【正文】 量、檢測、計(jì)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(shí)際可用的儀器系統(tǒng)是必不可缺的。這些技術(shù)上的進(jìn)步，再加上操作系統(tǒng)功能和計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)方面的發(fā)展，己經(jīng)使得個(gè)人電腦具有并行處理的能力，從而可以成為更加先進(jìn)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(fù)雜的獨(dú)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(gè)部分，只實(shí)現(xiàn)其中的一部分功能，其使用是相當(dāng)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(jià)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(hù)費(fèi)用低 開發(fā)和維護(hù)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(jī)，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(jià)格低廉，儀器資源可重復(fù)利用率高 價(jià)格一般較昂貴， 儀器資源可重復(fù)利用率低 可通過網(wǎng)絡(luò)連接其他儀器，實(shí)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(dú)立設(shè)備 開放性好，比較靈活， 可與計(jì)算機(jī)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(shí)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(gè)分面板上就可以實(shí)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(zhǔn)確性和便捷性。傳統(tǒng)儀器面板只有一個(gè)，其上布置著種類繁多的顯示與操作元件，容易導(dǎo)致許多識別與操作錯(cuò)誤。以美國 NI 公司的軟件產(chǎn)品 LabVIEW內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 和 Lab Windows/CVI 為代表的虛擬儀器專用開發(fā)平臺是當(dāng)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(dòng)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(jià)的方式。另外 它可以實(shí)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(shí)傳輸?shù)忍攸c(diǎn)。 PXI 系統(tǒng)易于集成與使用，從而降低用戶的開發(fā)費(fèi)用，所以在數(shù)據(jù)采集、工業(yè)自動(dòng)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(biāo)準(zhǔn)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(jì)算機(jī)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(jī)界面良好，資源利用率高，容易實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成，大大地縮短了研制周期，且便于升級和擴(kuò)展。它目前是儀器、儀表及測控系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)互連的主流并行總線。 PCI 總線具有即插即用功能，能夠自動(dòng)配置參數(shù)并支持 PCI總線擴(kuò)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(jì)算機(jī) 接口擴(kuò)展槽中的功能板卡與專用的軟件相結(jié)合而實(shí)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(gè)由通用儀器硬件平臺和應(yīng)用軟件組成的復(fù)雜系統(tǒng)，虛擬儀器的結(jié)構(gòu)如圖 所示。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(hù)性強(qiáng)、測試精度高、穩(wěn)定性和可靠性好等優(yōu)點(diǎn)，因此具有較高的性能價(jià)格比，便于節(jié)省投資、設(shè)備更新和功能轉(zhuǎn)換與擴(kuò)充。由于電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)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(diǎn)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(dāng)普遍，如數(shù)字電壓表、數(shù)字頻率計(jì)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(dòng)化技術(shù)向智能自動(dòng)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(jì) 70年代提出以來，一直是當(dāng)代科學(xué)技術(shù)中一個(gè)十分活躍和具有內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 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(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源，通過計(jì)算機(jī)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(kuò)展性更好的儀器系統(tǒng)。 虛擬儀器的發(fā)展 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)儀器開始向計(jì)算機(jī)化的方向發(fā)展。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)特別是計(jì)算機(jī)的快速發(fā)展， CPU處理能力的增強(qiáng)，總線吞吐能力的提高以及顯示器技術(shù)的進(jìn)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(dá)與輸出功能轉(zhuǎn)移給計(jì)算機(jī)來完成。“軟件就是儀器”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(jì)自己的儀器系統(tǒng)。虛擬儀器方便設(shè)計(jì)用戶內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 界面和數(shù)據(jù)采集功能， 通過傳統(tǒng) PID算法 實(shí)現(xiàn)對 檢定 爐溫度的實(shí)時(shí)控制并取得良好的控制效果， 是本文研究的重點(diǎn)。 檢定爐具有高度非線性、大時(shí)滯、大慣性、時(shí)變性等特點(diǎn)，應(yīng)用傳統(tǒng)的 PID 控制雖然結(jié)構(gòu)簡單、容易實(shí)現(xiàn)，卻依賴于被控對象精確的數(shù)學(xué)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(diǎn)進(jìn)行了簡要分析 ； 介紹了虛擬儀器技術(shù)及本論文中用到的智能控制方法。 本設(shè)計(jì)的任務(wù)和要求 本文以檢定爐為研究對象，針對檢定爐的溫度，在比較研究不同控制策略的基 礎(chǔ)上，主要對虛擬儀器在檢定 爐溫度控制中的應(yīng)用進(jìn)行了研究。其優(yōu)點(diǎn)是開發(fā)環(huán)境優(yōu)越，技術(shù)難度和工作量小，檢定精 度高，人機(jī)交互界面友好，功能齊全完善，故易于推廣使用。 (2)通用微型計(jì)算機(jī)型。其優(yōu)點(diǎn)是體積小，成本低，儀表自動(dòng)化程度高。就調(diào)研和查閱所得的情況來看，可歸納為如下兩大類 ： (1)微處理器型。上個(gè)世紀(jì)末國內(nèi)電子儀器儀表市場幾乎完全被國外擁有先進(jìn)技術(shù)的產(chǎn)品所占領(lǐng)。對國外先進(jìn)檢 定設(shè)備的了解，只能靠 已 見刊的測量設(shè)備來推測。由于具有以上優(yōu)點(diǎn)，所以 檢定爐溫度控制 系統(tǒng)是各計(jì)量部門、科研單位及有關(guān)工廠實(shí)現(xiàn)計(jì)量檢定和產(chǎn)品檢驗(yàn)自動(dòng)化的理想設(shè)備。第一個(gè)溫度點(diǎn) 檢定完成后，自動(dòng)轉(zhuǎn)入第二個(gè)溫度點(diǎn)，直至所有的被檢溫度點(diǎn)檢定完畢 ，最后系統(tǒng)根據(jù)要求打印 檢定數(shù)據(jù) 。應(yīng)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行熱電偶自動(dòng)檢定與傳統(tǒng)的人工操作相比，具有工作效率高、節(jié)約能源 、 消除人為誤差、使測量結(jié)果更趨于真值等優(yōu)點(diǎn) [5]。檢定工作的低效率，大大影響了企業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量，影響工作的正常進(jìn)行 [4]。由于傳統(tǒng)的熱電偶檢定方式效率的低下而且精確度低，已無法滿足現(xiàn)代化企業(yè)對溫度計(jì)量上的需要，由此便給我們提出了新的研究課題：要求我們設(shè)計(jì)一套只需工作人員作簡單設(shè)定和接線后，便 不再需要人參與，而由系統(tǒng)自動(dòng)完成對熱電偶檢定工作的內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 檢定系統(tǒng) [3]。同時(shí)，檢定過程中數(shù)據(jù)的記錄也是采用手工方式，由于檢定耗時(shí)較長，在記錄過程中溫度往往已經(jīng)偏離了檢定點(diǎn)，并且對檢定結(jié)果的處理運(yùn)算量非常巨大。這就導(dǎo)致了許多檢 定儀器的利用率很低，而且接線非常繁雜。爐溫變化與爐內(nèi)總發(fā)熱量和總散熱量等情況有關(guān)。在工業(yè)熱電偶檢定過程中，檢定爐的溫度控制的好壞對熱電偶檢定起關(guān)鍵作用。愷裝熱電偶材料得到普遍推廣使用，產(chǎn)品規(guī)格和性能試驗(yàn)多己標(biāo)準(zhǔn)化 ， 隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展和各種尖端技術(shù)對測溫的要求，為了研制出能在極端條件下和特殊環(huán)境介質(zhì)中使用的新型熱電偶材料，改進(jìn)和提高現(xiàn)有熱電偶的精度和可靠性，國內(nèi)外投入不少人力物力進(jìn)行研究和開發(fā)，重點(diǎn)有兩方面 :其一，把熱電偶作為一種測溫儀 器，大力改進(jìn)熱電偶的結(jié)構(gòu)，檢定方法，安裝技術(shù)和性能試驗(yàn)，最大限度地發(fā)揮熱電溫度計(jì)的潛力和優(yōu)點(diǎn)；另一方面，把熱電偶作為一種特殊材料，研究其熱電性與化學(xué)組成、雜質(zhì)元 素、物理缺陷和表面狀態(tài)的關(guān)系，以提高測溫精度，擴(kuò)大測溫范圍，延長使用壽命。分析法是以現(xiàn)代熱電理論 (非平衡態(tài)熱力學(xué)、內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 量子力學(xué)應(yīng)用于熱電效應(yīng)的理論 )為指導(dǎo)，綜合冶金、物理、化學(xué)理論與經(jīng)驗(yàn)規(guī)律來進(jìn)行熱電偶合金的性能研 究和綜合設(shè)計(jì)。這個(gè)時(shí)期的特點(diǎn)是除了對材料性能和測試方法的研究很重視外，還十分重視對熱電偶回路的基本理論及其應(yīng)用的研究。 幾十年來，對煉鋼過程的精煉溫度、出鋼溫度、澆鑄溫度的測定和控制技術(shù)的探求，不僅推動(dòng)了對新型熱電偶材料的探索，而且促使對有關(guān)熱偶絲的站污、劣化變質(zhì)、高溫脆性和不均勻性等問題的研究日益深入。比較法的核心是選擇一種熱電性能穩(wěn)定，化學(xué)性能好的材料作標(biāo)準(zhǔn)電極，各種被試材料分別與標(biāo)準(zhǔn)電極組成熱 電偶，測定這些熱電偶的熱電勢 —— 溫度特性曲線。這個(gè)階段的特點(diǎn)是對材料熱電特性的研究十分重視。采用的方法為配對法，即將感興趣的待試材料直接配成熱電偶，實(shí)測了近 300 種熱電偶品種。時(shí)間從 1821 年起到第一次世界大戰(zhàn)，經(jīng)歷了整整一個(gè)世紀(jì)。從塞貝克發(fā)現(xiàn)熱電效應(yīng)算起，一百多年來，熱電偶發(fā)展的歷史大約經(jīng)歷了三個(gè)不同的階段。intelligent control 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 目 錄 摘 要 ......................................................................................................................................... I Abstract....................................................................................................................................... II 第一章 緒論 .............................................................................................................................. 1 研究背景 ..................................................................................................................... 1 本設(shè)計(jì)的任務(wù)和要求 ................................................................................................. 4 第二章 虛擬儀器概述 .............................................................................................................. 6 虛擬儀器的基本知識 ................................................................................................. 6 虛擬儀器的概念 .............................................................................................. 6 虛擬儀器的發(fā)展 .............................................................................................. 6 虛擬儀器的組成 ......................................................................................................... 8 通用儀器硬件平臺 .......................................................................................... 8 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較 ........................................................................ 10 虛擬儀器的廣泛應(yīng)用 .................................................................................... 12 虛擬儀器的開發(fā)平臺 —— LabVIEW ....................................................................... 13 第三章 熱電偶檢定爐控制過程 ......................................................................................