基于虛擬儀器的電阻爐溫度控制系統設計畢業設計論文(專業版)

　　

【正文】 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。二、高度的非線性。 PID 控制和智能控制的介紹PID 控制技術。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。金屬保護管因其導熱性能好，其插入深度應該深一些。 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。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。本系統選用一階慣性加純滯后環節（）作為電阻爐模型。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。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。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。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。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。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。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。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。 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。根據需要，爐內氣氛可以是普通氣氛、保護氣氛或真空。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。作為計算機技術和現代儀器技術相結合的產物，虛擬儀器實現了在傳統測試理論和控制方法上的革命性突破。 PID controller。按電熱產生方式，電阻爐分為直接加熱和間接加熱兩種。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。 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。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。此外，用基于軟件體系結構的虛擬儀器代替基于硬件體系結構的傳統儀器，還可以大大節約儀器的購買和維護費用。其中，PCDAQ系統是構成 Vl 的最基本的方式，也是最廉價的方式。LabVIEW 是一個面向最終用戶的工具，它可以增強用戶構建自己的科學和工程系統的能力，提供了實現儀器編程和數據采集系統的便捷途徑，使用它進行原理研究、設計、測試并實現儀器系統時，可以大大提高工作效率，其主要特點可歸納為如下幾點：(l)簡單的方案。前面板包括旋鈕、按鈕、圖形和其它的控制(controls)與顯示對象(indieators) 。如今，許多插卡式的數據采集主板同時還設置了技術先進的直接存儲器存取時以及兼容于多種主板的觸發功能，增強了主板之間的同步性和信號結合性。虛擬儀器設計所采用的圖形化編程語言，十分適合工程師應用，有利于提高企業自主開發和管理項目的能力，降低工業自動化技術改造的成本。這種思想對從根本上改變傳統實驗教學方法，降低實驗室建設與管理成本，實現遠程實驗教學具有重要的參考價值。 模型的檢驗 。它們被稱為標準熱電偶。由于熱電偶熱電勢和溫度之間的非線性以及冷端溫度的不穩定，影響了測溫精度。理論與實驗表明：用集成溫度傳感器測量環境溫度，利用中間溫度定律和二次分度表查詢進行線性插值，可以實現熱電偶的高精度測溫。熱響應時間要取決于傳感器的結構及測量條件，差別極大。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，由控制器按規定的控制規律進行運算，發出相應的控制信號去推動執行器。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。三、組織功能。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。二、適應功能。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。LabVIEW 的程序包括前面板(FrontPanel)、流程圖(BlockDiagram)以及圖標/連接器三部分。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。(5)便于構成復雜的測試系統，經濟性好。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。(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。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。按傳熱方式，電阻爐分為輻射式電阻爐和對流式電阻爐。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。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。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。小型爐（＜10 千瓦）單相供電，大型爐三相供電。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。 “軟件就是儀器”是虛擬儀器概念最簡單，也是最本質的表述。傳統儀器的某些硬件在虛擬儀器中被軟件代替，由于減少了許多隨時間可能漂移、需要定期校準的分立式模擬硬件，加上標準總線的使用，使儀器的測量精度、測量速度和可重復性都大大提高。①PC 一 DAQ 系統：是以數據采集板、信號調理電路和計算機為儀器硬件平臺組成的插卡式虛擬儀器系統。它把復雜的語言編程簡化成用圖形編程的方式，為編程的調試提供了簡單方便的環境，同時集成了大量的生成圖形界面的模塊，豐富的數值分析與處理功能。此外，LabVIEW 還可以生成在沒有 LabviEw 編程環境的目標機器上運行可執行的代碼。表 虛擬儀器與傳統儀器比較虛擬儀器 傳統儀器開發和維護費用低 開發和維護開銷大技術更新時間短（12 年） 技術更新周期長（510 年）軟件是關鍵，系統性能升級方便，通過網絡下載升級程序即可硬件是關鍵，升級成本高價格低廉，儀器資源可重復利用率高 價格較昂貴，儀器資源重復利用率低用戶可自定義儀器功能，并且可以根據實際情況更改只有廠商能定義儀器功能，一旦定義好以后就難以更改可通過網絡連接其他儀器，實現資源共 功能一般比較單一，只能連接有限的獨立內蒙古科技大學畢業設計說明書（畢業論文）10享或協同工作 設備開放性好、比較靈活，可與計算機技術保持步發展開放性差，利用新技術為自己服務的速率低從表可以看出與傳統儀器相比，虛擬儀器具有絕對的優勢。從總體上而言，虛擬儀器是測量測試領域的一個創新概念，改變了人們對儀器的傳統觀念，適應了現代測試技術的網絡化、智能化發展趨勢。采用虛擬儀器技術，將過去的儀器中許多靠硬件來完成實現的功能用軟件來代替，利用商品化的數據采集和 PC 技術，完全可以開發出各行各業急需的各種測量儀器，縮短我國與世界先進國家在儀器領域的差距。要實現虛擬儀器在網絡平臺上的應用最關鍵的問題是：如何充分考慮到虛擬儀器測量的數據量大、實時性強等特點，有效地將采集到的信號轉化為適合于在以太網上傳輸的數據信號，從而實現在應用程序間共享現場采集的數據。 溫度傳感器的選用熱電偶的工作原理：把兩種不同材料導體的一端連接在一起，當連接點的溫度和導體另一端的溫度不同時，由于電子熱運動的差異，會在導體內部產生熱電勢塞貝克效應， 其值與被測溫度有確定的關系，熱電偶就是把這種溫度差量轉化成電勢量的溫度傳感器。根據國際電工委員會(IEC)推薦的八種類型標準化熱電偶，以及本設計要求，測控對象( 電阻爐 )的溫度變化范圍為 200 到 800℃，選用 K 型熱電偶(鎳鉻一鎳硅熱電偶)作為檢測元件，其測溫范圍一般在200 到 1200℃，具有高溫下抗氧化，抗腐蝕，穩定性好等特點。集成溫度傳感器 AD590 測量實時環境溫度實現冷端補償，AD590 是由美國模擬器件公司(AD)生產的恒流源式模擬集成溫度傳感器，它兼有集成恒流源和集成溫度傳感器的特點，測量誤差小、體積小、微功耗，適合遠距離測溫，不需要進行非線性校正。見下表：表 高溫高壓蒸汽管道和一般流體介質管道的插入深度一覽表高溫高壓蒸汽管道 一般流體介質管道公稱通徑或管道外徑≤250mm ＞250mm ≤500mm ＞500mm插入深度 70mm 100mm 管道外徑的 300mm從表可以看出，對高溫高壓蒸汽管道的公稱通徑小于等于 250mm 時，插入深度宜為內蒙古科技大學畢業設計說明書（畢業論文）2170mm。所謂熱電偶的劣化，即熱電偶經使用后，出現老化變質的現象。傳統的控制技術是基于被控對象的精確數學模型的控制方式，采用固定的控制算法，控制系統由于依賴于數學模型而缺乏靈活性和應變能力。三、復雜的任務要求。專家控制系統一般由數據庫、規則庫、推理機、人機接口及規劃環節五個部分組成，控制系統具有下述特點：一、高可靠性及長期運行的連續性。專家系統在結構上有兩個基本要素：一、知識庫——存儲有某個專門領域中經過事先總結的按某種格式表示的專家水平的知識條目。智能控制的研究對象具有以下幾個特點：一、模型的不確定性。如果采用模糊推理的方法實現 PID 參數： IT、 D的在線自適應，不僅保持了常規 PID 控制的特點，而且具有更大的靈活性、適應性和精確性等優點，是目前一種較為先進的控制算法。三、熱阻抗。插入深度的控制：熱電偶測溫時，沿著傳感器長度方向會產生熱流，如果冷熱端溫差較大，就會有熱損失產生，這將導致熱電偶熱端溫度比被測實際溫度偏低而產生測溫誤差。在眾多虛擬儀器應用軟件中，又以美國國家儀器公司開發的圖形化編程語言 LabVIEW 最受專業人員的青睞。鉑電阻由于成本高，而且在還原介質中容易被從氧化物中還原出來的氣體污染而影響壽命。采取比例積分