基于虛擬儀器的電阻爐溫度控制系統設計畢業設計論文(文件)

　

【正文】 trol , thus it is difficult to achieve good control effect。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。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。而且，為了方便進行工藝的研究，需要能保存溫度數據。按傳熱方式，電阻爐分為輻射式電阻爐和對流式電阻爐。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℃。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。對于品種單一、批料量大的物料，宜采用連續式爐加熱。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。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。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。(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。(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。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。 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。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。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。虛擬儀器特點可以歸結為以下四個方面：(l)豐富和增強了傳統儀器的功能。(3)儀器由用戶自己定義。(5)便于構成復雜的測試系統，經濟性好。它充分利用PC 機豐富的軟硬件資源快速建立數據采集應用系統，通過數據采集卡從外界采集各種信號，對信號進行實時存儲、實時顯示及離線分析。其中，I/O 接口設備完成被測信號的采集、放大、模/數轉換等。采用 PCI 計算機本身的總線，故將數采卡(DAQ)插入計算機的空槽中即可。⑤串口系統:以 Serial 標準總線儀器與計算機為儀器硬件平臺組成的虛擬儀器測試系統。虛擬儀器的核心是軟件，軟件開發平臺的水平在很大程度上代表了虛擬儀器的水平。這些軟件開發平臺提供了強大的儀器軟面板設計工具和各種數據處理工具，再加上虛擬儀器硬件廠商提供的各種硬件驅動程序模塊，大大地簡化了虛擬儀器設計工作。LabVIEW 是一個帶有擴展功能庫和子程序庫的通用程序設計系統。LabVIEW 的程序包括前面板(FrontPanel)、流程圖(BlockDiagram)以及圖標/連接器三部分。此外，LabVIEW 按其易用的方式將復雜的任務包裝起來，從而使復雜任務得到簡化。(4)完整的開發環境 LabVIEW 軟件包中包含了功能強大的數據采集、分析和表達的能力，使用戶可以在該平臺上實現一個完整的解決方案。(5)快速開發的 LabVIEW 為用戶提供了實現儀器編程和數據采集系統的便捷途徑。內蒙古科技大學畢業設計說明書（畢業論文）9 LabVIEW 的程序構成LabVIEW 的程序由前面板(frontpanel)和流程圖(bloekdiagram)兩部分組成，整個程序是基于多線程的設計，前面板和流程圖各占用一個線程。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。虛擬儀器與之不同，它可以通過在幾個分面板上的操作來實現比較復雜的功能。決定虛擬儀器具有傳統儀器不可能具有的特點的根本原因在于“虛擬儀器的關鍵是軟件” 。在任何一種情況下，軟件界面可按照用戶的需求進行設計，以使用戶操作方便和快捷。然而，技術的進步是以復雜性的提高為代價的，比起使用具有類似功能的一臺獨立儀器，用戶必須具備更多有關硬件方面的知識。虛擬儀器技術先進，十分符合國際上流行的“硬件軟件化”的發展趨勢，因而常被稱作“軟件儀器” 。虛擬儀器技術應用方式多種多樣，下面主要針對虛擬儀器技術在工業自動化，儀器制造和實驗室方面的應用前景和效益進行分析。許多生產第一線的工程師熟悉設備與工藝流程，但是不具備程序員的專門編程能力，往往控制系統軟件使交給研究人員或大學程序員編寫的軟件設計與使用脫節。儀器產業改造。目前，像數字示波儀，頻譜分析儀和邏輯分析儀等中高檔儀器還依賴于進口。這是采用高新技術改造傳統產業的一個大有可為的領域。利用虛擬儀器技術，我們可以設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。從日本的 Honda 汽車測試、澳洲的心臟起搏器設計/驗證，到英國電信電話線路性能測試，全世界數以萬計的工程師和科學家們都在使用 NI 的產品達到他們共同的目的——更快、更好、更省錢。虛擬儀器網絡化是指將工作于試驗現場的虛擬儀器通過網絡擴展到遠程應用領域。盡管現在有 TcP/IP，DDE 等技術可以現實應用程序間數據共享，但是這些技術大多數都不適用于現場數據的傳輸，Datasocket 編程技術能夠非常有效地解決上述的問題。經比較，取 m=0，n=2 時所獲得的傳遞函數 ()52 143()9 061GSss???作為系統的模型。首先必須承認辨識得到的模型只能是近似的，不能期望會找到一個和實際過程完全一致的模型，如果模型的特性和實際過程基本一致，那么就認為模型是滿意的；檢驗模型的標準應該是模型的實際應用效果。得出了比例(P)控制下系統處于無法穩定收斂的振蕩狀態時，仿真結果與實際控制結果比較得出了一階慣性加純滯后模型內蒙古科技大學畢業設計說明書（畢業論文）16 ()150()8sGse???和 m=3，n=4 時的多項式模型： ()13 8 24 .75. 10. 3()4705681ssss?????圖 系統結構圖這兩種情況與實際情況接近。在輸出端（冷端）溫度恒定的情況下，熱電偶的輸出電勢隨著熱端的溫度增高而增大， 熱電勢的大小只與二支電極的材料及熱電偶兩端的溫差有關，而與電極的長度，直徑，氣壓和空氣濕度等無關。由于冷端溫度變化而導致電橋輸出電壓的變化，熱電勢相反，而大小則取決于熱電偶冷端作為工作端，而零度作為自由端時輸出電壓值，從而達到冷端溫度補償的作用。短期可以用于真空測溫6008008001700401100401300鎳鉻鑷硅 鎳鉻鑷鋁K 用于氧化和中性氣氛中測溫，但偶絲直徑不同，其測溫范圍200℃到 1300℃，不推薦在還原氣氛中使用。上述傳感器溫度的變化一般表現為電壓的變化，因而不宜在有強電磁干擾環境中實現信號傳送，采用溫度變送器價格又昂貴，但是半導體集成溫度傳感器可以解決這類問題。并且所用的元器件少，性能優良，精度高，具有先進水平。本系統采用 級內蒙古科技大學畢業設計說明書（畢業論文）19K 型熱電偶。因此，傳統補償方法在很多場合己經不能適應現代測溫的要求。LabVIEW 軟件開發系統是用工程人員所熟悉的術語和圖形化符號代替常規的文本語言編程，界面友好，操作方便，可大大縮短系統的開發周期和開發人員的負擔，使其將主要精力集中投入到系統設計中，而不再是具體軟件細節的推敲上。通過取樣電阻將電流信號轉換為前 置 放 大AD590 濾 波前 置 放 大 數 據 采集 卡 PC基 于LABVIE熱 電 偶 測溫 儀熱 電 偶內蒙古科技大學畢業設計說明書（畢業論文）20電壓信號，經放大后，由數據采集卡采集進入 PC。運行測溫軟件，設定溫度值為 100℃+n X△t ，△t=5℃ ， n=0， 1，2……18，每隔一段時間，按下前面板的“顯示結果”按鍵進行測量。 偶測溫誤差分析一、插入深度。為了解決這種由熱傳導引起的誤差，必須保證熱電偶有足夠的插入深度，而插入深度又與保護管材質有關。公稱通徑大于 250mm 時，插入深度宜為 100mm，一般流體介質管道的外徑小于等于 5 0 0mm 時，插入深度宜為管道外徑的 1/2 外徑大于 500mn 時，插入深度宜為300mm。接觸法測溫的基本原理是測溫元件要與被測對象達到熱平衡。對于溫度不斷變化的被測場所，尤其是瞬間變化過程，整個過程僅1 秒鐘，則要求傳感器的響應時間在毫秒級。在高溫下使用的熱電偶，如果被測介質為氣態，那么保護管表面沉積的灰塵等將燒熔在表面上，使保護管的熱阻抗增大；如果被測介質是熔體，在使用過程中將有爐渣沉積，不僅增加熱電偶的響應時間，而且還使指示溫度偏低。由金屬或合金構成的熱電偶，在高溫下其內部晶粒要逐漸長大，合金中含有少量雜質，其位置或形狀也將發生變化，而且，對周環環境中的還原或氧化性氣體也要發生反應。因此，在注意控制各種熱電偶測溫條件的同時，也要定期對熱電偶進行檢定。PID 控制算式是一種在工業控制中廣泛運用的控制策略。但是考慮到本軟件所具有的特點：對象比較簡單，非線性程度不高，大多數不具有時變性和模糊不確定性，而且設備的投資成本要求較低，比較適合采用常規 PID 控制，故本課題中的 PID 控制算式就確定為虛擬儀器結合常規的 PID 控制算式。智能控制是控制理論發展的高級階段，是控制論、系統論、信息論和人工智能等多門學科交叉和綜合的產物，主要用來解決那些用傳統方法難以解決的復雜系統的控制。PID 控制是最早發展起來的控制策略之一，由于其算法簡單、易于實現和內蒙古科技大學畢業設計說明書（畢業論文）24可靠性高，被廣泛應用于工業過程控制，尤其適用于可建立精確數學模型的確定性控制系統。 “智能控制”一詞在 1967 年 Leondes 和 Mendel 在他們的“人工智能控制”技術報告中正式使用，智能控制是一門新興的理論和技術，目前關于智能控制的定義、理論、結構等尚無統一的系統描述，1993 年美國 IEEE 控制系統學會智能控制技術委員會邀請成立一個專家小組，目的在于描述智能控制系統的特點，對“智能控制”一詞進行定義。智能控制的對象通常存在嚴重的不確定性，其不確定性是指模型未知或知之甚少以及模型的結構和參數可能在很大范圍內變化。傳統的控制系統控制任務要求比較單一，智能控制系統可以完成復雜的任務要求。二、適應功能。智能控制的方法很多，包括專家控制、神經控制、模糊控制、基于模式識別的智能控制、多模變結構智能控內蒙古科技大學畢業設計說明書（畢業論文）25制、仿人智能控制等，現介紹主要的三種智能控制方法——專家控制、神經控制、模糊控制。二、推理機制——按照類似專家水平的問題求解方法，調用知識庫中的條目進行推理、判斷和決策。二、在線控制的實時性。人工神經網絡（ANN）是近幾十年發展的一門新興的交叉學科，所謂“人工神經網絡。四、使用的靈活性及維護的方便性。專家控制系統不同于離線的專家系統，其不僅是獨立的決策者，而且是具有獲得反饋信息并能實時在線控制的系統。因而，專家系統是一種人工智能的計算機程序系統，這些程序軟件具有相當于某個專門領域的專家的知識和經驗水平，以及解決專門問題的能力。三、組織功能。智能控制是一類無需人的干預就能獨立驅動智能機械而實現其目標的自動控制， “智能”一詞是對系統的自動化程度、范圍及所能完成復雜控制任務的功能的表征，一般智能控制系統的功能包括以下三點：一、學習功能。在傳統的控制理論中，線性理論比較成熟，而非線性理論很不成熟，非線性控制方法也比較復雜，采用智能控制方法可以較好的解決非線性系統的控制問題。通常這種智能要求具有感知環境、作出決策和控制動作的能力，更高的智能還包括認識目標和事件用語言模型代表知識，對未來作出推理和計劃。隨著微機技術和智能控制理論的發展，出現了許多新型 PID 控制器，例如模糊 PID、神經 PID、預測 PID 等，對于復雜對象，其控制效果遠遠超過常規 PID 控制。PID 控制是在連續生產過程控制中，將偏差的比例(Proportional)、積分(Integral)、微分(Derivative)通過線性組合構成控制量，對控制對象進行控制。傳統的控制技術是以經典控制理論或現代控制理論為基礎發展起來的，具有原理簡單、實現容易、技術成熟等優點，在工業控制中具有重要作用，其中 PID 控制是傳統控制中的經典控制方式之一。實際上，大多數的工業過程都不同程度的存在著非線性、參數時變性和模糊不確定性，而傳統的 PID 控制主要是控制具有確定模型的線性過程，因此常規 PID 控制不具有在線整定參數的能力，其控制效果就不是十分理想。內蒙古科技大學畢業設計說明書（畢業論文）22內蒙古科技大學畢業設計說明書（畢業論文）23第四章 PID 控制算法簡介在測控系統中，被控量和操縱量確定之后，就可以根據對象的特性和對控制質量的要求，選擇控制器的控制作用，由控制器按規