基于虛擬儀器的電阻爐溫度控制系統設計畢業設計論文(完整版)

　　

【正文】 .........17 偶測溫誤差分析 .............................................................................................................18第四章 PID 控制算法簡介 .....................................................................................................20 PID 控制和智能控制的介紹 ..........................................................................................20 數字 PID 控制算式 .........................................................................................................23 數字 PID 控制算式的改進 .............................................................................................26 增量式 PID 控制器的程序流程圖 ................................................................................30第五章 電阻爐溫度控制系統的硬件設計 .........................................................................32 控制系統的功能及結構 .................................................................................................32 數據采集卡 .....................................................................................................................33 系統設計原則 .................................................................................................................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。本文把虛擬儀器與智能溫度控制相結合，用 LabVIEW 開發了一套自整定的 PID 控制算法的溫度控制系統。但是工業電阻爐的溫度控制具有非線性、大慣性、大滯后等特點，難以對其建立精確的數學模型，因而常規 PID控制難以取得良好的控制效果；本文采用增量式 PID 控制算法來進行 PID 參數的自動整定。s Resistance furnace with temperature control of nonlinear, large inertia, the characteristics of large time delay, it is difficult to establish its precise mathematical model of conventional PID control , thus it is difficult to achieve good control effect。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。按傳熱方式，電阻爐分為輻射式電阻爐和對流式電阻爐。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。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。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。(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。 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。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。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。(5)便于構成復雜的測試系統，經濟性好。其中，I/O 接口設備完成被測信號的采集、放大、模/數轉換等。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。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 的程序包括前面板(FrontPanel)、流程圖(BlockDiagram)以及圖標/連接器三部分。(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。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。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。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。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” 。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。智能控制的對象通常存在嚴重的不確定性，其不