【正文】 才。傳統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)方法使得實(shí)際工程人員很難掌握和修改專業(yè)人員編寫的軟件，工作積極性和創(chuàng)造力受到影響，許多項(xiàng)目實(shí)際效果并不理想。另一方面，采用虛擬儀器技術(shù)，根據(jù)實(shí)際工藝流程和控制要求，將分布在企業(yè)不同位置的各種測量儀表和控制裝置連接成為一個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，通過計(jì)算機(jī)實(shí)施集中控制和管理，可以改變采用傳統(tǒng)單元儀表分散時(shí)工作成本高，維護(hù)困難，資源配置重復(fù)等缺點(diǎn)，提高工業(yè)自動(dòng)化改造的經(jīng)濟(jì)效益，降低管理成本。儀器制造業(yè)是代表一個(gè)國家科技和工業(yè)發(fā)展水平的一個(gè)重要領(lǐng)域。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(xué)儀器的制造還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足國防和經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)展的需要。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(jìn)口的產(chǎn)品在功能上，易用性方面仍存在差距。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(shí)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(jìn)國家在儀器領(lǐng)域的差距。實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用。為了提供一定的實(shí)驗(yàn)規(guī)模，保證每個(gè)學(xué)生得到實(shí)際動(dòng)手能力的訓(xùn)練，傳統(tǒng)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)室一般需要購置大量的基礎(chǔ)測量儀器，如示波器，萬用表，信號源，使得投資大、技術(shù)更內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文）12新快、維護(hù)困難。利用這些虛擬儀器，學(xué)生在計(jì)算機(jī)上就可以學(xué)習(xí)和掌握儀器原理，功能與操作，并通過儀器與儀器，儀器與電路的相互配合，完成實(shí)際測試過程，達(dá)到與用實(shí)際儀器教學(xué)相同的目的。目前，NI 提供了多種軟硬件產(chǎn)品，應(yīng)用遍布電子、機(jī)械、通信、汽車制造、生物、醫(yī)藥、化工、科研、教育等各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域。85%的全球 500 強(qiáng)制造型企業(yè)是 NI 虛擬儀器技術(shù)的用戶。尤其要提及的是在 NI 公司的 LabVIEW 這個(gè)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(shí)。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)場資源，增強(qiáng)臨場感。要實(shí)現(xiàn)虛擬儀器在網(wǎng)絡(luò)平臺上的應(yīng)用最關(guān)鍵的問題是：如何充分考慮到虛擬儀器測量的數(shù)據(jù)量大、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等特點(diǎn)，有效地將采集到的信號轉(zhuǎn)化為適合于在以太網(wǎng)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信號，從而實(shí)現(xiàn)在應(yīng)用程序間共享現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)。內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文）13內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文）14第三章 溫度傳感器的分類及溫度信號的檢測 爐溫度特性及其對象建模將采集到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)過預(yù)處理后即可作為辨識數(shù)據(jù)源，本文采用多項(xiàng)式擬合算法得到電阻爐的數(shù)學(xué)模型，具體算法如下：假定辨識對象的傳遞函數(shù)結(jié)構(gòu)為 (n m) ()??m 1 10n n bss bs G aa ??????h(t)為系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)，根據(jù) Laplace 變換終值定理，有 ()0 00li()li()tskhGb???定義 ()10()[()]tkd???則 ()101{()}[()]LhtkGs??那么 ()??111010limli()tskkab???同理，定義 ()10()[()]trrhkhd?????則 ()1{()}[()]rrrrLtkGss?? () 11200limli .()rrrrrrr rtkhbKakKa???????于是得到如下線性方程組內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文）15 () 112. 0 012..( ) ()r rr rr rkbakbKakKa???????其中 b0,b1,……bm 和 a1,a2,…..an 為待求解系數(shù)，參數(shù) kr,r=0,1,2,…n+m 通過數(shù)值積分算的。 辨識中，傳遞函數(shù)分子分母的階次 m，n 的取值對辨識結(jié)果也有很大的影響，例如當(dāng) m=3，n=4 時(shí)模型的擬合程度要比當(dāng) m=0，n=2 時(shí)的擬合程度好，但是 m=3，n=4 時(shí)模型在實(shí)際應(yīng)用中的仿真效果反而不如 m=0，n=2 時(shí)的模型，它擬合的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的凹陷部分很可能是數(shù)據(jù)采集第三個(gè)小時(shí)的電壓波動(dòng)，因此我們選擇的標(biāo)準(zhǔn)是將所獲得的模型進(jìn)行仿真，與實(shí)際控制結(jié)果進(jìn)行比較。為獲取電阻爐針對仿真足夠精確的數(shù)學(xué)模型，其他的辨識方法和模型結(jié)構(gòu)也被加以比較和嘗試，如作圖法，兩點(diǎn)法獲取一階慣性加純滯后模型，二階慣性加純滯后系統(tǒng)模擬法等。模型檢驗(yàn)是過程辨識不可缺少的步驟，它與模型的結(jié)構(gòu)、階次的選擇密切相關(guān)。因此我們采用模型仿真結(jié)果與實(shí)際控制系統(tǒng)比較的方式進(jìn)行模型檢驗(yàn)。采取比例積分微分(PD)控制方案，選取了比例控制(P)、比例積分控制(PI)、比例積分微分(PID)三種控制器結(jié)構(gòu)，并對每種結(jié)構(gòu)選取無超調(diào)、有超調(diào)和無法穩(wěn)定收斂三種典型控制效果的控制參數(shù)，將模型的仿真結(jié)果與實(shí)際控制結(jié)果進(jìn)行比較。本系統(tǒng)選用一階慣性加純滯后環(huán)節(jié)（）作為電阻爐模型。 溫度傳感器的選用熱電偶的工作原理：把兩種不同材料導(dǎo)體的一端連接在一起，當(dāng)連接點(diǎn)的溫度和導(dǎo)體另一端的溫度不同時(shí)，由于電子熱運(yùn)動(dòng)的差異，會在導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生熱電勢塞貝克效應(yīng)， 其值與被測溫度有確定的關(guān)系，熱電偶就是把這種溫度差量轉(zhuǎn)化成電勢量的溫度傳感器。熱電偶的冷端溫度補(bǔ)償：熱電偶在使用中的一個(gè)重要問題是冷端溫度補(bǔ)償，因?yàn)闊犭娕嫉妮敵鰺犭妱萑Q于熱端和冷端的溫差，實(shí)際使用中，其冷端所處的溫度經(jīng)常變化。現(xiàn)在的智能儀表一般采用不平衡電橋進(jìn)行冷端溫度補(bǔ)償。熱電偶的分類：目前，使用較廣泛的熱電偶有幾十種，但國際電工委員會只對其 D（ S） G(S)r e u_ y內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文）17中幾種已被國際公認(rèn)，性能優(yōu)良和產(chǎn)量最大的熱電偶制定國際標(biāo)準(zhǔn)。表 標(biāo)準(zhǔn)熱電偶熱電偶名稱 IEC分度號使用范圍 使用溫度范圍（℃）0—110011001600鉑銠 10鉑 S 用于氧化中氣氛測溫，長時(shí)間最高使用溫度 1300 攝氏度，短期最高使用溫度1600℃，不推薦在還原氣氛中使用，但短期內(nèi)可以用于真空測溫 0—60060016006001700鉑銠 30鉑銠 6 B 用于氧化氣氛中測溫，長期使用最高溫度為 1600℃，短期最高使用溫度為1800℃，特點(diǎn)是穩(wěn)定性好，測溫溫度高，自由端在 0 到 100℃內(nèi)可以不用補(bǔ)償導(dǎo)線，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 200404035040350銅銅鎳 (康銅 ) T 用于在20 0℃到 400℃范圍內(nèi)測溫，特性是測溫密度精度高，穩(wěn)定性好，低溫時(shí)靈敏度高，價(jià)格低廉 2004040800鎳鉻銅鎳（康銅） E 用于氧化或弱還原性氣氛中測溫，按其偶絲直徑不同，測溫范圍為200 到900，具有穩(wěn)定好，靈敏度高，價(jià)格低廉40900內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文）18等優(yōu)點(diǎn) 2004040750鐵銅鎳（康銅） J 用于氧化和還原氣氛中測溫，也可以在真空和中性氣氛中測溫，按其偶絲直徑不同，測溫范圍為40 到 750℃，具有穩(wěn)定性好，靈敏度高，價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)4075001600鉑銠 13鉑 R 用于氧化中氣氛中測溫，長期最高使用溫度為 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)可以用于真空測溫01600集成溫度傳感器。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的氣體污染而影響壽命。AD590半導(dǎo)體集成溫度傳感器是一種二端式器件，測溫范圍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。根據(jù)國際電工委員會(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，測控對象( 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)作為檢測元件，其測溫范圍一般在200 到 1200℃，具有高溫下抗氧化，抗腐蝕，穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。傳感器采用 K型熱電偶，它的的精度分為三級： 級在 01000℃之間，其誤差為177。2. 5℃，為測量溫度的 % ； 級在2000 ℃之間，其誤差為士 ℃，為測量溫度的 %。 電阻爐熱電偶測溫?zé)犭娕际且环N應(yīng)用廣泛的測溫儀表，具有結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、能夠遠(yuǎn)距離傳送和多點(diǎn)測量等優(yōu)點(diǎn)。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。而虛擬儀器的出現(xiàn)可以較好的解決這樣一些問題。在眾多虛擬儀器應(yīng)用軟件中，又以美國國家儀器公司開發(fā)的圖形化編程語言 LabVIEW 最受專業(yè)人員的青睞。 熱電偶測溫的硬件由熱電偶傳感器、集成溫度傳感器、AD590、信號調(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。集成溫度傳感器 AD590 測量實(shí)時(shí)環(huán)境溫度實(shí)現(xiàn)冷端補(bǔ)償，AD590 是由美國模擬器件公司(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)，測量誤差小、體積小、微功耗，適合遠(yuǎn)距離測溫，不需要進(jìn)行非線性校正。由基于 LabVIE1V 的軟件采用二次查表法加線性插值實(shí)現(xiàn)溫度的測量與顯示。實(shí)驗(yàn)時(shí) K 型熱電偶插入加熱源測量熱源的溫度，AD590 測量實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度。軟件自動(dòng)顯示冷、熱端溫度及電壓，畫出溫度變化曲線。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)算所做的工作通過軟件來實(shí)現(xiàn)，大大提高了檢測效率，節(jié)約了成本，可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)測試的許多弊端，必將是測控技術(shù)發(fā)展的個(gè)方向。測溫點(diǎn)的選擇：熱電偶的安裝位置，即測溫點(diǎn)的選擇是最重要的，選擇測溫點(diǎn)時(shí)應(yīng)具有典型性、代表性，否則將失去測量與控制的意義。插入深度的控制：熱電偶測溫時(shí)，沿著傳感器長度方向會產(chǎn)生熱流，如果冷熱端溫差較大，就會有熱損失產(chǎn)生，這將導(dǎo)致熱電偶熱端溫度比被測實(shí)際溫度偏低而產(chǎn)生測溫誤差。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。見下表：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)，插入深度宜為內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文）2170mm。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。二、熱響應(yīng)時(shí)間。在測溫時(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)間的長短，同測溫元件的熱響應(yīng)時(shí)間有關(guān)。對于氣體介質(zhì)，尤其是靜止氣體，至少應(yīng)保持 30min 以上才能達(dá)到平衡；對于液體而言，最快也要在 5mi n 以上。普通的溫度傳感器不僅跟不上被測對象的溫度變化速度出現(xiàn)滯后，而且也會因達(dá)不到熱平衡而產(chǎn)生測量誤差。三、熱阻抗。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。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。伴隨上述變化，熱電偶的熱電動(dòng)勢也將極其敏感地發(fā)生變化。 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期在高溫作用下發(fā)生變質(zhì)；另一方面測溫環(huán)境各種氣氛對熱電偶的作用使熱電極發(fā)生質(zhì)變。 盡管熱電偶測溫誤差會因?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，仍然能減小測溫誤差，提高測量準(zhǔn)確度，從而延長熱電偶的使用壽命。控制器的控制規(guī)律，即為控制器的 PID 算式。它的優(yōu)點(diǎn)是原理簡單，易于現(xiàn)實(shí)，穩(wěn)定性能好。如果采用模糊推理的方法實(shí)現(xiàn) PID 參數(shù)： IT、 D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。 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)是基于被控對象的精確數(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。隨著工業(yè)生產(chǎn)的飛速發(fā)展，被控對象越來越復(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，這樣的被控對象往往存在難以用精確數(shù)學(xué)方法描述的不確定性。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)場設(shè)備情況或調(diào)試經(jīng)驗(yàn)人工設(shè)定的，通過調(diào)試實(shí)驗(yàn)改變參數(shù)以改變控制性能。而實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過程往往具有非線性、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)雜的工況和高指標(biāo)的控制要求。智能控