基于虛擬儀器的電阻爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文(存儲(chǔ)版)

　　

【正文】 檢驗(yàn)建模結(jié)果的準(zhǔn)確度，選取一系列控制參數(shù)，分別帶入遠(yuǎn)程仿真系統(tǒng)和實(shí)際遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)中，將獲得的仿真結(jié)果和實(shí)際控制效果曲線加以比較。如果不對(duì)這種變化進(jìn)行補(bǔ)償，即使測(cè)量端的溫度恒定不變，由于冷端溫度的變化，也會(huì)使輸出電勢(shì)發(fā)生相應(yīng)的變化，舊時(shí)很多儀表因?yàn)榭紤]沒有考慮冷端溫度補(bǔ)償功能，故實(shí)際誤差較大，有時(shí)高達(dá) 50℃。熱電偶由于熱電勢(shì)小、靈敏度低，在常溫區(qū)的溫度測(cè)量精度不高， 盡管其對(duì)溫度變化反應(yīng)靈敏，但其非線性太大而影響測(cè)量精度。℃，為測(cè)量溫度的 % ； 級(jí)在 0 1200℃之間，其誤差為177。虛擬儀器充分利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的運(yùn)算、存儲(chǔ)、顯示以及文件管理等智能功能，可以把傳統(tǒng)儀器的功能軟件化。實(shí)驗(yàn)在 CSY2022C 型傳感器實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)臺(tái)提供了加熱源( 200℃可調(diào))，高精度溫度控制儀， K，E 型熱電偶，集成溫度傳感器 AD590，調(diào)理電路模板等實(shí)驗(yàn)器件。測(cè)溫元件應(yīng)安裝在測(cè)量值能代表被測(cè)介質(zhì)溫度的位置，不得裝在管道和設(shè)備的死角，且不應(yīng)受到劇烈震動(dòng)和沖擊。對(duì)于實(shí)際工程測(cè)溫，其插入深度還應(yīng)考慮被測(cè)介質(zhì)的靜止或流動(dòng)狀態(tài)，如果是流動(dòng)的液體或氣體，可以不受上述條件限制，插入深度可適當(dāng)淺一些，具體數(shù)值由實(shí)際情況分析確定。因此，最好選擇響應(yīng)快的傳感器。因此，熱電偶的劣化現(xiàn)象是不可避免的。實(shí)際上，大多數(shù)的工業(yè)過程都不同程度的存在著非線性、參數(shù)時(shí)變性和模糊不確定性，而傳統(tǒng)的 PID 控制主要是控制具有確定模型的線性過程，因此常規(guī) PID 控制不具有在線整定參數(shù)的能力，其控制效果就不是十分理想。PID 控制是在連續(xù)生產(chǎn)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(gòu)成控制量，對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行控制。通常這種智能要求具有感知環(huán)境、作出決策和控制動(dòng)作的能力，更高的智能還包括認(rèn)識(shí)目標(biāo)和事件用語言模型代表知識(shí)，對(duì)未來作出推理和計(jì)劃。智能控制是一類無需人的干預(yù)就能獨(dú)立驅(qū)動(dòng)智能機(jī)械而實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)的自動(dòng)控制， “智能”一詞是對(duì)系統(tǒng)的自動(dòng)化程度、范圍及所能完成復(fù)雜控制任務(wù)的功能的表征，一般智能控制系統(tǒng)的功能包括以下三點(diǎn)：一、學(xué)習(xí)功能。因而，專家系統(tǒng)是一種人工智能的計(jì)算機(jī)程序系統(tǒng)，這些程序軟件具有相當(dāng)于某個(gè)專門領(lǐng)域的專家的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)水平，以及解決專門問題的能力。四、使用的靈活性及維護(hù)的方便性。二、在線控制的實(shí)時(shí)性。智能控制的方法很多，包括專家控制、神經(jīng)控制、模糊控制、基于模式識(shí)別的智能控制、多模變結(jié)構(gòu)智能控內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文）25制、仿人智能控制等，現(xiàn)介紹主要的三種智能控制方法——專家控制、神經(jīng)控制、模糊控制。傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)控制任務(wù)要求比較單一，智能控制系統(tǒng)可以完成復(fù)雜的任務(wù)要求。 “智能控制”一詞在 1967 年 Leondes 和 Mendel 在他們的“人工智能控制”技術(shù)報(bào)告中正式使用，智能控制是一門新興的理論和技術(shù)，目前關(guān)于智能控制的定義、理論、結(jié)構(gòu)等尚無統(tǒng)一的系統(tǒng)描述，1993 年美國(guó) IEEE 控制系統(tǒng)學(xué)會(huì)智能控制技術(shù)委員會(huì)邀請(qǐng)成立一個(gè)專家小組，目的在于描述智能控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，對(duì)“智能控制”一詞進(jìn)行定義。智能控制是控制理論發(fā)展的高級(jí)階段，是控制論、系統(tǒng)論、信息論和人工智能等多門學(xué)科交叉和綜合的產(chǎn)物，主要用來解決那些用傳統(tǒng)方法難以解決的復(fù)雜系統(tǒng)的控制。PID 控制算式是一種在工業(yè)控制中廣泛運(yùn)用的控制策略。由金屬或合金構(gòu)成的熱電偶，在高溫下其內(nèi)部晶粒要逐漸長(zhǎng)大，合金中含有少量雜質(zhì)，其位置或形狀也將發(fā)生變化，而且，對(duì)周環(huán)環(huán)境中的還原或氧化性氣體也要發(fā)生反應(yīng)。對(duì)于溫度不斷變化的被測(cè)場(chǎng)所，尤其是瞬間變化過程，整個(gè)過程僅1 秒鐘，則要求傳感器的響應(yīng)時(shí)間在毫秒級(jí)。公稱通徑大于 250mm 時(shí)，插入深度宜為 100mm，一般流體介質(zhì)管道的外徑小于等于 5 0 0mm 時(shí)，插入深度宜為管道外徑的 1/2 外徑大于 500mn 時(shí)，插入深度宜為300mm。 偶測(cè)溫誤差分析一、插入深度。通過取樣電阻將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為前 置 放 大AD590 濾 波前 置 放 大 數(shù) 據(jù) 采集 卡 PC基 于LABVIE熱 電 偶 測(cè)溫 儀熱 電 偶內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文）20電壓信號(hào)，經(jīng)放大后，由數(shù)據(jù)采集卡采集進(jìn)入 PC。因此，傳統(tǒng)補(bǔ)償方法在很多場(chǎng)合己經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)代測(cè)溫的要求。并且所用的元器件少，性能優(yōu)良，精度高，具有先進(jìn)水平。短期可以用于真空測(cè)溫6008008001700401100401300鎳鉻鑷硅 鎳鉻鑷鋁K 用于氧化和中性氣氛中測(cè)溫，但偶絲直徑不同，其測(cè)溫范圍200℃到 1300℃，不推薦在還原氣氛中使用。在輸出端（冷端）溫度恒定的情況下，熱電偶的輸出電勢(shì)隨著熱端的溫度增高而增大， 熱電勢(shì)的大小只與二支電極的材料及熱電偶兩端的溫差有關(guān)，而與電極的長(zhǎng)度，直徑，氣壓和空氣濕度等無關(guān)。首先必須承認(rèn)辨識(shí)得到的模型只能是近似的，不能期望會(huì)找到一個(gè)和實(shí)際過程完全一致的模型，如果模型的特性和實(shí)際過程基本一致，那么就認(rèn)為模型是滿意的；檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臉?biāo)準(zhǔn)應(yīng)該是模型的實(shí)際應(yīng)用效果。盡管現(xiàn)在有 TcP/IP，DDE 等技術(shù)可以現(xiàn)實(shí)應(yīng)用程序間數(shù)據(jù)共享，但是這些技術(shù)大多數(shù)都不適用于現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的傳輸，Datasocket 編程技術(shù)能夠非常有效地解決上述的問題。從日本的 Honda 汽車測(cè)試、澳洲的心臟起搏器設(shè)計(jì)/驗(yàn)證，到英國(guó)電信電話線路性能測(cè)試，全世界數(shù)以萬計(jì)的工程師和科學(xué)家們都在使用 NI 的產(chǎn)品達(dá)到他們共同的目的——更快、更好、更省錢。這是采用高新技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的一個(gè)大有可為的領(lǐng)域。儀器產(chǎn)業(yè)改造。虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用方式多種多樣，下面主要針對(duì)虛擬儀器技術(shù)在工業(yè)自動(dòng)化，儀器制造和實(shí)驗(yàn)室方面的應(yīng)用前景和效益進(jìn)行分析。然而，技術(shù)的進(jìn)步是以復(fù)雜性的提高為代價(jià)的，比起使用具有類似功能的一臺(tái)獨(dú)立儀器，用戶必須具備更多有關(guān)硬件方面的知識(shí)。決定虛擬儀器具有傳統(tǒng)儀器不可能具有的特點(diǎn)的根本原因在于“虛擬儀器的關(guān)鍵是軟件” 。在流程圖中對(duì) VI 進(jìn)行編程，以控制和操作定義在前面板上的輸入和輸出功能。(5)快速開發(fā)的 LabVIEW 為用戶提供了實(shí)現(xiàn)儀器編程和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的便捷途徑。此外，LabVIEW 按其易用的方式將復(fù)雜的任務(wù)包裝起來，從而使復(fù)雜任務(wù)得到簡(jiǎn)化。LabVIEW 是一個(gè)帶有擴(kuò)展功能庫(kù)和子程序庫(kù)的通用程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)。虛擬儀器的核心是軟件，軟件開發(fā)平臺(tái)的水平在很大程度上代表了虛擬儀器的水平。采用 PCI 計(jì)算機(jī)本身的總線，故將數(shù)采卡(DAQ)插入計(jì)算機(jī)的空槽中即可。它充分利用PC 機(jī)豐富的軟硬件資源快速建立數(shù)據(jù)采集應(yīng)用系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)采集卡從外界采集各種信號(hào)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)存儲(chǔ)、實(shí)時(shí)顯示及離線分析。(3)儀器由用戶自己定義。如今，隨著電測(cè)技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，儀器技術(shù)必將沿著虛擬儀器方向發(fā)展。虛擬儀器是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)、通信技術(shù)和測(cè)量技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它使得人類的測(cè)試技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)新的發(fā)展紀(jì)元。基于本次設(shè)計(jì)的局限性，該論文使用虛擬儀器設(shè)計(jì)用戶界面和數(shù)據(jù)采集功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)電阻爐溫度的實(shí)時(shí)控制并取得良好的控制效果，這是電阻爐溫度控制領(lǐng)域的難題，也是本文研究的重點(diǎn)。(2)詳細(xì)介紹了虛擬儀器技術(shù)及本論文中用到的智能控制方法。控制精度依賴于試驗(yàn)者的調(diào)節(jié)，控制精度不高，一旦生產(chǎn)環(huán)境發(fā)生變化就需要重新設(shè)置。對(duì)于品種單一、批料量大的物料，宜采用連續(xù)式爐加熱。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℃。而且，為了方便進(jìn)行工藝的研究，需要能保存溫度數(shù)據(jù)。在鋼鐵、機(jī)械、石油化工、電力、工業(yè)爐窯等工業(yè)生產(chǎn)中，溫度是極為普遍又極為重要的熱工參數(shù)之一，隨著工業(yè)過程對(duì)控溫精度要求的提高，測(cè)溫范圍也隨之變廣，因此溫度控制技術(shù)的研究是一個(gè)重要的研究課題。論文概述了智能溫度控制的發(fā)展與現(xiàn)狀，介紹了虛擬儀器的發(fā)展及其突出特點(diǎn)。目前工業(yè)電阻爐通常采用常規(guī) PID 控制，PID 控制器是最早發(fā)展起來的控制策略之一，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)、控制效果好、魯棒性強(qiáng)等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)過程控制，尤其適用于可建立精確數(shù)學(xué)模型的確定性控制系統(tǒng)，在工業(yè)過程控制中至今仍得到廣泛應(yīng)用。it also has the characteristics of it is widely used in industrial process control, in particular to establish a precise mathematical model, and industrial process control is still widely used. However, the industry39。不僅各類測(cè)控設(shè)備是數(shù)字化的，而且可通過網(wǎng)絡(luò)將分散的控制裝置和各類智能儀表連接起來，實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)過程的集散監(jiān)控管理。電阻爐和火焰比，熱效率高，可達(dá) 50%－80%，熱工制度容易控制，勞動(dòng)條件好，爐體壽命長(zhǎng)，適用于要求較嚴(yán)的工件的加熱，但耗電費(fèi)用高。大部分電阻爐是間接加熱電阻爐，其中裝有專門用來實(shí)現(xiàn)電熱轉(zhuǎn)變的電阻體,稱為電熱體，由它把熱能傳給爐中物料。常用的溫度控制方法有：電接點(diǎn)溫度表溫度控制、位式溫度顯示調(diào)節(jié)儀溫度控制、PID 連續(xù)電流輸出溫度顯示調(diào)節(jié)儀表溫度控制、PID 連續(xù)電壓輸出溫度顯示調(diào)節(jié)儀表溫度控制。因此，本課題研究有關(guān)控制理論及算法，編制基于智能化的控溫程序，配以相應(yīng)內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文）3的硬件裝置，使得高溫電阻爐按照預(yù)先給定的升溫保溫曲線加熱，達(dá)到提高控制精度、實(shí)現(xiàn)燒結(jié)自動(dòng)化的目的。(5)將各種 PID 控制策略針對(duì)階躍信號(hào)進(jìn)行仿真，分析、比較不同控制策略對(duì)電阻爐溫度進(jìn)行控制的效果，總結(jié)各種控制策略的優(yōu)、缺點(diǎn)。近年來，虛擬儀器在測(cè)試、控制等領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用，成為重點(diǎn)的儀器技術(shù)研究對(duì)象。虛擬儀器沒有常規(guī)儀器的控制面板，而是利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的圖形環(huán)境，在計(jì)算機(jī)屏幕上建立圖形化的虛擬面板來代替常規(guī)的儀器控制面板。從構(gòu)成和功能上來說，虛擬儀器就是利用現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)，配上相應(yīng)的硬件和專業(yè)軟件，形成既有普通儀器的基本功能，又有一般儀器所沒有的特殊功能的高檔低價(jià)的新型的儀器；從形式上來說，虛擬儀器面板(即軟面板)，可以有效地提高儀器的使用效率。虛擬儀器硬件和軟件都制定了開放的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，因此用戶可以將儀器的設(shè)計(jì)、使用和管理統(tǒng)一到虛擬儀器標(biāo)準(zhǔn)，使資源的可重復(fù)利用率提高，功能易于擴(kuò)展，管理規(guī)范，生產(chǎn)，維護(hù)和開發(fā)費(fèi)用降低。虛擬儀器的硬件平臺(tái)由一臺(tái)通用計(jì)算機(jī)和 I/O 接口設(shè)備構(gòu)成。④PXI 系統(tǒng):以PXI 標(biāo)準(zhǔn)總線儀器模塊與計(jì)算機(jī)為儀器硬件平臺(tái)組成的虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)。以美國(guó) Nl 公司的軟件產(chǎn)品 LabVIEW 和 LabWindows/CVI 為代表的虛擬儀器專用開發(fā)平臺(tái)是當(dāng)前流行的集成開發(fā)工具。它集成了GPIB，VXI，PXI，RS232 和 RS485 協(xié)議以及數(shù)據(jù)采集卡通訊的全部功能，還內(nèi)置了便于應(yīng)用 TCP/IP，ActiveX 等軟件標(biāo)準(zhǔn)的庫(kù)函數(shù)。(3)方便的程序調(diào)試具有一些專用程序開發(fā)箱，可以在源代碼中設(shè)置斷點(diǎn)，單步執(zhí)行源代碼，高亮顯示，連線上設(shè)置探針，動(dòng)態(tài)執(zhí)行程序，觀察程序運(yùn)行過程中數(shù)據(jù)流的變化。(6)開放的平臺(tái)提供的DLL 接口和 CIN 接口節(jié)點(diǎn)，使用戶能在它的平臺(tái)上使用其它應(yīng)用軟件編譯的模塊，能調(diào)用 C 語言程序、Matlab 程序及已存在的 DLL 庫(kù)函數(shù)，是一個(gè)開放的平臺(tái)。傳統(tǒng)儀器的面板只有一個(gè)，其上布置著種類繁多的顯示與操作元件，容易導(dǎo)致許多識(shí)別與操作錯(cuò)誤。硬件部分可以是插入式主板、外圍儀器，或者兩者的結(jié)合。尤其在科研、開發(fā)、測(cè)量、檢測(cè)、計(jì)量、測(cè)控等領(lǐng)域更是不可多得的好工具。制約工業(yè)自動(dòng)化水平提高的一個(gè)關(guān)鍵因素就是企業(yè)缺乏開發(fā)自動(dòng)化控制和管理軟件的專業(yè)人才。由于工業(yè)基礎(chǔ)比較落后，我國(guó)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(guó)防和經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)展的需要。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(gòu)置大量的基礎(chǔ)測(cè)量?jī)x器，如示波器，萬用表，信號(hào)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。尤其要提及的是在 NI 公司的 LabVIEW 這個(gè)開發(fā)平臺(tái)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)。 辨識(shí)中，傳遞函數(shù)分子分母的階次 m，n 的取值對(duì)辨識(shí)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。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(duì)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。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。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。2. 5℃，為測(cè)量溫度的 % ； 級(jí)在2000 ℃之間，其誤差為士 ℃，為測(cè)量溫度的 %。在眾多虛擬儀器應(yīng)用軟件中，又以美國(guó)國(guó)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。實(shí)驗(yàn)時(shí) K 型熱電偶插入加熱源測(cè)量熱源的溫度，AD590 測(cè)量實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度。插入深度的控制：熱電偶測(cè)溫時(shí)，沿著傳感器長(zhǎng)度方向會(huì)產(chǎn)生熱流，如果冷熱端溫差較大，就會(huì)有熱損失產(chǎn)生，這將導(dǎo)致熱電偶熱端溫度比被測(cè)實(shí)際溫度偏低而產(chǎn)生測(cè)溫誤差。二、熱響應(yīng)時(shí)間。三、熱阻抗。 熱電