基于虛擬儀器的電阻爐溫度控制系統設計畢業設計論文-預覽頁

　

【正文】 esign and Implementation of modules. Keywords: virtual instrument。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。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。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。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℃。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。根據需要，爐內氣氛可以是普通氣氛、保護氣氛或真空。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。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。操作不方便，控制數據無法保存。 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。(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。(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。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。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。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。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。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。虛擬儀器將信號分析，顯示，存儲，打印和其他管理集中交由計算機來處理，充分利用了計算機的強大的數據處理，傳輸和發布能力，使得組建系統變得更加靈活、簡單。虛擬儀器通過提供給用戶組建自己儀器的可重用源代碼庫，可以很方便地修改儀器功能和面板，設計儀器的通信、定時和觸發功能，實現與外設，網絡及其他應用的連接，給用戶一個充分發揮自己能力和想象力的空間。虛擬儀器既可以作為測試儀器獨立使用，又可以通過告訴計算機網絡構成復雜的分布式測試系統，進行遠程測試、監控與故障診斷。這是一個由通用儀器硬件平臺(由計算機和數據采集卡組成，簡稱硬件平臺)和應用軟件組成的復雜系統。可以根據實際的情況采用不同的 I/O接口硬件設備，如數據采集卡(DAQ)、GPIB 總線儀器、 VXI 總線儀器、PXI 總線儀器、串口儀器等。②GPIB 系統了：以 GPIB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。無論上述那種 Vl 系統，都是通過應用軟件將儀器硬件與通用計算機相結合。虛擬儀器軟件由兩大部分構成：應用程序和 1/0 接口儀器驅動程序。隨著軟件技術的迅速發展，軟件開發的模塊化、復用化，對各種硬件儀器的驅動軟件模塊化、標準化，將使虛擬儀器軟件開發變得更加方便。其開發環境下提供的應用程序有 180 多種，除了具備其它語言所提供的常規函數功能和上述的生成圖形界面的大量模板外，內部還包括許多特殊的功能庫函數和開發工具庫以及多種設備驅動功能。LabVIEW 簡化了虛擬儀器系統的開發過程，縮短了系統的開發和調試周期，它讓用戶從煩瑣的計算機代碼編寫中解放出來，把大部分精力投入系統設計和分析當中，而不再拘泥于程序細節。先進的ActiveX 技術融合了簡單的拖動編程方法，儀器控制和數據采集在開發向導的引導下變得十分簡單，使用戶十分容易地開發自己的儀器，并將其立即投入使用。另外，它還有一個多線程和用于最大限度提高系統性能的優化圖形編輯器。通過儀器驅動程序可以與大多數儀器進行通訊。前面板是 LabVIEW 程序的圖形用戶接口，此接口集成了用戶輸入，并顯示程序的輸出，相當于傳統儀器的面板。流程圖包括內置于 LabVIEW VI 庫中的函數(functions) 和結構(stoctures)，還包括與前面板上的控制對象、顯示對象對應的連線端子(terminals)。這樣，在每個分面板上就可以實現功能操作的單純化與面板布置的簡潔化，從而提高操作的準確性和便捷性。虛擬儀器在性價比、靈活性以及用戶使用方便方面，具有傳統儀器不可比擬的優勢。用戶可以通過虛擬儀器來簡化一臺復雜的獨立儀器的操作，虛擬儀器也可以只作為集中控制儀器的一個部分，只實現其中的一部分功能，其使用是相當靈活的。虛擬儀器軟件對于將這些技術尖端的硬件組成變成實際可用的儀器系統是必不可缺的。它功能強大，可實現示波器、邏輯分析儀、頻譜儀、信號校正器等多種普通儀器全部功能，配以專用探頭和軟件還可以檢測特定系統的參數，如汽車發動機參數、汽油標號、爐窯溫度、血液脈搏波、心電參數等多種數據；它操作靈活，完全圖形化界面，風格簡約，符合傳統設備的使用習慣，用戶不經培訓即可迅速掌握操作規程；它集成方便不但可以和高速數據采集設備構成自動測量系統，而且可以和控制設備構成自動控制系統。工業自動化。傳統的軟件設計方法使得實際工程人員很難掌握和修改專業人員編寫的軟件，工作積極性和創造力受到影響，許多項目實際效果并不理想。儀器制造業是代表一個國家科技和工業發展水平的一個重要領域。即使像數字萬用表，發生器等基礎測量儀器，國產的與進口的產品在功能上，易用性方面仍存在差距。實驗室應用。利用這些虛擬儀器，學生在計算機上就可以學習和掌握儀器原理，功能與操作，并通過儀器與儀器，儀器與電路的相互配合，完成實際測試過程，達到與用實際儀器教學相同的目的。85%的全球 500 強制造型企業是 NI 虛擬儀器技術的用戶。網絡化的虛擬儀器可以為遠程故障診斷提供形象生動的現場資源，增強臨場感。內蒙古科技大學畢業設計說明書（畢業論文）13內蒙古科技大學畢業設計說明書（畢業論文）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驗數據經過預處理后即可作為辨識數據源，本文采用多項式擬合算法得到電阻爐的數學模型，具體算法如下：假定辨識對象的傳遞函數結構為 (n m) ()??m 1 10n n bss bs G aa ??????h(t)為系統的單位階躍響應，根據 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蒙古科技大學畢業設計說明書（畢業論文）15 () 112. 0 012..( ) ()r rr rr rkbakbKakKa???????其中 b0,b1,……bm 和 a1,a2,…..an 為待求解系數，參數 kr,r=0,1,2,…n+m 通過數值積分算的。為獲取電阻爐針對仿真足夠精確的數學模型，其他的辨識方法和模型結構也被加以比較和嘗試，如作圖法，兩點法獲取一階慣性加純滯后模型，二階慣性加純滯后系統模擬法等。因此我們采用模型仿真結果與實際控制系統比較的方式進行模型檢驗。本系統選用一階慣性加純滯后環節（）作為電阻爐模型。熱電偶的冷端溫度補償：熱電偶在使用中的一個重要問題是冷端溫度補償，因為熱電偶的輸出熱電勢取決于熱端和冷端的溫差，實際使用中，其冷端所處的溫度經常變化。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內蒙古科技大學畢業設計說明書（畢業論文）17中幾種已被國際公認，性能優良和產量最大的熱電偶制定國際標準。可短期在還原氣氛中使用，但必須加密封保護管 200404035040350銅銅鎳 (康銅 ) T 用于在20 0℃到 400℃范圍內測溫，特性是測溫密度精度高，穩定性好，低溫時靈敏度高，價格低廉 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，具有穩定好，靈敏度高，價格低廉40900內蒙古科技大學畢業設計說明書（畢業論文）18等優點 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℃，具有穩定性好，靈敏度高，價格低廉等優點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，但短期內可以用于真空測溫01600集成溫度傳感器。AD590半導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。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。 電阻爐熱電偶測溫熱電偶是一種應用廣泛的測溫儀表，具有結構簡單、使用方便、能夠遠距離傳送和多點測量等優點。而虛擬儀器的出現可以較好的解決這樣一些問題。 熱電偶測溫的硬件由熱電偶傳感器、集成溫度傳感器、AD590、信號調理模塊、數據采集卡及PC 四部分組成，系統結構如圖所示。由基于 LabVIE1V 的軟件采用二次查表法加線性插值實現溫度的測量與顯示。軟件自動顯示冷、熱端溫度及電壓，畫出溫度變化曲線。測溫點的選擇：熱電偶的安裝位置，即測溫點的選擇是最重要的，選擇測溫點時應具有典型性、代表性，否則將失去測量與控制的意義。金屬保護管因其導熱性能好，其插入深度應該深一些。當然，具體插入深度還必須兼顧容器體積或管道內徑等因素。在測溫時需要保持一定時間，才能使兩者達到熱平衡，而保持時間的長短，同測溫元件的熱響應時間有關。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滯后，而且也會因達不到熱平衡而產生測量誤差。因此，除了定期檢定外，為了減少誤差，經常抽檢套管是否結焦也是必要的。伴隨上述變化，熱電偶的熱電動勢也將極其敏感地發生變化。 盡管熱電偶測溫誤差會因為插入深度、熱響應時間、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生的原因，掌握解決辦法，并積極采取相應有效的補償措施，仍然能減小測溫誤差，提高測量準確度，從而延長熱電偶的使用壽命。它的優點是原理簡單，易于現實，穩定性能好。 PID 控制和智能控制的介紹PID 控制技術。隨著工業生產的飛速發展，被控對象越來越復雜，常常表現為高度的非線性、強干擾、動態突破性以及分散的執行器、分層的決策機構、復雜的結構信息等，這樣的被控對象往往存在難以用精確數學方法描述的不確定性。而實際工業生產過程往往具有非線性、時變性、不確立性，難以建立精確的數學模型，應用常規 PID 控制器不能達到理想的控制效果；而在實際現場中，由于受到參數整定方法煩雜的困擾，常規 PID 控制參數往往整定不良、性能欠佳，對運行工況的適應性較差，鑒于此情況，人們一直在研究 PID 參數的自動整定技術，以適應復雜的工況和高指標的控制要求。在上述專家小組發表的綜合報告中指出，實際上稱為具有智能的系統其智能應相當高才行。二、高度的非線性。例如在復雜的工業過程控制系統中，除了要求對各被控物理量實現定值調節外，還要求能實現整個系統的自動啟停、故障的自動診斷以及緊急情況的自動處理等功能。系統應具有適應受控對象動力學特性、環境變化和運行條件變化的能力。專家系統通過某種知識獲取手段，把人類專家領域的知識和經驗技巧移植到計算機中，并且模擬人類專家的推理、決策過程，表現出求解復雜問題的人工智能。專家控制是將專家系統的理論和技術同控制理論方法和技術相結合，在未知環境下，仿效專家的智能，實現對系統的控制。三、優良的控制性能和抗干擾