提供大量的儀器面板中的控制對象。在流程圖中對VI進行編程，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，相當于傳統(tǒng)儀器的面板。LabV IEW簡化了虛擬儀器系統(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算機代碼編寫中解放出來，把大部分精力投入系統(tǒng)設(shè)計和分析當中，而不再拘泥于程序細節(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等軟件標準的庫函數(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函數(shù)和開發(fā)工具庫以及多種以及設(shè)備驅(qū)動功能。它把復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。這種思想對從根本上改變傳統(tǒng)實驗教學方法，降低實驗室建設(shè)與管理成本，實現(xiàn)遠程實驗教學具有重要的參考價值[16]。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。(3)實驗室應(yīng)用電子儀器與測試實驗室是高等工科院校必備的教學實驗條件。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。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。由于工業(yè)基礎(chǔ)比較落后，我國的儀器制造，尤其是高性能科學儀器的制造還遠遠不能滿足國防和經(jīng)濟建設(shè)發(fā)展的需要。(2)儀器產(chǎn)業(yè)改造儀器制造業(yè)是代表一個國家科技和工業(yè)發(fā)展水平的一個重要領(lǐng)域。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。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程序員編寫的，軟件設(shè)計與使用脫節(jié)。(1)工業(yè)自動化我國工業(yè)基礎(chǔ)比較落后，工業(yè)自動化程度遠不能滿足市場經(jīng)濟快速發(fā)展的要求。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。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)[14]。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)、汽油標號、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)、測量、檢測、計量、測控等領(lǐng)域更是不可多得的好工具。虛擬儀器軟件對于將這些技術(shù)尖端的硬件組成變成實際可用的儀器系統(tǒng)是必不可缺的。這些技術(shù)上的進步，再加上操作系統(tǒng)功能和計算機體系結(jié)構(gòu)方面的發(fā)展，己經(jīng)使得個人電腦具有并行處理的能力，從而可以成為更加先進的儀器和數(shù)據(jù)采集應(yīng)用程序的平臺。用戶可以通過虛擬儀器來簡化一臺復雜的獨立儀器的操作，虛擬儀器也可以只作為集中控制儀器的一個部分，只實現(xiàn)其中的一部分功能，其使用是相當靈活的。硬件部分可以是插入式主板、外圍儀器，或者兩者的結(jié)合。虛擬儀器在性價比、靈活性以及用戶使用方便方面，具有傳統(tǒng)儀器不可比擬的優(yōu)勢。表21虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較虛擬儀器傳統(tǒng)儀器開發(fā)和維護費用低開發(fā)和維護開銷大技術(shù)更新周期短（1~2年）技術(shù)更新周期長（5~10）軟件是關(guān)機，系統(tǒng)性能升級方便，通過網(wǎng)絡(luò)下載升級即可硬件是關(guān)鍵，升級成本高價格低廉，儀器資源可重復利用率高價格一般較昂貴，儀器資源可重復利用率低可通過網(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)保持同步發(fā)展開放性差，利用新技術(shù)為自己服務(wù)速率低用戶可自定義功能，并且可以根據(jù)實際情況更改只有廠商定義功能，并且一旦定義好了，就難以更改從表(21)可以看出與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器具有絕對的優(yōu)勢。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，從而提高操作的準確性和便捷性。傳統(tǒng)儀器面板只有一個，其上布置著種類繁多的顯示與操作元件，容易導致許多識別與操作錯誤。以美國NI公司的軟件產(chǎn)品LabVIEW和Lab Windows/CVI為代表的虛擬儀器專用開發(fā)平臺是當前流行的集成開發(fā)工具。虛擬儀器軟件由兩大部分構(gòu)成:應(yīng)用程序和1/0接口儀器驅(qū)動程序。其中，PCI總線虛擬儀器是構(gòu)成VI的最基本的方式，也是最廉價的方式。另外它可以實現(xiàn)關(guān)鍵設(shè)備的資源共享，減少了成本。(5)串口總線虛擬儀器:通用串行總線(Universal Serial Bus，USB)具有傳輸速率高、支持異步和等時傳輸?shù)忍攸c。PXI系統(tǒng)易于集成與使用，從而降低用戶的開發(fā)費用，所以在數(shù)據(jù)采集、工業(yè)自動化系統(tǒng)和圖像處理等方面獲得了廣泛應(yīng)用。VXI總線虛擬儀器因其集成化、標準化、快速的數(shù)據(jù)傳輸能力和良好的電磁兼容性而迅速發(fā)展，將會成為未來計算機儀器發(fā)展的主流。(3)VXI總線虛擬儀器：VXI(VME Bus Extensions for Instrumentation)總線支持即插即用，人機界面良好，資源利用率高，容易實現(xiàn)系統(tǒng)集成，大大地縮短了研制周期，且便于升級和擴展。它目前是儀器、儀表及測控系統(tǒng)與計算機互連的主流并行總線。PCI總線具有即插即用功能，能夠自動配置參數(shù)并支持PCI總線擴展板，使用方便。(1) PCI總線虛擬儀器：這種方式是借助于插入計算機接口擴展槽中的功能板卡與專用的軟件相結(jié)合而實現(xiàn)的具有特定功能的測試儀器。I/O接口設(shè)備主要完成信號的采集、放大、模/數(shù)轉(zhuǎn)換等。一個由通用儀器硬件平臺和應(yīng)用軟件組成的復雜系統(tǒng)。采用虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建的測試儀器，具有開發(fā)效率高、可維護性強、測試精度高、穩(wěn)定性和可靠性好等優(yōu)點，因此具有較高的性能價格比，便于節(jié)省投資、設(shè)備更新和功能轉(zhuǎn)換與擴充。由于電子技術(shù)、計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高速發(fā)展及其在電子測量技術(shù)與儀器領(lǐng)域中的應(yīng)用，電子測量儀器領(lǐng)域出現(xiàn)了一種全新的儀器——虛擬儀器。其缺點是它的功能塊都以硬件(或固化的軟件)的形式存在，無論是針對開發(fā)還是針對應(yīng)用，都缺乏靈活性。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展和微處理儀表的普及，以微處理器為核心的第四代儀器迅速普及。這類儀器目前相當普遍，如數(shù)字電壓表、數(shù)字頻率計等。(3)第三代數(shù)字化儀器。(2)第二代分立元件式儀器。是以電磁感應(yīng)基本定律為基礎(chǔ)的指針式儀器，如指針式萬用表、指針式電壓表、指針式電流表等。特別是由于信息技術(shù)與控制技術(shù)的飛速發(fā)展，促使控制系統(tǒng)向智能控制系統(tǒng)發(fā)展，以及自動化技術(shù)向智能自動化技術(shù)的發(fā)展成為一種必然的趨勢[8]。智能控制自20世紀70年代提出以來，一直是當代科學技術(shù)中一個十分活躍和具有挑戰(zhàn)性的領(lǐng)域。與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器充分利用計算機系統(tǒng)資源，通過計算機總線與外圍通用硬件設(shè)備構(gòu)筑了功能更豐富、處理速度更快、測量效率更高、可擴展性更好的儀器系統(tǒng)。 虛擬儀器的發(fā)展隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)儀器開始向計算機化的方向發(fā)展。隨著計算機技術(shù)特別是計算機的快速發(fā)展，CPU處理能力的增強，總線吞吐能力的提高以及顯示器技術(shù)的進步，人們逐漸意識到，可以把儀器的信號分析和處理、結(jié)果的表達與輸出功能轉(zhuǎn)移給計算機來完成?！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。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)。虛擬儀器方便設(shè)計用戶界面和數(shù)據(jù)采集功能，通過傳統(tǒng)PID算法實現(xiàn)對檢定爐溫度的實時控制并取得良好的控制效果，是本文研究的重點。檢定爐具有高度非線性、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)學模型且無法保證控制精度。本文主要論述了檢定爐溫度控制系統(tǒng)的課題目的、意義，溫度控制系統(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