基于虛擬儀器的電阻爐溫度控制系統設計畢業設計論文-文庫吧

【正文】 ........35內蒙古科技大學畢業設計說明書（畢業論文）IV第六章 電阻爐溫度控制系統的軟件設計 .............................................................................36 軟件模塊化設計方法概述 .............................................................................................36 電阻爐溫度控制系統軟件總體設計 .............................................................................37 密碼驗證模塊 .................................................................................................................37 數據采集模塊 .................................................................................................................38 A/D 和 D/A 轉換 ......................................................................................................38 數據采集 ...................................................................................................................39 信號處理模塊 .................................................................................................................40 PID 控制器模塊 ...........................................................................................................42第七章 系統調試 .....................................................................................................................44參考文獻 ...................................................................................................................................47附錄 A： ...................................................................................................................................49附錄 B： ...................................................................................................................................52致 謝 .......................................................................................................................................53內蒙古科技大學畢業設計說明書（畢業論文）1第一章 引言 本課題的背景及意義隨著工業的發展，對金屬材料的性能提出了更多更高的要求，因而熱處理技術也向著優質、高效、節能、無公害方向發展。在鋼鐵、機械、石油化工、電力、工業爐窯等工業生產中，溫度是極為普遍又極為重要的熱工參數之一，隨著工業過程對控溫精度要求的提高，測溫范圍也隨之變廣，因此溫度控制技術的研究是一個重要的研究課題。在工業電爐控制中溫度的控制是十分重要的“溫控過程要嚴格按照事先設定的溫度曲線運行，如果意外掉電導致加熱終止或控溫精度低，都會導致工業加熱的失敗” ，因此研究以工業電阻爐為控制對象，以智能儀表為控制工具的溫控系統具有一定的實際應用價值。隨著計算機、通訊技術在工業自動化系統的廣泛應用，工業儀表的功能越來越強大，在高新技術的推動下，作為工業主要技術工具的控制儀表正跨入真正的數字化、智能化、網絡化時代。不僅各類測控設備是數字化的，而且可通過網絡將分散的控制裝置和各類智能儀表連接起來，實現工業生產過程的集散監控管理。電阻爐是一種具有純滯后的大慣性系統，開關爐門、加熱材料、環境溫度以及電網電壓等都影響控制過程，傳統的電阻爐控制系統大多建立在一定的數學模型基礎上，對被控對象中的非線性、時變性及隨機干擾無能為力。電阻爐是熱處理生產中應用最廣的加熱設備，這樣加熱時均溫過程的測量與控制就成為關鍵性的技術。首先，控溫精度要高。其次，當生產環境發生變化而影響到控溫精度時，要有合適的手段進行調整以達到精度要求。而且，為了方便進行工藝的研究，需要能保存溫度數據。最后，根據生產中的實際情況，電熱燒結和控制設備要求操作方便，易于維護，成本較低等等。電阻爐是利用電流通過電熱體元件將電能轉化為熱能來加熱或熔化工件物料的熱加工設備。電阻爐和火焰比，熱效率高，可達 50%－80%，熱工制度容易控制，勞動條件好，爐體壽命長，適用于要求較嚴的工件的加熱，但耗電費用高。按傳熱方式，電阻爐分為輻射式電阻爐和對流式電阻爐。輻射式電阻爐以輻射傳熱為主，對流傳熱作用較小；對流式電阻爐以對流傳熱為主，通常稱為空氣循環電阻爐，靠熱空氣進行加熱，爐溫多低于 650℃。按電熱產生方式，電阻爐分為直接加熱和間接加熱兩種。在直接加熱電阻爐中，電流直接通過物料，因電熱功率集中在物料本身，所以物料加熱很快，內蒙古科技大學畢業設計說明書（畢業論文）2適用于要求快速加熱的工藝，例如鍛造坯料的加熱。這種電阻爐可以把物料加熱到很高的溫度，例如碳素材料石墨化電爐，能把物料加熱到超過 2500℃。直接加熱電阻爐可作成真空電阻加熱爐或保護氣體電阻加熱爐，在粉末冶金中，常用于燒結鎢、鉭、鈮等制品。采用這種爐子加熱時應注意：(1)物料加熱均勻，要求物料各部位的導電截面和電導率一致；(2)由于物料自身電阻相當小，為達到所需的電熱功率，工作電流相當大，因此送電電極和物料接觸要好，以免起電弧燒損物料，而且送電母線的電阻要小，以減少電路損失；(3)在供交流電時，要合理配置短網，以免感抗過大而使功率因數過低。大部分電阻爐是間接加熱電阻爐，其中裝有專門用來實現電熱轉變的電阻體,稱為電熱體，由它把熱能傳給爐中物料。最常用的電熱體是鐵鉻鋁電熱體、鎳鉻電熱體、碳化硅棒和二硅化鉬棒。根據需要，爐內氣氛可以是普通氣氛、保護氣氛或真空。一般電源電壓 220 伏或 380 伏，必要時配置可調節電壓的中間變壓器。小型爐（＜10 千瓦）單相供電，大型爐三相供電。對于品種單一、批料量大的物料，宜采用連續式爐加熱。爐溫低于 700℃的電阻爐,多數裝置鼓風機，以強化爐內傳熱，保證均勻加熱。用于熔化易熔金屬（鉛、鉛鉍合金、鋁和鎂及其合金等）的電阻爐，可做成坩堝爐；或做成有熔池的反射爐，在爐頂上裝設電熱體。常用的溫度控制方法有：電接點溫度表溫度控制、位式溫度顯示調節儀溫度控制、PID 連續電流輸出溫度顯示調節儀表溫度控制、PID 連續電壓輸出溫度顯示調節儀表溫度控制。這些溫度控制方法大都是在工業生產現場安裝溫度控制儀表，通過提前設定溫度控制的上下限值或 PID 控制參數，然后再將控制儀表投入使用，進行各種預定的控制。但若被控對象發生變化，難于實時的調整控制參數，不能滿足實時控制的要求，而且溫度變化曲線的記錄不易實現。總之，我國的電阻爐的控制設備的現狀不容樂觀，它主要有以下特點：一小部分比較先進的設備和大部分比較落后的設備并存。由于我國改革開放的發展，國內引進和生產了少量的比較先進的控制設備，但是，整體上，我國的電阻爐控制系統比國外發達國家要落后四、五十年，占主導地位的是模擬儀表控制，這種系統的控制參數由人工選擇，需要配置專門的儀表調試人員，費時、費力且不準確。控制精度依賴于試驗者的調節，控制精度不高，一旦生產環境發生變化就需要重新設置。操作不方便，控制數據無法保存。因而，對生產工藝的研究很困難，因此造成產品質量低、廢品率高、工作人員的勞動強度大、勞動效率低、這些都縮減了企業的效益。因此，本課題研究有關控制理論及算法，編制基于智能化的控溫程序，配以相應內蒙古科技大學畢業設計說明書（畢業論文）3的硬件裝置，使得高溫電阻爐按照預先給定的升溫保溫曲線加熱，達到提高控制精度、實現燒結自動化的目的。為了解決以上溫度控制方法中存在的問題，本論文提出一種基于虛擬儀器 LabVIEW 的溫度控制系統，本控制系統具有簡單易懂的控制界面，能夠實時顯示溫度的變化曲線，容易修改控制算法控制精度高等特點，很容易適應各種溫度控制系統。 論文研究的主要內容本文以電阻爐為研究對象，針對電阻爐的溫度，在比較、研究不同控制策略的基礎上，主要對虛擬儀器在電阻爐溫度控制中的應用進行了研究。利用虛擬儀器的巨大優越性，改善電阻爐溫度的控制品質，提高控制效果。本文主要進行了以下幾方面的工作：(1)論述了電阻爐溫度控制系統的課題目的、意義，溫度控制系統系統的國內外發展概況及本論文的主要內容并對電阻爐溫度控制特點進行了簡要分析。(2)詳細介紹了虛擬儀器技術及本論文中用到的智能控制方法。(3)電阻爐溫度控制系統的設計思路及方案，對系統軟件開發平臺進行選擇。(4)介紹電阻爐溫度控制系統硬件組成，晶閘管技術及建立控制對象數學模型。(5)將各種 PID 控制策略針對階躍信號進行仿真，分析、比較不同控制策略對電阻爐溫度進行控制的效果，總結各種控制策略的優、缺點。(6)電阻爐溫度控制系統軟件整體設計方案，及各個子模塊設計過程。(7)系統運行檢驗，并對所做工作進行了總結，對未來的研究作了展望。 文研究的重點和難點電阻爐具有高度非線性、大時滯、大慣性、時變性等特點，應用傳統的 PID 控制雖然結構簡單、容易實現，卻依賴于被控對象精確的數學模型且無法保證控制精度。模糊控制雖然能夠適用于無法精確建模的物理對象，但要獲得好的控制效果需要有系統的先驗知識和完整合理的模糊規則，這導致其應用受到了很大局限。基于本次設計的局限性，該論文使用虛擬儀器設計用戶界面和數據采集功能，實現對電阻爐溫度的實時控制并取得良好的控制效果，這是電阻爐溫度控制領域的難題，也是本文研究的重點。內蒙古科技大學畢業設計說明書（畢業論文）4內蒙古科技大學畢業設計說明書（畢業論文）5第二章 虛擬儀器及應用簡介虛擬儀器產生于 20 世紀 80 年代，它是由計算機技術、現代測試技術和微電子技術高速發展而孕育的一項革命性技術，它把標準化總線、網絡化及軟件化作為自己的發展目標和方向，極其符合未來測試與儀器技術發展的要求。與傳統儀器相比，虛擬儀器充分利用計算機系統資源，通過計算機總線與外圍通用硬件設備構筑了功能更豐富、處理速度更快、測量效率更高、可擴展性更好的儀器系統。近年來，虛擬儀器在測試、控制等領域得到了越來越廣泛的應用，成為重點的儀器技術研究對象。 虛擬儀器的概念所謂虛擬儀器(VirtualInstent，簡稱 VI)，就是用戶在通用計算機平臺上，根據需求定義和設計儀器的測試功能，使得使用者在操作計算機時，就像是在操作他自己設計的測試儀器一樣。虛擬儀器概念的出現，打破了傳統儀器由廠家定義功能的工作模式，使得用戶可以根據自己的要求，設計自己的儀器系統。在測試系統和儀器設計中盡量用軟件代替硬件，充分利用計算機技術來實現和擴展傳統測試系統與儀器的功能。 “軟件就是儀器”是虛擬儀器概念最簡單，也是最本質的表述。虛擬儀器是現代計算機軟件技術、通信技術和測量技術相結合的產物，它使得人類的測試技術進入了一個新的發展紀元。虛擬儀器將計算機資源和儀器硬件、DSP 技術結合，在系統內共享軟硬件資源，既有普通儀器的功能，又有一般儀器沒有的特殊功能。利用虛擬儀器技術建立的測試系統提高了測量精度、測量速度，減少了開關、電纜，系統易擴充、易修改，使得測試系統體積小、靈活方便、成本低、效率高，成為現代測試系統發展的主流。虛擬儀器沒有常規儀器的控制面板，而是利用計算機強大的圖形環境，在計算機屏幕上建立圖形化的虛擬面板來代替常規的儀器控制面板。軟面板上具有與實際儀器相似的旋鈕、開關、指示燈及其它控制部件。用戶通過鼠標或鍵盤操作虛擬面板，檢驗儀器的通信和操作。在系統集成后，對被測對象進行數據采集、分析、存儲、顯示，組建自己所需要的儀器。用戶不必要編寫測試文本程序，即可進行測試、測量，實現了測試和自動化、智能化，體現了“軟件就是儀器” 。如今，隨著電測技術以及網絡技術的發展，儀器技術必將沿著虛擬儀器方向發展。內蒙古科技大學畢業設計說明書（畢業論文）6 虛擬儀器的特點虛擬儀器是計算機技術介入儀器領域所形成的一種新型的、富有生命力的儀器種類。在虛擬儀器中計算機處于核心地位，計算機軟件技術和測試系統更緊密