1、Resistance Furnace Temperature Control SystemBased on Virtual InstrumentAbstractResistance furnace was widely used in industrial production, whose effect of the temperature control productivity and product quality, thus a structure, easy to implement, effective to control;it also industrial process
2、control, in particular to establish a precise mathematical model, and industrial process control is still widely used. However, the industrys Resistance furnace with temperature control of nonlinear, large inertia, the characteristics of large time delay, it is difficult to establish its precise mat
3、hematical model of conventional PID control , thus it is difficult to achieve good control effect; In this paper, we use incremental PID control algorithm for auto-tuning parameters.As product of combination of the computer technology and modern equipment technology,it make a revolutionary breakthro
4、ugh from traditional test and measurement methods pared with traditional instruments, virtual instrument this paper, the virtual instrument and intelligent temperature control is combined, we use LabVIEW to develop a set of self-tuning PID control algorithm of the temperature control system. Paper p
5、rovides an overview of the development of intelligent temperature control and the status , describes the development of virtual instrumentation and its salient features. Detailing the system design and implementation, including data acquisition, data processing, digital filtering and other functions
6、 of the Design and Implementation of modules. Keywords: virtual instrument; PID controller; self-tuning第一章 引言1.1 本课题的背景及意义随着工业的发展，对金属材料的性能提出了更多更高的要求，因而热处理技术也向着优质、高效、节能、无公害方向发展。在钢铁、机械、石油化工、电力、工业炉窑等工业生产中，温度是极为普遍又极为重要的热工参数之一，随着工业过程对控温精度要求的提高，测温范围也随之变广，因此温度控制技术的研究是一个重要的研究课题。在工业电炉控制中温度的控制是十分重要的“温控过程要严格按照
7、事先设定的温度曲线运行，如果意外掉电导致加热终止或控温精度低，都会导致工业加热的失败”，因此研究以工业电阻炉为控制对象，以智能仪表为控制工具的温控系统具有一定的实际应用价值。随着计算机、通讯技术在工业自动化系统的广泛应用，工业仪表的功能越来越强大，在高新技术的推动下，作为工业主要技术工具的控制仪表正跨入真正的数字化、智能化、网络化时代。不仅各类测控设备是数字化的，而且可通过网络将分散的控制装置和各类智能仪表连接起来，实现工业生产过程的集散监控管理。电阻炉是一种具有纯滞后的大惯性系统，开关炉门、加热材料、环境温度以及电网电压等都影响控制过程，传统的电阻炉控制系统大多建立在一定的数学模型基础上，对
8、被控对象中的非线性、时变性及随机干扰无能为力。电阻炉是热处理生产中应用最广的加热设备，这样加热时均温过程的测量与控制就成为关键性的技术。首先，控温精度要高。其次，当生产环境发生变化而影响到控温精度时，要有合适的手段进行调整以达到精度要求。而且，为了方便进行工艺的研究，需要能保存温度数据。最后，根据生产中的实际情况，电热烧结和控制设备要求操作方便，易于维护，成本较低等等。电阻炉是利用电流通过电热体元件将电能转化为热能来加热或熔化工件物料的热加工设备。电阻炉和火焰比，热效率高，可达50%80%，热工制度容易控制，劳动条件好，炉体寿命长，适用于要求较严的工件的加热，但耗电费用高。按传热方式，电阻炉分
9、为辐射式电阻炉和对流式电阻炉。辐射式电阻炉以辐射传热为主，对流传热作用较小；对流式电阻炉以对流传热为主，通常称为空气循环电阻炉，靠热空气进行加热，炉温多低于650。按电热产生方式，电阻炉分为直接加热和间接加热两种。在直接加热电阻炉中，电流直接通过物料，因电热功率集中在物料本身，所以物料加热很快，适用于要求快速加热的工艺，例如锻造坯料的加热。这种电阻炉可以把物料加热到很高的温度，例如碳素材料石墨化电炉，能把物料加热到超过2500。直接加热电阻炉可作成真空电阻加热炉或保护气体电阻加热炉，在粉末冶金中，常用于烧结钨、钽、铌等制品。采用这种炉子加热时应注意：（1）物料加热均匀，要求物料各部位的导电截面
10、和电导率一致；（2）由于物料自身电阻相当小，为达到所需的电热功率，工作电流相当大，因此送电电极和物料接触要好，以免起电弧烧损物料，而且送电母线的电阻要小，以减少电路损失；（3）在供交流电时，要合理配置短网，以免感抗过大而使功率因数过低。大部分电阻炉是间接加热电阻炉，其中装有专门用来实现电-热转变的电阻体,称为电热体，由它把热能传给炉中物料。最常用的电热体是铁铬铝电热体、镍铬电热体、碳化硅棒和二硅化钼棒。根据需要，炉内气氛可以是普通气氛、保护气氛或真空。一般电源电压220伏或380伏，必要时配置可调节电压的中间变压器。小型炉（10千瓦）单相供电，大型炉三相供电。对于品种单一、批料量大的物料，宜采
11、用连续式炉加热。炉温低于700的电阻炉,多数装置鼓风机，以强化炉内传热，保证均匀加热。用于熔化易熔金属（铅、铅铋合金、铝和镁及其合金等）的电阻炉，可做成坩埚炉；或做成有熔池的反射炉，在炉顶上装设电热体。常用的温度控制方法有：电接点温度表温度控制、位式温度显示调节仪温度控制、PID连续电流输出温度显示调节仪表温度控制、PID连续电压输出温度显示调节仪表温度控制。这些温度控制方法大都是在工业生产现场安装温度控制仪表，通过提前设定温度控制的上下限值或PID控制参数，然后再将控制仪表投入使用，进行各种预定的控制。但若被控对象发生变化，难于实时的调整控制参数，不能满足实时控制的要求，而且温度变化曲线的记
12、录不易实现。总之，我国的电阻炉的控制设备的现状不容乐观，它主要有以下特点：一小部分比较先进的设备和大部分比较落后的设备并存。由于我国改革开放的发展，国内引进和生产了少量的比较先进的控制设备，但是，整体上，我国的电阻炉控制系统比国外发达国家要落后四、五十年，占主导地位的是模拟仪表控制，这种系统的控制参数由人工选择，需要配置专门的仪表调试人员，费时、费力且不准确。控制精度依赖于试验者的调节，控制精度不高，一旦生产环境发生变化就需要重新设置。操作不方便，控制数据无法保存。因而，对生产工艺的研究很困难，因此造成产品质量低、废品率高、工作人员的劳动强度大、劳动效率低、这些都缩减了企业的效益。因此，本课题
13、研究有关控制理论及算法，编制基于智能化的控温程序，配以相应的硬件装置，使得高温电阻炉按照预先给定的升温保温曲线加热，达到提高控制精度、实现烧结自动化的目的。为了解决以上温度控制方法中存在的问题，本论文提出一种基于虚拟仪器LabVIEW的温度控制系统，本控制系统具有简单易懂的控制界面，能够实时显示温度的变化曲线，容易修改控制算法控制精度高等特点，很容易适应各种温度控制系统。1.2论文研究的主要内容本文以电阻炉为研究对象，针对电阻炉的温度，在比较、研究不同控制策略的基础上，主要对虚拟仪器在电阻炉温度控制中的应用进行了研究。利用虚拟仪器的巨大优越性，改善电阻炉温度的控制品质，提高控制效果。本文主要进
14、行了以下几方面的工作：（1）论述了电阻炉温度控制系统的课题目的、意义，温度控制系统系统的国内外发展概况及本论文的主要内容并对电阻炉温度控制特点进行了简要分析。（2）详细介绍了虚拟仪器技术及本论文中用到的智能控制方法。（3）电阻炉温度控制系统的设计思路及方案，对系统软件开发平台进行选择。（4）介绍电阻炉温度控制系统硬件组成，晶闸管技术及建立控制对象数学模型。（5）将各种PID控制策略针对阶跃信号进行仿真，分析、比较不同控制策略对电阻炉温度进行控制的效果，总结各种控制策略的优、缺点。（6）电阻炉温度控制系统软件整体设计方案，及各个子模块设计过程。（7）系统运行检验，并对所做工作进行了总结，对未来的
15、研究作了展望。1.3文研究的重点和难点电阻炉具有高度非线性、大时滞、大惯性、时变性等特点，应用传统的PID控制虽然结构简单、容易实现，却依赖于被控对象精确的数学模型且无法保证控制精度。模糊控制虽然能够适用于无法精确建模的物理对象，但要获得好的控制效果需要有系统的先验知识和完整合理的模糊规则，这导致其应用受到了很大局限。基于本次设计的局限性，该论文使用虚拟仪器设计用户界面和数据采集功能，实现对电阻炉温度的实时控制并取得良好的控制效果，这是电阻炉温度控制领域的难题，也是本文研究的重点。第二章 虚拟仪器及应用简介虚拟仪器产生于20世纪80年代，它是由计算机技术、现代测试技术和微电子技术高速发展而孕育
16、的一项革命性技术，它把标准化总线、网络化及软件化作为自己的发展目标和方向，极其符合未来测试与仪器技术发展的要求。与传统仪器相比，虚拟仪器充分利用计算机系统资源，通过计算机总线与外围通用硬件设备构筑了功能更丰富、处理速度更快、测量效率更高、可扩展性更好的仪器系统。近年来，虚拟仪器在测试、控制等领域得到了越来越广泛的应用，成为重点的仪器技术研究对象。2.1虚拟仪器的概念所谓虚拟仪器（VirtualInstent，简称VI），就是用户在通用计算机平台上，根据需求定义和设计仪器的测试功能，使得使用者在操作计算机时，就像是在操作他自己设计的测试仪器一样。虚拟仪器概念的出现，打破了传统仪器由厂家定义功能的
17、工作模式，使得用户可以根据自己的要求，设计自己的仪器系统。在测试系统和仪器设计中尽量用软件代替硬件，充分利用计算机技术来实现和扩展传统测试系统与仪器的功能。“软件就是仪器”是虚拟仪器概念最简单，也是最本质的表述。虚拟仪器是现代计算机软件技术、通信技术和测量技术相结合的产物，它使得人类的测试技术进入了一个新的发展纪元。虚拟仪器将计算机资源和仪器硬件、DSP技术结合，在系统内共享软硬件资源，既有普通仪器的功能，又有一般仪器没有的特殊功能。利用虚拟仪器技术建立的测试系统提高了测量精度、测量速度，减少了开关、电缆，系统易扩充、易修改，使得测试系统体积小、灵活方便、成本低、效率高，成为现代测试系统发展的
18、主流。虚拟仪器没有常规仪器的控制面板，而是利用计算机强大的图形环境，在计算机屏幕上建立图形化的虚拟面板来代替常规的仪器控制面板。软面板上具有与实际仪器相似的旋钮、开关、指示灯及其它控制部件。用户通过鼠标或键盘操作虚拟面板，检验仪器的通信和操作。在系统集成后，对被测对象进行数据采集、分析、存储、显示，组建自己所需要的仪器。用户不必要编写测试文本程序，即可进行测试、测量，实现了测试和自动化、智能化，体现了“软件就是仪器”。如今，随着电测技术以及网络技术的发展，仪器技术必将沿着虚拟仪器方向发展。2.2虚拟仪器的特点虚拟仪器是计算机技术介入仪器领域所形成的一种新型的、富有生命力的仪器种类。在虚拟仪器中
19、计算机处于核心地位，计算机软件技术和测试系统更紧密的结合，形成了一个有机整体，使得仪器的结构概念和设计观点等都发生了突破性的变化。从构成和功能上来说，虚拟仪器就是利用现有的计算机，配上相应的硬件和专业软件，形成既有普通仪器的基本功能，又有一般仪器所没有的特殊功能的高档低价的新型的仪器；从形式上来说，虚拟仪器面板（即软面板），可以有效地提高仪器的使用效率。虚拟仪器特点可以归结为以下四个方面：（l）丰富和增强了传统仪器的功能。虚拟仪器将信号分析，显示，存储，打印和其他管理集中交由计算机来处理，充分利用了计算机的强大的数据处理，传输和发布能力，使得组建系统变得更加灵活、简单。（2）突出“软件就是仪器
20、的概念。传统仪器的某些硬件在虚拟仪器中被软件代替，由于减少了许多随时间可能漂移、需要定期校准的分立式模拟硬件，加上标准总线的使用，使仪器的测量精度、测量速度和可重复性都大大提高。（3）仪器由用户自己定义。虚拟仪器通过提供给用户组建自己仪器的可重用源代码库，可以很方便地修改仪器功能和面板，设计仪器的通信、定时和触发功能，实现与外设，网络及其他应用的连接，给用户一个充分发挥自己能力和想象力的空间。（4）开放的工业标准。虚拟仪器硬件和软件都制定了开放的工业标准，因此用户可以将仪器的设计、使用和管理统一到虚拟仪器标准，使资源的可重复利用率提高，功能易于扩展，管理规范，生产，维护和开发费用降低。（5）便
21、于构成复杂的测试系统，经济性好。虚拟仪器既可以作为测试仪器独立使用，又可以通过告诉计算机网络构成复杂的分布式测试系统，进行远程测试、监控与故障诊断。此外，用基于软件体系结构的虚拟仪器代替基于硬件体系结构的传统仪器，还可以大大节约仪器的购买和维护费用。2.3虚拟仪器的组成虚拟仪器（VI）一般由通用计算机（PC机）、数据采集卡及软件系统组成。它充分利用PC机丰富的软硬件资源快速建立数据采集应用系统，通过数据采集卡从外界采集各种信号，对信号进行实时存储、实时显示及离线分析。这是一个由通用仪器硬件平台（由计算机和数据采集卡组成，简称硬件平台）和应用软件组成的复杂系统。（l）通用仪器硬件平台。虚拟仪器的
22、硬件平台由一台通用计算机和IO接口设备构成。其中，IO接口设备完成被测信号的采集、放大、模数转换等。可以根据实际的情况采用不同的IO接口硬件设备，如数据采集卡（DAQ）、GPIB总线仪器、VXI总线仪器、PXI总线仪器、串口仪器等。虚拟仪器的构成方式主要有五类。PC一DAQ系统：是以数据采集板、信号调理电路和计算机为仪器硬件平台组成的插卡式虚拟仪器系统。采用PCI计算机本身的总线，故将数采卡（DAQ）插入计算机的空槽中即可。GPIB系统了：以GPIB标准总线仪器与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统。VXI系统:以VXI标准总线仪器模块与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统。PXI
23、系统:以PXI标准总线仪器模块与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统。串口系统:以Serial标准总线仪器与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统。无论上述那种Vl系统，都是通过应用软件将仪器硬件与通用计算机相结合。其中，PC-DAQ系统是构成Vl的最基本的方式，也是最廉价的方式。（2）虚拟仪器的软件开发平台。虚拟仪器的核心是软件，软件开发平台的水平在很大程度上代表了虚拟仪器的水平。虚拟仪器软件由两大部分构成：应用程序和10接口仪器驱动程序。随着计算机技术和软件技术的飞速发展，各种专用仪器开发系统的功能也越来越强大和完善。以美国Nl公司的软件产品LabVIEW和LabWindowsC
24、VI为代表的虚拟仪器专用开发平台是当前流行的集成开发工具。这些软件开发平台提供了强大的仪器软面板设计工具和各种数据处理工具，再加上虚拟仪器硬件厂商提供的各种硬件驱动程序模块，大大地简化了虚拟仪器设计工作。随着软件技术的迅速发展，软件开发的模块化、复用化，对各种硬件仪器的驱动软件模块化、标准化，将使虚拟仪器软件开发变得更加方便。2.4虚拟仪器的开发平台LabVIEW LabVIEW是一种图形化的编程语言，它是由美国NI公司推出的虚拟仪器开发平台，也是目前应用最广、发展最快、功能最强的图形化软件集成开发环境。它把复杂的语言编程简化成用图形编程的方式，为编程的调试提供了简单方便的环境，同时集成了大量
25、的生成图形界面的模块，丰富的数值分析与处理功能。LabVIEW是一个带有扩展功能库和子程序库的通用程序设计系统。其开发环境下提供的应用程序有180多种，除了具备其它语言所提供的常规函数功能和上述的生成图形界面的大量模板外，内部还包括许多特殊的功能库函数和开发工具库以及多种设备驱动功能。LabVIEW作为一种强大的虚拟仪器开发平台，被视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。它集成了GPIB，VXI，PXI，RS-232和RS-485协议以及数据采集卡通讯的全部功能，还内置了便于应用TCPIP，ActiveX等软件标准的库函数。LabVIEW的程序包括前面板（FrontPanel）、流程图（Bloc
26、kDiagram）以及图标连接器三部分。LabVIEW简化了虚拟仪器系统的开发过程，缩短了系统的开发和调试周期，它让用户从烦琐的计算机代码编写中解放出来，把大部分精力投入系统设计和分析当中，而不再拘泥于程序细节。LabVIEW是一个面向最终用户的工具，它可以增强用户构建自己的科学和工程系统的能力，提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径，使用它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时，可以大大提高工作效率，其主要特点可归纳为如下几点：（l）简单的方案。即使没有多少编程经验，仍可以方便的使用LabVIEW，因为它使用“所见即所得”的可视化技术建立人机界面，提供大量的仪器面板中的控制对象。此外，
27、LabVIEW按其易用的方式将复杂的任务包装起来，从而使复杂任务得到简化。先进的ActiveX技术融合了简单的拖动编程方法，仪器控制和数据采集在开发向导的引导下变得十分简单，使用户十分容易地开发自己的仪器，并将其立即投入使用。（2）灵活的仪器将LabVIEW与一般的数据采集及仪器加以组合，可以设计出灵活的虚拟仪器，并可以随时将仪器系统移植到最适用的平台上使用。（3）方便的程序调试具有一些专用程序开发箱，可以在源代码中设置断点，单步执行源代码，高亮显示，连线上设置探针，动态执行程序，观察程序运行过程中数据流的变化。（4）完整的开发环境LabVIEW软件包中包含了功能强大的数据采集、分析和表达的能
28、力，使用户可以在该平台上实现一个完整的解决方案。另外，它还有一个多线程和用于最大限度提高系统性能的优化图形编辑器。这样，不仅简化了开发过程，而且可生成按编译速度执行的可复用代码。此外，LabVIEW还可以生成在没有LabviEw编程环境的目标机器上运行可执行的代码。（5）快速开发的LabVIEW为用户提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径。通过仪器驱动程序可以与大多数仪器进行通讯。用户不必学习各种仪器的低级编程协议，从而简化了仪器的控制，缩短了开发时间，提高了生产效率。（6）开放的平台提供的DLL接口和CIN接口节点，使用户能在它的平台上使用其它应用软件编译的模块，能调用C语言程序、Mat
29、lab程序及已存在的DLL库函数，是一个开放的平台。2.5 LabVIEW的程序构成LabVIEW的程序由前面板（frontpanel）和流程图（bloekdiagram）两部分组成，整个程序是基于多线程的设计，前面板和流程图各占用一个线程。前面板是LabVIEW程序的图形用户接口，此接口集成了用户输入，并显示程序的输出，相当于传统仪器的面板。前面板包括旋钮、按钮、图形和其它的控制（controls）与显示对象（indieators）。流程图包括虚拟仪器程序的图形化源代码。在流程图中对VI进行编程，以控制和操作定义在前面板上的输入和输出功能。流程图包括内置于LabVIEW VI库中的函数（fu
30、nctions）和结构（stoctures），还包括与前面板上的控制对象、显示对象对应的连线端子（terminals）。2.6虚拟仪器与传统仪器的比较虚拟仪器与传统仪器相比，最直观的区别就是与用户进行交互的面板。传统仪器的面板只有一个，其上布置着种类繁多的显示与操作元件，容易导致许多识别与操作错误。虚拟仪器与之不同，它可以通过在几个分面板上的操作来实现比较复杂的功能。这样，在每个分面板上就可以实现功能操作的单纯化与面板布置的简洁化，从而提高操作的准确性和便捷性。同时，虚拟仪器面板上的显示元件和操作元件的种类与形式不受“标准件”和“加工工艺”的限制，他们是由编程来实现的，设计者可以根据用户的认知要求和操作要求，设计仪器面板。表2.1 虚拟仪器与传统仪器比较虚拟仪器传统仪器开发和维护费用低开发和维护开销大技术更新时间短（1-2年）技术更新周期长（5-10年）软件是关键，系统性能升级方便，通过网络下载升级程序即可硬件是关键，升级成本高价格低廉，仪器资源可重复利用率高价格较昂贵，仪器资源重复利用率低用户可自定义仪器功能，并且可以根据实际情况更改只有厂商能定义仪器功能，一旦定义好以后就难以更改可通过网络连接其他仪器，实现资源共享或协同工作功能一般比较单一，只能连接有限的独立设备开放性好、比较灵活，可与计算机技术保持步发展开放性差，利用新技术为自己服务的速率低
