【正文】 5 數(shù)據(jù)分析處理模塊設(shè)計(jì) ..........................................................................36 越限報警模塊設(shè)計(jì) ........................................................................................36 數(shù)數(shù)據(jù)存儲模塊設(shè)計(jì) ...................................................................................37 數(shù)據(jù)讀取 .......................................................................................................38 PID 控制器模塊設(shè)計(jì) ............................................................................38 增量式 PID 控制器的程序流程 .................................................................38 用 MATLAB Script 節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn) PID 控制算法 ............................................39 本章小結(jié) ..................................................................................................42 結(jié) 論 .................................................................................................................43 致 謝 .................................................................................................................44 參考資料 .................................................................................................................45 附 錄 .................................................................................................................46 附錄 A（英文） ...............................................................................................46 附錄 B（中文） ...............................................................................................50 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 1 頁 1 緒論 研究目的和研究意義 在現(xiàn)代化的生產(chǎn)過程中， 溫度是工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究實(shí)驗(yàn)中的一個非常重要的參數(shù)，物體的許多物理現(xiàn)象和化學(xué)性質(zhì)都與溫度有關(guān)，許多生產(chǎn)過程都是在一定的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行的，需要 測量溫度和控制溫度的場合極其廣泛。這種框架結(jié)構(gòu)決定了它只能由儀器廠家來定義、制造，而且功能和規(guī)格一般都是固定的，用戶無法隨意改變其結(jié)構(gòu)和功能。 20 世紀(jì) 90 年代初在我國興起對虛擬儀器的開發(fā)和應(yīng)用，現(xiàn)在已進(jìn)入航空、航天、通信、醫(yī)療、電力、石油勘探、鐵路等行業(yè)，并得到了廣泛的應(yīng)用，未來市場潛力巨大。 課題國內(nèi)外研究的現(xiàn)狀 虛擬儀器目前在國外發(fā)展得非?？?，以美國國家儀器公司 (NI 公司 )為代表的一些廠商己經(jīng)在市場上推出了基于虛擬儀器技術(shù)而設(shè)計(jì)的商品化儀器產(chǎn)品。我們學(xué)校就 在大三的第二學(xué)期開設(shè)了關(guān)于虛擬儀器的基本課程，并且本課程是以全英語版教學(xué)。 R5232 總線是 Pc 機(jī)早期采用的通用串行總線，至今仍然適用于要求較低的虛擬儀器或測試系統(tǒng)。但是，采用 GPIB 總線的儀器或插件，仍然大量存在，一直在應(yīng)用，因此 GPIB 總線仍然是組建中等水平自動測試系統(tǒng)所采用的總線。 課題研究的主要內(nèi)容 本文以小型加熱器模 型為研究對象，以計(jì)算機(jī)控制技術(shù)為理論基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)中小型加熱器模型的溫度為本文研究的主要內(nèi)容，以 LABVIEW，MATLAB 為研究工具 ,在比較研究傳統(tǒng) PID 控制、大林算法的 PID 控制的基礎(chǔ)上，主要對大林算法的 PID 控制在小型加熱器模型溫度測控中的應(yīng)用進(jìn)行了研究。本文主要進(jìn)行了以下幾方面的工作： (1)論述了溫度測控系統(tǒng)的課題目的及意義，溫度測控系統(tǒng)的國內(nèi)外發(fā)展概況及本論文的主要內(nèi)容。 (3)小型加熱器模型溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路及方案，對系統(tǒng)硬件和軟件開發(fā)平臺進(jìn)行選擇。 (5)詳細(xì)介紹了數(shù)字 PID 控制、大林算法 PID 控制的原理及算法，并分析了各種 PID 控制的優(yōu)缺點(diǎn)。 (7)對所做工作進(jìn)行了總結(jié)，對未來的研究作了展望。虛擬儀器并不完全等同于計(jì)算機(jī)輔助測試，它是一種基于信號采集與分析理論、具有 標(biāo)準(zhǔn) 化軟硬件及其接口和良好集成性與柔性的儀器系統(tǒng)，是一種新的測試儀器 標(biāo)準(zhǔn) 和技術(shù)規(guī)范 。得到工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的普遍認(rèn)可和好評。 LABVIEW 是一種虛擬儀器開發(fā)平臺軟件，能夠以其直觀簡便的編程方式、眾多的源代碼級的設(shè)備驅(qū)動程序、多種多樣 的分析和表達(dá)功能支持，為用戶快捷地構(gòu)筑自己在實(shí)際工程中所需要的儀器系統(tǒng)創(chuàng)造了基礎(chǔ)條件。特別是對于熟悉儀器結(jié)構(gòu)和硬件電路的硬件工程師、工程技術(shù)人員和測試技術(shù)人員來說，編程就像設(shè)計(jì)電路圖一樣；因此，硬件工程師、工程技術(shù)人員和測 試技術(shù)人員們學(xué)習(xí) LABVIEW 駕輕就熟，在較短的時間內(nèi)就能夠?qū)W會并應(yīng)用 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 4 頁 LABVIEW，也不必去記憶那眼花繚亂的文本式程序代碼。像 C 和 C++等其它計(jì)算機(jī)高級語言一樣，LABVIEW 也是一種通用編程語言，具有各種各樣、功能強(qiáng)大的函數(shù)庫，包括數(shù)據(jù)采集、 GPIB、串行儀器控制、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示及數(shù)據(jù)存儲，甚至還有網(wǎng)絡(luò)功能。 LABVIEW的動態(tài)連續(xù)跟蹤方式，可以連續(xù)、動態(tài)地觀察程序中的數(shù)據(jù)流向及其變化情況，比其它語言的開 發(fā)環(huán)境更方便、更有效。一個 VI 由交互式用戶接口、數(shù)據(jù)流框圖和圖標(biāo)連接端口組成。用戶可以將一個應(yīng)用分解為多個任務(wù)，再將任務(wù)細(xì)分，將一個復(fù)雜的應(yīng)用分解為多個簡單的子任務(wù)，為每個子任務(wù)建立一個 VI，然后把這些 VI 組合在一起成為最終的應(yīng)用程序。進(jìn) 一步而言，許多低級子 VI 可以完成一些常用功能，因此，用戶可以開發(fā)特定的子 VI 庫，以適用一般的應(yīng)用程序。諾依曼計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的執(zhí)行方式。數(shù)據(jù)流程序設(shè)計(jì)規(guī)定，一個函數(shù)只有當(dāng)它的所有輸入有效時才能執(zhí)行；而目標(biāo)的輸出，只有當(dāng)它的功能完成時才是有效的。 這樣， LABVIEW中被連接的功能節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)流就能控制程序的執(zhí)行次序，而不像文本程序受到行順序執(zhí)行的約束。 LABVIEW 的核心是 VI。前面板接收來自程序圖的指令。當(dāng)把一個輸入控件或顯示放置到前面板上時， LABVIEW 在程序圖中相應(yīng)地放置了一個端 EI(Terminals)，這個從屬于輸入控件或顯示控件的端口不能隨意刪除，只有刪除它對應(yīng)的輸入控件或顯示控件時它才隨之一起被刪除。首先，從功能菜單中選擇需要的功能節(jié)點(diǎn)，將之置于面板上合適的位置；然后用線 (Wires)連接各功能節(jié)點(diǎn)在程序圖中的端口，用來在功能節(jié)點(diǎn)之間傳輸數(shù)據(jù)。用 LABVIEW 編制出的圖形化 VI 是分層次和模塊化的。顯然LABVIEW 依附并發(fā)展了模塊化程序設(shè)計(jì)的概念。 LABVIEW的應(yīng)用現(xiàn)狀 LABVIEW 廣泛應(yīng)用于包括自動化、通信、半導(dǎo)體、電路設(shè)計(jì)、航空和生產(chǎn)、過程控制及生物醫(yī)學(xué)在內(nèi)的各種工業(yè)領(lǐng)域中，用來提高應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)效率。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中協(xié)調(diào)使用 LABVIEW，共享軟件及信息資源，可以節(jié)約大量的時間和金錢。 LABVIEW 結(jié)合 NI Test Stand 測試執(zhí)行環(huán)境和該領(lǐng)域中最大的儀器驅(qū)動程序庫，為整個系統(tǒng)建立穩(wěn)固完整的檢測管理平臺。 (3)應(yīng)用于過程控制和工廠自動化：可利用 LABVIEW 來建立過程控制和工業(yè)自動化應(yīng)用系統(tǒng)。對于大型復(fù)雜的工業(yè)自動化和控制系統(tǒng)，有專門的 LABVIEW數(shù)據(jù)記錄和監(jiān)控模塊， 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 6 頁 用于監(jiān)控多通道 I／ O、 與工業(yè)控制器和網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，以及提供基于 PC 機(jī)的控制。 LABVIEW 系列產(chǎn)品，包括用于可靠、確定性控制的實(shí)時 LABVIEW(LABVIEW RT)軟件，能夠快速、準(zhǔn)確的建立起功能強(qiáng)大的機(jī)器監(jiān)視和自動控制應(yīng)用程序。 本章小結(jié) 本章主要介紹了虛擬儀器與 LABVIEW 的相關(guān)知識。 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 7 頁 3 溫度控制總體設(shè)計(jì) 小型加熱器模型是一種具有純滯后的大慣性系統(tǒng)，環(huán)境溫度、加熱材料以及電網(wǎng)等都影響控制過程，基于精確數(shù)學(xué)模型的常規(guī)控制難以保證加熱要求。首先介紹了測控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則；然后具體介紹了系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，最后討論了系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺的選擇 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能 本論文針對傳統(tǒng)測控儀表功能由儀器廠商定義，與其它儀器設(shè)備的連接十 分有限，圖形界面小，人工讀取數(shù)據(jù)信息量小，數(shù)據(jù)無法編輯、存儲、打印，系統(tǒng)封閉、功能固定、可擴(kuò)展性差，技術(shù)更新慢，開發(fā)和維護(hù)費(fèi)用較高的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一個基于 LABVIEW 的溫度測控系統(tǒng)。 (2)實(shí)現(xiàn)大林算法的 PID 控制器，能對小型加熱器模型的溫度進(jìn)行實(shí)時測控，能達(dá)到測控精度高，響應(yīng)速度快。 (4)加熱器溫度實(shí)時控制曲線，而且具有數(shù)字顯示和波形圖顯示。當(dāng)采集或讀入數(shù)據(jù)后，可選用不同的濾波器進(jìn)行數(shù)字濾波。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原則 本論文研究開發(fā)的是基于 LABVIEW 的溫度測控系統(tǒng)，要開發(fā)出好的測控系 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 8 頁 統(tǒng)，首先要對整個系統(tǒng)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)。首 先把一個復(fù)雜的系統(tǒng)分解成為若干相對獨(dú)立的、簡單的、容易實(shí)現(xiàn)的幾個部分，再把這些部分分解成為實(shí)現(xiàn)不同具體功能的模塊，采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，分別設(shè)計(jì)各個模塊，完成后再進(jìn)行綜合而形成整個系統(tǒng)。 (2)可擴(kuò)展性原則。如果只需對系統(tǒng)中軟件部分或硬件部分作一定的修改，系統(tǒng)的功能就會得到加強(qiáng)或者增加了一些 新功能，那么該系統(tǒng)就具有良好的可擴(kuò)展性。 (3)經(jīng)濟(jì)性原則。在滿足性能指標(biāo)的前提下，應(yīng)盡可能采用易實(shí)現(xiàn)、簡潔、實(shí)用的方案，因?yàn)榉桨负啙嵰馕吨铆h(huán)節(jié)較少，可靠性較高，而且比較經(jīng)濟(jì)。本論文所開發(fā)的基于LABVIEW 的智能溫度測控系統(tǒng)，采用 PC 機(jī)與自己搭建 的溫度測控儀表板構(gòu)成的虛擬儀器系統(tǒng)，正是由于此系統(tǒng)成本低。所謂可靠性是指系統(tǒng)在特定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力。 (5)易操作性原則。在 設(shè)計(jì)一個系統(tǒng)時，應(yīng)該考慮到可以將其它語言所設(shè)設(shè)計(jì)的程序能夠?yàn)榇讼到y(tǒng)所用。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體方案 本論文設(shè)計(jì)開發(fā)的基于 LABVIEW 的溫度測控系統(tǒng)，根據(jù)從總體到局部的設(shè)計(jì)原則，通過對系統(tǒng)功能的分析，將整個系統(tǒng)分解為實(shí)現(xiàn)不同功能的幾個部分，然后分別對每個部分設(shè)計(jì)。兩個部分是通過 PC 機(jī)中的串口進(jìn)行通信的。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖 所示。 在下位機(jī)的硬件選擇和設(shè)計(jì)利用單片機(jī)以及單片機(jī)周圍的硬件組成的最小系統(tǒng)，以下幾個部分組成：裝有 LABVIEW 軟件的計(jì)算機(jī)，由 AT89S52 單片機(jī)和最 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 10 頁 小系統(tǒng)組成的試驗(yàn)箱，電平轉(zhuǎn)換電路 MAX232， 串口線，溫度測控實(shí)驗(yàn) 板（對象、傳感器、變送器部分、信號分析電路、手動自動轉(zhuǎn)換部分、溫度控制部分）。其實(shí)驗(yàn)硬件的組成框圖如圖 3 .2: 小型加熱器手 動 控 制P N 結(jié) 檢 測元 件固 態(tài) 繼 電 器信 號 調(diào) 理電 路報 警 電 路溫度測控板單片機(jī)小系統(tǒng)LabVIEW計(jì)算機(jī) 圖 3. 2 用實(shí)驗(yàn)板組成的系統(tǒng)硬件組成框圖 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)框圖如下： 圖 3. 3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖 系統(tǒng)實(shí)物圖形如下： 加熱對象 RS.232串口線 操作員站 工程師站 單片機(jī) 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 11 頁 圖 系統(tǒng)實(shí)物圖 溫度測控板是有老師的指導(dǎo)下由同學(xué)自己完成搭建的，完全可以實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)溫度測控系統(tǒng)的功能。 利