基于虚拟仪器的电阻炉温度控制系统设计(编辑修改稿)

基于虚拟仪器的电阻炉温度控制系统设计(编辑修改稿)内容摘要：

的问题，本论文提出一种基于内蒙古科技大学毕业设计说明 书（毕业论文） 3 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。 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，对未来的研究作了展望。 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。 内蒙古科技大学毕业设计说明 书（毕业论文） 4 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。 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。 内蒙古科技大学毕业设计说明 书（毕业论文） 5 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’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。 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。 虚拟仪器的硬件平台 由 一台通用计算机和 I/O 接口设备构成。 其中， I/O 接口设内蒙古科技大学毕业设计说明 书（毕业论文） 6 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 I/O 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。 ① 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。 ② 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。 ③ 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。 ④ PXI 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。 ⑤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， PCDAQ 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 1/0 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 LabWindows/CVI 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。 — 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，内蒙古科技大学毕业设计说明 书（毕业论文） 7 PXI， RS232和 RS485协议以及数据采集卡通讯的全部功能，还内置了便于应用 TCP/IP，ActiveX 等软件标准的库函数。 LabVIEW 的程序包括前面板 (FrontPanel)、流程图(BlockDiagram)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， 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、 Matlab 程序及已存在的 DLL 库函数，是一个开放的平台。 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，整个程序内蒙古科技大学毕业设计说明 书（毕业论文） 8 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 (functions)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)。 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，。