基于虛擬儀器的加熱爐溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、中 文 摘 要摘 要本論文要做的課題是基于虛擬儀器的加熱爐溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，要求加熱爐溫度穩(wěn)定在80，允許有±1的誤差。本論文采用美國(guó)NI公司虛擬儀器開發(fā)軟件LabVIEW8.5開發(fā)出一套低溫電加熱爐溫度控制系統(tǒng)。系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)方案如下：由傳感器測(cè)得的爐溫信號(hào)經(jīng)過變送環(huán)節(jié)送給數(shù)據(jù)采集卡，采集卡對(duì)信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后傳輸至虛擬儀器，虛擬儀器中的PID算法對(duì)信號(hào)處理后產(chǎn)生控制信號(hào)，再經(jīng)過采集卡D/A轉(zhuǎn)換后輸出控制PWM波產(chǎn)生電路，改變PWM波占空比，產(chǎn)生的PWM波經(jīng)過光耦MOC3041控制雙向可控硅的通斷，以此改變加在電阻上的電壓，達(dá)到溫控目的。本論文首先按照上述設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)了硬件電路，接著進(jìn)

2、行系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)。經(jīng)過簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)可以正常采集數(shù)據(jù)并顯示。關(guān)鍵詞：虛擬儀器，LabVIEW，溫控系統(tǒng)，過零調(diào)功，PWMIAbstractAbstractThe task of this paper is to design a temperature control system based on virtual instrument of the furnace.And the requirements of the furnace temperature is stable at 80, allowed error of ± 1.This paper adopted LabV

3、IEW8.5, a software to develop the virtual instrument of NI company in America,developed a set of temperature control system of low-power electric heating. The system design are showed as follows: the temperature sensors send the signal of temperature change to the data acquisition card by transmitte

4、r, then the signal will be convert to digital signal and be send to the virtual instrument by the data acquisition card , and then the virtual instrument will output control signal after be processed by PID algorithm, and the control signal will be convert to analog signal by the data acquisition ca

5、rd and output to control PWM waves produce circuit to change the duty cycle of PWM waves, then the PWM waves will control the bidirectional thyristor through opticalcoupler MOC3041 to change the voltage in resistance so that the temperature will be changed.This paper designed the hardware circuit in

6、 accordance with the above design scheme, followed by the design of the system software. After a simple experiment, the system can acquire and display the datas normally.Key words: virtual instrument, LabVIEW, temperature control system,zero-crossing power adjustment,PWMIV目 錄目 錄摘 要IABSTRACT (英文摘要)目

7、錄第一章 緒論11.1 課題的研究的目的和意義11.2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r11.3 本設(shè)計(jì)要做的工作3第二章 虛擬儀器及LABVIEW簡(jiǎn)介42.1 虛擬儀器的基本概念42.2 虛擬儀器的特點(diǎn)及應(yīng)用42.3 LabVIEW的含義52.4 LabVIEW的發(fā)展62.5 LabVIEW的結(jié)構(gòu)62.6 LabVIEW的優(yōu)勢(shì)6第三章 系統(tǒng)總體方案及硬件電路設(shè)計(jì)73.1 系統(tǒng)總體方案73.2 硬件電路設(shè)計(jì)73.2.1 傳感器的選型73.2.2 數(shù)據(jù)采集卡的選型93.2.3 PWM波產(chǎn)生電路的設(shè)計(jì)113.2.4 交流過零觸發(fā)PWM脈寬調(diào)功原理12第四章 溫控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)144.1 登錄系統(tǒng)設(shè)計(jì)144.2 數(shù)據(jù)采

8、集及處理控制模塊的設(shè)計(jì)174.2.1 溫度信號(hào)的采集174.2.2 采集數(shù)據(jù)的處理194.2.3 PID控制信號(hào)的產(chǎn)生224.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊244.3.1 數(shù)據(jù)存入文本文件244.3.2 數(shù)據(jù)存入TDMS文件254.4 歷史數(shù)據(jù)查看模塊264.4.1 文本文件查看方式264.4.2 TDMS文件查看方式284.5 打印模塊394.6 網(wǎng)絡(luò)通信模塊304.6.1 DataSocket的數(shù)據(jù)傳輸314.6.2 在Web上發(fā)布程序334.7 加熱爐溫控系統(tǒng)的集成34總結(jié)37參考文獻(xiàn)38致謝39第一章 緒論第一章 緒論1.1 課題研究的目的和意義電加熱爐被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中。由于這類對(duì)象

9、使用方便，可以通過調(diào)節(jié)輸出功率來控制溫度，進(jìn)而得到較好的控制性能，故在冶金、機(jī)械、化工等領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。在許多工業(yè)過程控制中，工業(yè)加熱爐是關(guān)鍵部件，爐溫控制精度及其工作穩(wěn)定性已成為產(chǎn)品質(zhì)量的決定性因素。溫度控制不好，將給企業(yè)帶來不可彌補(bǔ)的損失。同時(shí)，優(yōu)良的加熱爐溫控系統(tǒng)，不但可以保障工業(yè)生產(chǎn)的順利進(jìn)行，還可以大幅度提高生產(chǎn)效率，節(jié)約能源資源，降低生產(chǎn)成本，貢獻(xiàn)低碳社會(huì)。因此，優(yōu)良且可靠的加熱爐溫控系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中是十分必要的。近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，現(xiàn)代測(cè)控技術(shù)越來越離不開計(jì)算機(jī)。美國(guó)NI公司順應(yīng)時(shí)代發(fā)展，適時(shí)提出虛擬儀器概念。通過幾年的發(fā)展，虛擬儀器已廣泛應(yīng)用于國(guó)民生產(chǎn)各個(gè)

10、環(huán)節(jié)。本課題采用NI公司的虛擬儀器開發(fā)軟件LabVIEW8.5，開發(fā)設(shè)計(jì)出一款低溫加熱爐溫控系統(tǒng)。1.2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r電阻爐通過利用電源使得爐腔內(nèi)的加熱介質(zhì)或電熱元件發(fā)熱，以此對(duì)物料或工件進(jìn)行加熱的工業(yè)爐。在機(jī)械工業(yè)中，電阻爐主要用于金屬鍛壓前加熱、釬焊、金屬熱處理加熱、玻璃陶瓷焙燒和退火、粉末冶金燒結(jié)、砂型和油漆膜層的干燥、低熔點(diǎn)金屬熔化等工序1。自從發(fā)現(xiàn)楞茨-焦耳定律這一電流的熱效應(yīng)以后，電熱法最先應(yīng)用于家用電器，后來在具有陶瓷纖維電阻的實(shí)驗(yàn)室小電爐中也采用此法。到20世紀(jì)20年代，伴隨著鎳鉻合金的發(fā)明及廣泛應(yīng)用，在工業(yè)領(lǐng)域，電阻爐已得到了廣泛的普及。工業(yè)領(lǐng)域使用的電阻爐一般說來由電熱元

11、件、金屬殼體、砌體、爐用機(jī)械和電氣控制系統(tǒng)、爐門等部分組成。不同結(jié)構(gòu)的電阻爐的加熱功率大不相同，低功率的不足一千瓦，大功率的可達(dá)數(shù)千千瓦。根據(jù)工作溫度的不同，電阻爐可分為低溫爐、中溫爐和高溫爐。低溫爐的工作溫度在 650以下，中溫爐的工作溫度為6501000，高溫爐的工作溫度1000以上。它們的加熱方式也不同：高溫和中溫爐主要采用輻射方式加熱，低溫爐主要采用對(duì)流傳熱方式加熱。電加熱爐隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)水平的提高，已經(jīng)在冶金、化工、機(jī)械等各類工業(yè)控制中得到了廣泛應(yīng)用，并且在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有舉足輕重的低位。電熱爐是具有非線性、大滯后、時(shí)變性、升溫單向等特點(diǎn)的控制對(duì)象。目前，對(duì)于加熱爐溫控系

12、統(tǒng)的設(shè)計(jì)大多是由單片機(jī)作為控制單元的,經(jīng)過PID算法，由單片機(jī)控制功率控制元件，進(jìn)而達(dá)到溫控目的。功率控制元件多采用可控硅、固態(tài)繼電器，也有采用傳統(tǒng)的繼電接觸器進(jìn)行控制。采用可控硅作為功率控制元件，調(diào)功方式主要有可控硅移相調(diào)壓和雙向可控硅過零調(diào)功2?；趩纹臏乜叵到y(tǒng)的缺點(diǎn)也很明顯，比如系統(tǒng)硬件開銷大，程序設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，開發(fā)周期較長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)的功能比較單一等等。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，將單片機(jī)與計(jì)算機(jī)相結(jié)合，以單片機(jī)作為下位機(jī)，以計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)，已成為設(shè)計(jì)者普遍采用方法。此外，在控制算法上，當(dāng)對(duì)溫控系統(tǒng)有較高的設(shè)計(jì)要求時(shí)，傳統(tǒng)的PID算法可能滿足不了要求。所以，也有人將模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法引入到加熱爐

13、溫控系統(tǒng)中。如此一來，既能用模糊規(guī)則來描述神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的推理過程，有可以通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來不斷調(diào)整模糊規(guī)則；既能處理加熱爐生產(chǎn)過程中的模糊和不確定因素，又可以適應(yīng)加熱爐對(duì)象的非線性和時(shí)變性。伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、微電子技術(shù)、軟件技術(shù)的迅速發(fā)展，測(cè)量領(lǐng)域內(nèi)不斷涌現(xiàn)出新的測(cè)量理論、測(cè)量方法和新的儀器結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)儀器的概念越來越受到新技術(shù)新思想的挑戰(zhàn)。特別是計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)與將計(jì)算機(jī)作為核心的儀器系統(tǒng)的緊密結(jié)合，出現(xiàn)了一種全新的儀器虛擬儀器(Virtual Instrument，VI)，引發(fā)了儀器概念的突破性變革。虛擬儀器(Virtual Instrumention)是基于計(jì)算機(jī)的儀器，它根據(jù)儀器的需求，

14、組成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。研究虛擬儀器主要涉及兩方面的基礎(chǔ)理論，即數(shù)字信號(hào)處理和計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集。目前，儀器技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向是將儀器與計(jì)算機(jī)緊密結(jié)合。概括起來，這種結(jié)合有兩種方式。第一種方式，把計(jì)算機(jī)載入儀器中，智能化的儀器就是采用這種方式。由于計(jì)算機(jī)的功能越來越強(qiáng)大并且體積日趨縮小，采用這種方式構(gòu)成的儀器的功能也越來越強(qiáng)大。第二種方式，把儀器載入計(jì)算機(jī)中，以計(jì)算機(jī)硬件及其操作系統(tǒng)為平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)儀器的各種功能。采用第二種方式的主要是虛擬儀器。1986年，虛擬儀器的概念在美國(guó)NI公司誕生。時(shí)至今日，虛擬儀器技術(shù)已成為當(dāng)代測(cè)控領(lǐng)域的熱點(diǎn)技術(shù)。其發(fā)展大致可分為如下三個(gè)階段3。(1) 采用計(jì)算機(jī)技術(shù)增強(qiáng)儀器

15、的各功能。通過RS-232C和GPIB總線，用戶就可以將傳統(tǒng)儀器與計(jì)算機(jī)連接起來，就可以實(shí)現(xiàn)使用計(jì)算機(jī)來進(jìn)行儀器的控制了。(2) 儀器結(jié)構(gòu)更加開放。儀器的發(fā)展離不開技術(shù)的進(jìn)步，插入式的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集卡和VXI總線標(biāo)準(zhǔn)的確立這兩大硬件技術(shù)進(jìn)步，促使儀器的結(jié)構(gòu)得以開放，使得由用戶定義儀器功能和由供應(yīng)商定義儀器功能的區(qū)別得以消除。(3) 虛擬儀器的結(jié)構(gòu)框架得到了廣泛的認(rèn)可和采用。像在軟件領(lǐng)域中一樣，虛擬儀器開始采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)，在構(gòu)建虛擬儀器時(shí)，它把用戶需要知道的東西封裝起來，使得編程更加簡(jiǎn)便高效。在虛擬儀器的硬件和軟件領(lǐng)域中，已經(jīng)產(chǎn)生了許多行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，幾個(gè)虛擬儀器的平臺(tái)已經(jīng)得到廣泛認(rèn)可。目前在這一領(lǐng)

16、域內(nèi)，使用較為廣泛或者說首選的虛擬儀器開發(fā)軟件是美國(guó)NI公司的LabVIEW。采用LabVIEW開發(fā)加熱爐溫控系統(tǒng)，可以充分發(fā)揮G語(yǔ)言(Graphics Language，圖形化編程語(yǔ)言)編程的優(yōu)勢(shì)。1.3 本設(shè)計(jì)要做的工作根據(jù)電加熱爐大慣性、大滯后的特點(diǎn)，采用PID控制算法，由虛擬儀器控制實(shí)現(xiàn)交流過零觸發(fā)PWM脈寬調(diào)功，功率控制器件選用雙向可控硅。硬件的設(shè)計(jì)任務(wù)主要：有溫度傳感器、數(shù)據(jù)采集卡的選型，PWM波產(chǎn)生電路的設(shè)計(jì)等。軟件的設(shè)計(jì)任務(wù)主要有：采集數(shù)據(jù)的處理、存儲(chǔ)、顯示、打印，PWM波控制信號(hào)的輸出，通信功能的實(shí)現(xiàn)等。40第二章 虛擬儀器及LabVIEW簡(jiǎn)介第二章 虛擬儀器及LabVIEW

17、簡(jiǎn)介2.1 虛擬儀器的基本概念虛擬儀器是指，在以通用計(jì)算機(jī)為核心的硬件平臺(tái)上，由用戶自己設(shè)計(jì)定義，具有虛擬的操作面板，測(cè)試功能由測(cè)試軟件來實(shí)現(xiàn)的一種計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)4。傳統(tǒng)的電子儀器的主體為硬件，虛擬儀器的出現(xiàn)突破了這種模式。與傳統(tǒng)的電子儀器相比，它更為通用。隨著當(dāng)代科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，人們對(duì)測(cè)量?jī)x器不斷提出新的要求，虛擬儀器更能適應(yīng)這種要求，它推動(dòng)著傳統(tǒng)儀器朝著虛擬化、模塊化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。虛擬儀器技術(shù)的出現(xiàn)，打破了傳統(tǒng)儀器由廠家定義功能、用戶無法改變的固定模式。虛擬儀器技術(shù)給了用戶一個(gè)充分發(fā)揮自己才能和想象力的空間。用戶可以隨心所欲地根據(jù)自己的需求，設(shè)計(jì)自己的儀器系統(tǒng)，滿足多種多

18、樣的應(yīng)用需求。虛擬儀器中的“虛擬”有兩個(gè)方面的含義5，分別表現(xiàn)在：(1) 虛擬的儀器前面板。傳統(tǒng)的儀器面板上的控件都是物理實(shí)物，都遵循現(xiàn)實(shí)的物理規(guī)律，必須通過手動(dòng)或觸摸進(jìn)行操作。在要實(shí)現(xiàn)的功能方面，虛擬儀器的前面板上的控件和傳統(tǒng)的儀器控件沒有什么區(qū)別；在外形上，兩類控件非常相像；在原理上，傳統(tǒng)儀器控件的操作對(duì)應(yīng)著相應(yīng)物理過程，如按鍵觸點(diǎn)的碰觸，而虛擬儀器控件的操作對(duì)應(yīng)著相應(yīng)的軟件程序。通過程序?qū)崿F(xiàn)的功能。(2)與傳統(tǒng)儀器通過硬件來實(shí)現(xiàn)測(cè)控功能不同，虛擬儀器通過軟件編程，來實(shí)現(xiàn)與實(shí)物一樣的測(cè)控功能。2.2 虛擬儀器的特點(diǎn)及應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)集合了多種現(xiàn)代化技術(shù)于一身，包括計(jì)算機(jī)技術(shù)、圖形處理技術(shù)、

19、智能測(cè)試技術(shù)、模塊及總線的標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)等。虛擬儀器具有模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、積木化、系列化的軟件和硬件平臺(tái)，是一個(gè)完全開放的系統(tǒng)，它具有下列一些技術(shù)特點(diǎn)6。(1) 傳統(tǒng)儀器的功能被虛擬儀器豐富和增強(qiáng)為了充分利用計(jì)算機(jī)具有的強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理、 數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)發(fā)布的能力，以便更加簡(jiǎn)便靈活地組建儀器系統(tǒng)，虛擬儀器集中將數(shù)據(jù)分析處理、數(shù)據(jù)顯示存儲(chǔ)及打印和其他必要的操作都交給計(jì)算機(jī)來處理。(2) 虛擬儀器進(jìn)一步突出了“軟件即儀器”的概念虛擬儀器利用軟件代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器中的某些硬件，利用軟件實(shí)現(xiàn)硬件的功能，詮釋了“軟件即儀器”的概念。(3) 用戶可以自己定義儀器的各種功能虛擬儀器為用戶提供了重要的源代

20、碼庫(kù)。當(dāng)組建自己的虛擬儀器時(shí)，利用源代碼庫(kù)，用戶可以很方便地實(shí)現(xiàn)、修改儀器的各種測(cè)控、通信功能,讓用戶可以充分發(fā)揮自己的能力和想象力。(4) 虛擬儀器的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)非常開放虛擬儀器的軟件及硬件都具有開放的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，利用虛擬儀器的標(biāo)準(zhǔn)，用戶可以統(tǒng)一對(duì)儀器進(jìn)行設(shè)計(jì)、管理和使用，可以提高資源的可重復(fù)性利用率，使得管理更加規(guī)范，儀器功能更加易于擴(kuò)展，儀器的開發(fā)和維護(hù)費(fèi)用更加降低。(5) 經(jīng)濟(jì)性好，易于組建成更為復(fù)雜的測(cè)試系統(tǒng)虛擬儀器是基于軟件體系結(jié)構(gòu)的，傳統(tǒng)儀器是基于硬件體系結(jié)構(gòu)的，用虛擬儀器代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器，可以節(jié)約大量的購(gòu)買和維護(hù)成本。而且，與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器更容易組建成復(fù)雜的分布式測(cè)試系統(tǒng)，因?yàn)樘?/p>

21、擬儀器可以利用高速計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，很方便地實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信、監(jiān)控、測(cè)試和故障診斷等功能。虛擬儀器作為新興的儀器代表，由于具有絕對(duì)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于電子、機(jī)械、通信、汽車制造、生物、醫(yī)藥、化工、科研、軍事、教育等各個(gè)領(lǐng)域。從簡(jiǎn)單的儀器控制、數(shù)據(jù)采集到尖端的測(cè)試和工業(yè)自動(dòng)化，從大學(xué)實(shí)驗(yàn)室到工廠企業(yè)，從探索研究到技術(shù)集成，都可以發(fā)現(xiàn)虛擬儀器技術(shù)的應(yīng)用成果。2.3 LabVIEW的含義LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineer Workbench，實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器集成環(huán)境)是一種圖形化的編程語(yǔ)言(又稱G語(yǔ)言)，它是由美國(guó)NI公司推出的虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)，也是

22、目前應(yīng)用最廣、發(fā)展最快、功能最強(qiáng)的圖形化軟件集成開發(fā)環(huán)境之一7。2.4 LabVIEW的發(fā)展1986年，美國(guó)NI公司于正式推出了LabVIEW1.0，現(xiàn)在已發(fā)展到2011版本。20多年來，經(jīng)過公司的不斷改進(jìn)和完善，LabVIEW的功能更加豐富完備：包含眾多附加軟件包，比如控制與仿真、統(tǒng)計(jì)過程控制、高級(jí)數(shù)字信號(hào)處理、模糊控制、PID和PDA等；可運(yùn)行于多種平臺(tái)，比如Macintosh、UNIX、Windows和Linux等。作為一個(gè)具有強(qiáng)大功能的標(biāo)準(zhǔn)的虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)，LabVIEW廣泛地被研究實(shí)驗(yàn)室、學(xué)術(shù)界及工業(yè)界所接受，廣泛地應(yīng)用于航空航天、工業(yè)控制、電子半導(dǎo)體、汽車和通信等眾多領(lǐng)域。2.5

23、 LabVIEW的結(jié)構(gòu)利用LabVIEW軟件開發(fā)的虛擬儀器，包括前面板和程序框圖兩個(gè)主要部分。前面板就是虛擬儀器的測(cè)試界面，是由形象化的控件組成的，可以高度模擬傳統(tǒng)儀器中的各種控件。通過前面板，用戶可以展現(xiàn)包括參數(shù)設(shè)置、菜單、結(jié)果顯示等各種測(cè)試交互接口。程序框圖類似于傳統(tǒng)編程語(yǔ)言中的程序源代碼，是測(cè)試系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)處理的流程。程序框圖與前面板對(duì)象一一對(duì)應(yīng)，程序框圖中的數(shù)據(jù)流對(duì)應(yīng)于前面板對(duì)象的相關(guān)操作。程序框圖采用圖形化節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編程，使編程更加簡(jiǎn)便、高效。2.6 LabVIEW的優(yōu)勢(shì)概括地說，作為一款成功的虛擬儀器開發(fā)軟件， LabVIEW具有許多明顯的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)，如：采用圖形化編程語(yǔ)言，開發(fā)效率

24、高，支持多種儀器和數(shù)具采集卡硬件的驅(qū)動(dòng)，調(diào)試、查錯(cuò)能力強(qiáng)大，支持多種操作系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)通信功能強(qiáng)大等諸多優(yōu)點(diǎn)8。正是由于LabVIEW軟件具有的這些優(yōu)點(diǎn)，使得LabVIEW成為開發(fā)虛擬儀器的首選平臺(tái)。第三章 系統(tǒng)總體方案及硬件電路設(shè)計(jì)第三章 系統(tǒng)總體方案及硬件電路設(shè)計(jì)3.1 系統(tǒng)總體方案基于虛擬儀器的加熱爐溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案結(jié)構(gòu)框圖如3-1所示。電 加熱 爐傳 感 器采集卡計(jì)算機(jī)LabVIEW光耦雙向可控硅PWM波產(chǎn)生電路圖3-1 系統(tǒng)總體方案結(jié)構(gòu)框圖這是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，根據(jù)加熱爐大慣性、大滯后的特點(diǎn)，采用PID控制算法，由虛擬儀器控制實(shí)現(xiàn)交流過零觸發(fā)PWM脈寬調(diào)功9，功率器件選用雙向可控硅。具體

25、設(shè)計(jì)方案如下：由傳感器測(cè)得的爐溫信號(hào)經(jīng)過變送環(huán)節(jié)送給數(shù)據(jù)采集卡，采集卡對(duì)信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后傳輸至虛擬儀器，虛擬儀器中的PID算法對(duì)信號(hào)處理后產(chǎn)生控制信號(hào)，再經(jīng)過采集卡D/A轉(zhuǎn)換后輸出控制PWM波產(chǎn)生電路，改變PWM波占空比，產(chǎn)生的PWM波經(jīng)過光耦MOC3041控制雙向可控硅的通斷，以此改變加在電阻上的電壓，達(dá)到溫控目的。3.2 硬件電路設(shè)計(jì)硬件電路的設(shè)計(jì)包括傳感器的選型、測(cè)溫電路的設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)采集卡的選型、PWM波產(chǎn)生電路的設(shè)計(jì)、光耦及雙向可控硅的選型、交流過零觸發(fā)PWM脈寬調(diào)功電路設(shè)計(jì)。3.2.1 傳感器的選型溫度敏感元件選用Pt100。鉑電阻的物理化學(xué)性能非常穩(wěn)定，精度高，耐氧化性強(qiáng)，且電

26、阻率較高、復(fù)現(xiàn)性好?？捎米骰鶞?zhǔn)電阻和標(biāo)準(zhǔn)熱電阻。鉑電阻的溫度測(cè)量范圍為-200850。鉑電阻的阻值與溫度的關(guān)系是一個(gè)典型的非線性函數(shù)，一般工業(yè)用的鉑電阻可以用式3-1、3-2表示10。 (850) (3-1) (-2000) (3-2)式中，為溫度在時(shí)的電阻值，、和為常數(shù)，其值分別為：；。本設(shè)計(jì)選用一體化傳感器。一體化的溫度傳感器集溫度敏感元件和變送單元于一體。首先，溫度敏感元件將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)化為微弱的電信號(hào)，再經(jīng)過信號(hào)的調(diào)理放大環(huán)節(jié)，最后再由線性電路對(duì)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性補(bǔ)償，輸出420mA的恒流信號(hào)。一體化溫度傳感器的采用，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)。具體型號(hào)采用錦州精微儀表有限公司的WZPKK

27、B2312Y1400/250-20.2%(0400)。常用的Pt電阻接法有三線制和兩線制，其中三線制接法的優(yōu)點(diǎn)是將Pt100的兩側(cè)相等長(zhǎng)度的導(dǎo)線分別加在兩側(cè)的橋臂上，使得導(dǎo)線電阻得以消除。常用的溫度測(cè)量電路主要有兩種：一種是橋式測(cè)溫電路，可分為兩線制、三線制、四線制橋式測(cè)溫電路；另一種是恒流源式測(cè)溫電路。在熱電阻測(cè)溫系統(tǒng)中，引線電阻的大小對(duì)測(cè)量結(jié)果有很大的影響。恒流源式測(cè)溫電路可以消除引線電阻的影響，本設(shè)計(jì)就是采用恒流源式測(cè)溫電路，其測(cè)溫電路圖如圖3-2所示。圖3-2 恒流源測(cè)溫電路對(duì)于LM358，放大器工作于線性運(yùn)放狀態(tài)，根據(jù)虛短和虛斷概念，得流過Pt100的恒定電流為0.00124。3.2

28、.2 數(shù)據(jù)采集卡的選型數(shù)據(jù)采集(DAQ)，是指從傳感器和其它待測(cè)設(shè)備等模擬和數(shù)字被測(cè)單元中自動(dòng)采非電量或者電量信號(hào),送到上位機(jī)中進(jìn)行分析、處理。被測(cè)物理量傳感器信號(hào)調(diào)理數(shù)據(jù)采集卡計(jì)算機(jī)圖3-3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是通過測(cè)量軟、硬件產(chǎn)品的有機(jī)結(jié)合來實(shí)現(xiàn)靈活的、具有用戶自定義功能的測(cè)量系統(tǒng)，它基于計(jì)算機(jī)或者其他專用測(cè)試平臺(tái)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3-3所示11。一般的數(shù)據(jù)采集過程如圖3-4所示。框圖中的相關(guān)采樣參數(shù)包括以下幾個(gè)：采樣通道，即需要由多路開關(guān)進(jìn)行掃描的通道；采樣次數(shù)，即多路開關(guān)對(duì)通道進(jìn)行掃描的次數(shù)；采樣頻率，即單位時(shí)間內(nèi)多路開關(guān)對(duì)通道進(jìn)行一次掃描的次數(shù)；數(shù)據(jù)緩存大小，確定數(shù)據(jù)

29、采集卡的數(shù)據(jù)緩存可以存儲(chǔ)多少掃描得來的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集卡，就是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集(DAQ)功能的計(jì)算機(jī)擴(kuò)展卡。數(shù)據(jù)采集卡的主要性能指標(biāo)主要有通道數(shù)、采樣頻率、分辨率、精度、量程等，根據(jù)實(shí)際需要，選擇具有相應(yīng)性能的采集卡。選擇數(shù)據(jù)采集卡時(shí)，要根據(jù)具體的采集任務(wù)，及現(xiàn)有的技術(shù)資源。本設(shè)計(jì)要求數(shù)據(jù)采集卡要采集一路模擬信號(hào)，輸出一路模擬控制信號(hào)，要求輸入分辨率為12位，采樣速率為10KS/s,輸出分辨率為12位，故采用的數(shù)據(jù)采集卡為美國(guó)NI公司的NI USB-6009多功能數(shù)據(jù)采集卡。NI USB-6009的主要技術(shù)指標(biāo)如下：8個(gè)模擬輸入通道(14位、48KS/s采樣速度，AI0AI7)，2路12位模擬輸出通

30、道(150 S/s，AO0，AO1)，12個(gè)I/O通道(P0.0P0.7，P1.0P1.3)，1個(gè)32位計(jì)數(shù)器/定時(shí)器(PFI0)。圖3-4 數(shù)據(jù)采集過程框圖NI USB-6009數(shù)據(jù)采集卡具有單端和差動(dòng)兩種輸入模式，連接參考單端電壓信號(hào)和連接差分電壓信號(hào)。本設(shè)計(jì)采用后面一種輸入模式。連接差分電壓信號(hào)時(shí)，輸入信號(hào)的正負(fù)極分別接入采集卡的“AI+” “AI-”通道，它能夠抑制接地回路感應(yīng)誤差，消除共模干擾，是一種比較理想的輸入模式。連接差分電壓信號(hào)電路圖如圖3-5所示，將輸入信號(hào)的正極連接到NI USB-6009數(shù)據(jù)采集卡的“AI+”通道，輸入信號(hào)的負(fù)極連接到數(shù)據(jù)采集卡對(duì)應(yīng)的“AI-”通道。圖3

31、-5 連接差分電壓信號(hào)3.2.3 PWM波產(chǎn)生電路的設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)采用硬件搭建PWM產(chǎn)生電路，主要由三角波發(fā)生器、電平比較器、施密特觸發(fā)器組成，原理框圖如圖3-6所示。其原理為，首先，三角波發(fā)生器產(chǎn)生頻率恒定的三角波，三角波和LabVIEW編寫的虛擬儀器產(chǎn)生的控制信號(hào)通過在電平比較器中比較，產(chǎn)生占空比由控制信號(hào)決定的PWM脈沖波，之后經(jīng)過施密特觸發(fā)器濾除電平附近由于干擾產(chǎn)生的振蕩成分，使波形規(guī)則化，產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的PWM波。LabVIEW控制信號(hào)電平比較 器施密特觸發(fā)器三角波發(fā)生器PWM波圖3-6 PWM波產(chǎn)生電路三角波發(fā)生器選用MAX038，它使用很少的外部元器件就可以產(chǎn)生精確、高頻率的三角波信號(hào)。利

32、用內(nèi)部2.5V基準(zhǔn)電壓配以外部的電阻電容就可以產(chǎn)生頻率為0.1Hz20MHz的三角波。電平比較器選用LM339，施密特觸發(fā)器采用74LS14。產(chǎn)生PWM波電路圖如圖3-7所示。三角波周期計(jì)算公式為 (3-3)其中， (3-4)為基準(zhǔn)電源電壓，其值為2.5V。本設(shè)計(jì)中。LabVIEW輸出的控制信號(hào)的控制周期為1s，與之對(duì)應(yīng)，產(chǎn)生的三角波周期也應(yīng)為1s。即,所以。產(chǎn)生的三角波幅值最大為1V，而LabVIEW輸出的控制信號(hào)幅值為05V，故采用LM318對(duì)三角波進(jìn)行信號(hào)放大，使得三角波幅值也在05V內(nèi)變化。圖3-7 PWM波產(chǎn)生電路3.2.4 交流過零觸發(fā)PWM脈寬調(diào)功原理采用可控硅作為功率控制元件，

33、功率控制方式主要有兩種，即可控硅移相調(diào)壓和雙向可控硅過零調(diào)功?？煽毓枰葡嗾{(diào)壓方式通過改變觸發(fā)脈沖觸發(fā)角來改變可控硅導(dǎo)通角，進(jìn)而改變電壓值。此方式需要具有準(zhǔn)確相角的觸發(fā)脈沖12，系統(tǒng)設(shè)計(jì)較復(fù)雜，而且通過負(fù)載的不是完整的正弦波，會(huì)產(chǎn)生高次諧波，造成電網(wǎng)電壓波形畸變，影響其他用電設(shè)備。雙向可控硅過零調(diào)功既具有較好的控制精度，又不存在可控硅移相調(diào)壓方式具有的一切缺點(diǎn)，它是在交流電過零時(shí)觸發(fā)雙向可控硅的導(dǎo)通，使得流過負(fù)載的電壓電流是完整的正弦波，不存在波形畸變。而且，對(duì)觸發(fā)脈沖的相位要求也大大降低，觸發(fā)時(shí)只需外加一個(gè)過零檢測(cè)電路既可。所謂過零檢測(cè)，就是檢測(cè)交流電壓或電流的過零點(diǎn)。本設(shè)計(jì)采用后一種調(diào)功方式

34、。交流過零觸發(fā)PWM脈寬調(diào)功原理如圖3-8所示13。圖中，光耦選用了過零雙向可控硅型光耦MAX3041，它集光電隔離、過零檢測(cè)、過零觸發(fā)等功能于一體，簡(jiǎn)化了輸出通道隔離、驅(qū)動(dòng)電路的結(jié)構(gòu)。圖3-8 交流過零觸發(fā)PWM脈寬調(diào)功原理電路分析如下。當(dāng)PWM控制脈沖為高電平，且光耦MOC3041檢測(cè)到電壓過零點(diǎn)時(shí)，光耦中的光敏雙向可控硅導(dǎo)通，發(fā)出觸發(fā)信號(hào)觸發(fā)雙向可控硅導(dǎo)通。此后，只要PWM波一直是高電平時(shí)，雙向可控硅就一直導(dǎo)通，使得負(fù)載上通過的是完整的正弦波。當(dāng)PWM脈沖變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，光耦在電壓過零時(shí)就不再向雙向可控硅發(fā)觸發(fā)信號(hào)，于是當(dāng)電壓再次過零時(shí)雙向可控硅截止，電流不再流過負(fù)載。通過改變PWM波占空

35、比，就可以控制流過負(fù)載的電壓周波數(shù)，進(jìn)而達(dá)到調(diào)節(jié)功率的目的，在本設(shè)計(jì)中，就是達(dá)到溫控的目的。第四章 溫控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)第四章 溫控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)采用LabVIEW軟件開發(fā)虛擬儀器。整個(gè)系統(tǒng)可分為登錄系統(tǒng)模塊、數(shù)據(jù)采集及處理控制模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、查看歷史數(shù)據(jù)模塊、打印模塊、通信模塊等各功能模塊，最后將這些小的功能模塊有機(jī)組合，組成完整的加熱爐溫控系統(tǒng)。本章將先分別介紹各個(gè)功能子模塊，最后完成總的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。4.1 登錄系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖4-1 登錄系統(tǒng)前面板完整的系統(tǒng)設(shè)計(jì)都必須要有使用權(quán)限設(shè)置。本系統(tǒng)首先設(shè)計(jì)了一個(gè)登錄系統(tǒng)。登錄系統(tǒng)前面板及程序框圖如圖4-1、4-2所示。用戶進(jìn)入主程序之前，需要輸入正

36、確的用戶姓名及登錄密碼，否則就不可以進(jìn)行主程序的操作。當(dāng)?shù)谝淮蔚卿浵到y(tǒng)時(shí)，會(huì)提醒用戶進(jìn)行用戶名及登錄密碼的重新設(shè)置，當(dāng)然，用戶也可以主動(dòng)進(jìn)行用戶名及登錄密碼的修改。在重新設(shè)置用戶名及登錄密碼密碼時(shí)，登錄系統(tǒng)會(huì)提示用戶輸入管理員密碼，只有輸入正確的管理員密碼，才可以繼續(xù)重置工作。前面板添加了一個(gè)指示燈，當(dāng)正確登陸系統(tǒng)時(shí)會(huì)由紅色變?yōu)榫G色。當(dāng)使用完系統(tǒng)后，點(diǎn)擊“退出程序”按鈕就可以退出系統(tǒng)。當(dāng)用戶填寫不正確的用戶名或密碼時(shí)，會(huì)彈出如圖4-3所示的對(duì)話框，直至用戶輸入正確的用戶名和密碼。圖4-4為用戶重置用戶名和密碼時(shí)提醒用戶輸入管理員密碼的對(duì)話框。圖4-2 登錄系統(tǒng)程序框圖圖4-3 用戶名或登錄密碼

37、錯(cuò)誤時(shí)的提示對(duì)話框主程序以子程序的形式嵌入到登錄系統(tǒng)中。設(shè)計(jì)主程序?yàn)樽映绦虻姆椒閱螕糁鞒绦蚯懊姘宓奈募?，在下拉菜單中選擇“VI屬性”，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)對(duì)話框，在對(duì)話的類別欄中選擇窗口外觀，將對(duì)話框頁(yè)面切換到窗口顯示屬性頁(yè)面，如圖4-5所示。圖4-4 重置用戶名及密碼時(shí)提示輸入管理員密碼圖4-5 子VI屬性對(duì)話框在對(duì)話框中單擊自定義按鈕，彈出自定義窗口外觀對(duì)話框，如圖4-6所示，在對(duì)話中選擇“調(diào)用時(shí)顯示前面板”和“如之前未打開則在運(yùn)行后關(guān)閉”。如此一來，登錄系統(tǒng)后主程序會(huì)作為子VI被調(diào)用，且主程序前面板會(huì)彈出來，供用戶設(shè)置。選中“如之前未打開則在運(yùn)行后關(guān)閉”選項(xiàng)后，則當(dāng)主程序運(yùn)行結(jié)束后，其前面板會(huì)自

38、動(dòng)消失。圖4-6 子VI窗口外觀對(duì)話框4.2 數(shù)據(jù)采集及處理控制模塊的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集及處理控制模塊時(shí)本系統(tǒng)的重中之重設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)的主要功能包括溫度信號(hào)的采集、采集數(shù)據(jù)的處理、PID控制信號(hào)的產(chǎn)生等，每個(gè)功能模塊又可以分為若干子模塊，本節(jié)內(nèi)容將一一給予詳細(xì)介紹。4.2.1 溫度信號(hào)的采集基于虛擬儀器的采集系統(tǒng)典型框架為：傳感器信號(hào)調(diào)理器數(shù)據(jù)采集設(shè)備計(jì)算機(jī)。傳感器將被測(cè)量的溫度信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)；信號(hào)調(diào)理器對(duì)電信號(hào)進(jìn)行 放大、濾波、隔離等預(yù)處理；數(shù)據(jù)采集設(shè)備主要功能是將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)、此外一般還有放大、采樣保持、多路復(fù)用等功能。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般由數(shù)據(jù)采集硬件、硬件驅(qū)動(dòng)程序和由數(shù)據(jù)采集函數(shù)編制的軟

39、件幾個(gè)部分組成14。如前所述，本設(shè)計(jì)采用NI USB-6009多功能數(shù)據(jù)采集卡。所謂硬件驅(qū)動(dòng)程序就是應(yīng)用軟件驅(qū)動(dòng)硬件正常工作的編程接口。硬件驅(qū)動(dòng)程序包含著相應(yīng)硬件可以接受的由軟件發(fā)出的操作命令，完成軟件與硬件之間的數(shù)據(jù)傳遞。借助于強(qiáng)大的硬件驅(qū)動(dòng)程序，LabVIEW的編程工作將會(huì)大大簡(jiǎn)化，開發(fā)效率顯著提高，開發(fā)成本也明顯降低。本設(shè)計(jì)采用的硬件驅(qū)動(dòng)程序?yàn)镹I-DAQ8.6.1版本。本設(shè)計(jì)要求加熱爐溫度穩(wěn)定在80，允許有±1誤差，故設(shè)置溫度范圍為0100。采集數(shù)據(jù)只有模擬量溫度信號(hào)，故為單通道數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，需要對(duì)物理通道和虛擬通道進(jìn)行選擇。所謂物理通道就是

40、被測(cè)試的信號(hào)或生成的信號(hào)實(shí)際進(jìn)出計(jì)算機(jī)的路徑，例如，NI USB-6009上的模擬輸入通道AI0AI5，模擬輸出通道AO0、AO1，數(shù)字I/O通道為P0.0P0.7，P1.0P1.3。所謂虛擬通道是一系列設(shè)置的集合，包括通道名、對(duì)應(yīng)的物理通道、信號(hào)連接方式、測(cè)試類型和標(biāo)度等。本設(shè)計(jì)物理通道選擇AI0、AO0，對(duì)應(yīng)的虛擬通道為Dev1/ai0、Dev1/ao0。由數(shù)據(jù)采集函數(shù)編制溫度數(shù)據(jù)采集軟件，主要步驟如下15：(1) 調(diào)用DAQmx Create Virtual Channel.vi創(chuàng)建虛擬通道，并配置相應(yīng)的物理通道、采樣數(shù)據(jù)的最大值和最小值、輸入端配置方式。(2) 調(diào)用DAQmx Timi

41、ng.vi，并設(shè)置采樣速率、采樣模式、緩存大小。(3) 調(diào)用DAQmx Start Task.vi，將采集任務(wù)轉(zhuǎn)換到運(yùn)行狀態(tài)。(4) 調(diào)用DAQmx Read.vi。這是一個(gè)多態(tài)VI，根據(jù)數(shù)據(jù)采集的類型、讀取數(shù)據(jù)的數(shù)量和要求返回?cái)?shù)據(jù)的類型，有許多子VI可以選擇。圖4-7所示是本設(shè)計(jì)所選擇的VI。圖4-7 DAQmx讀取多態(tài)VI的子VI選擇(5) 調(diào)用DAQmx Clear Task.vi，此VI首先中止采集任務(wù)然后釋放掉所有資源。按照如上步驟，編寫的溫度數(shù)據(jù)采集模塊的程序框圖如圖4-8所示。通過數(shù)據(jù)采集前面板，可以設(shè)置物理通道、輸入端配置、采樣方式、采樣速率、采樣數(shù)據(jù)的最大值和最小值。設(shè)置好個(gè)

42、參數(shù)后，點(diǎn)擊“開始采樣”按鈕，就可按照設(shè)置好的參數(shù)采集溫度數(shù)據(jù)，并可在波形圖給予顯示。采集完成后，點(diǎn)擊“停止采集”按鈕，即可停止本次數(shù)據(jù)采集操作。圖4-8 數(shù)據(jù)采集模塊程序框圖4.2.2 采集數(shù)據(jù)的處理采集到的溫度數(shù)據(jù)一般要經(jīng)過處理再將數(shù)據(jù)送去顯示、存儲(chǔ)、打印等他操作。本設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)處理主要有三個(gè)方面，第一個(gè)是數(shù)據(jù)濾波，第二個(gè)是消除零點(diǎn)誤差，第三個(gè)是標(biāo)度變換。下面將分別予以介紹。濾波技術(shù)是信號(hào)處理技術(shù)的重要分支。濾波就是指對(duì)信號(hào)的噪聲干擾進(jìn)行抑制或衰減，并使有用信號(hào)正常通過的一種技術(shù)。按同頻帶范圍分，濾波器可分為低通濾器、高通濾波器、帶通濾波器、帶阻濾波器4類16。本設(shè)計(jì)采用帶通濾波器。由于計(jì)算

43、機(jī)只能處理有限長(zhǎng)度的信號(hào)，因此原始信號(hào)要以采樣時(shí)間截?cái)?，即有限化，成為離散信號(hào)后在進(jìn)一步處理。信號(hào)的有限化也稱為加窗處理。LabVIEW軟件中有許多窗函數(shù)。窗函數(shù)主要用于對(duì)截?cái)嗵幍牟贿B續(xù)變化進(jìn)行平滑，減少泄露。此外，窗函數(shù)還具有減少噪聲干擾的作用。窗函數(shù)有很多種，常用窗函數(shù)主要有Hamming窗、Hanning窗、Blackman窗、Kaiser窗、Triangle窗、Flat Top窗、Exponential窗等。在LabVIEW程序框圖中的函數(shù)信號(hào)處理濾波器選板中，提供了各種各樣濾波器?？紤]到窗函數(shù)的作用，本設(shè)計(jì)選用FIR加窗濾波器。數(shù)據(jù)濾波的前面板和程序框圖如圖4-9所示。圖4-9 數(shù)據(jù)

44、濾波的程序框圖零點(diǎn)誤差又稱零輸入誤差，既無被測(cè)信號(hào)輸入時(shí)測(cè)試系統(tǒng)的響應(yīng)。在測(cè)試系統(tǒng)中零點(diǎn)誤差包括以下兩個(gè)部分：(1) 測(cè)試系統(tǒng)本身所具有的零點(diǎn)誤差，如各種模擬電路、傳感器以及儀器，一般都存在零點(diǎn)誤差和零漂；(2) 零輸入時(shí)引入的外界噪聲、干擾誤差，即靜態(tài)噪聲和靜態(tài)干擾誤差。零點(diǎn)誤差會(huì)嚴(yán)重影響測(cè)量數(shù)據(jù)的真實(shí)性，必須采取措施消除或減小零點(diǎn)誤差的影響。本設(shè)計(jì)有對(duì)零點(diǎn)誤差的處理環(huán)節(jié)，如圖4-10所示。圖4-10 零點(diǎn)誤差處理由于零點(diǎn)誤差會(huì)隨環(huán)境的變化而相應(yīng)改變，所以本系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了零點(diǎn)誤差采集環(huán)節(jié)。當(dāng)需要更新零點(diǎn)誤差數(shù)值是，進(jìn)行一次零點(diǎn)誤差采集就可以了。程序框圖如圖4-11所示。圖4-11 零點(diǎn)誤差采集

45、程序框圖此程序?qū)⒉杉降牧泓c(diǎn)誤差先排序，去掉最大值、最小值后，再取平均值，即為最終的零點(diǎn)誤差。之后通過局部變量將最新的零點(diǎn)誤差傳遞給圖4-12中的變量。所謂標(biāo)度變換，將對(duì)應(yīng)參數(shù)值的大小轉(zhuǎn)換成能直接顯示有量綱的被測(cè)工程量數(shù)值，也稱工程轉(zhuǎn)換。標(biāo)度變換有線性和非線性之分。本設(shè)計(jì)采用pt100作為溫度敏感，在0100內(nèi)有較好的線性度，故本設(shè)計(jì)采用線性標(biāo)度變換。圖4-12 線性標(biāo)度變換線性變換后的數(shù)據(jù)要用來轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的溫度，本設(shè)計(jì)采用LabVIEW軟件提供的轉(zhuǎn)換RTD讀數(shù)節(jié)點(diǎn)，此節(jié)點(diǎn)位于函數(shù)編程數(shù)值縮放子選板中。 轉(zhuǎn)換RTD讀數(shù)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)于公式3.1，通過輸入的電壓、給定的傳感器激勵(lì)電流，反計(jì)算出對(duì)應(yīng)的溫

46、度值。對(duì)于此節(jié)點(diǎn)，當(dāng)傳感器激勵(lì)電流為0.00124A時(shí)，輸入電壓0.1240050.17174V對(duì)應(yīng)于輸出溫度0100。故本標(biāo)度變換的任務(wù)為將采樣的電壓信號(hào)15V線性變換為0.1240050.17174V，變換程序框圖如圖4-12所示。4.2.3 控制信號(hào)的產(chǎn)生電加熱爐是一個(gè)復(fù)雜的被控對(duì)象，具有非線性、大滯后、時(shí)變性、升溫單向等特點(diǎn)。本設(shè)計(jì)采用的電加熱爐數(shù)學(xué)模型如式4-1所示。式中，設(shè)=1，=10,=3。 (4-1)在工程實(shí)踐中，應(yīng)用最廣泛的調(diào)節(jié)器控制算法為PID控制算法。PID控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一17。本設(shè)計(jì)也采用PID控制算法。PID調(diào)節(jié)

47、器的調(diào)節(jié)規(guī)律如式4-2、4-3所示。圖4-13 PID仿真結(jié)果 (4-2)或?qū)懗?(4-3)PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定有多種方法，除理論計(jì)算法外，還有臨界比例度法、衰減曲線法、反應(yīng)曲線法、最佳整定法和經(jīng)驗(yàn)法。本設(shè)計(jì)采用臨界比例度法，使用Matlab仿真，仿真結(jié)果如圖4-13所示。此時(shí)，=2，=0.2，=0.001，則=10s，=0.0005s。圖4-14 控制信號(hào)產(chǎn)生環(huán)節(jié)PID產(chǎn)生的控制信號(hào)要通過NI USB-6009的模擬輸出通道輸出去控制PWM波產(chǎn)生電路。PID節(jié)點(diǎn)的process variable端連接的是轉(zhuǎn)換RTD讀數(shù)節(jié)點(diǎn)輸出的0100溫度信號(hào)，PID節(jié)點(diǎn)的setpoint 端連

48、接的是溫度設(shè)定值80?？刂菩盘?hào)的輸出要經(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡NI USB-6009的AO端，輸出幅值為05V，故PID的輸出不能直接輸出，需要經(jīng)過一定的處理方案。本設(shè)計(jì)的處理方案如下：當(dāng)溫度小于等于75時(shí)，不采用PID算法，直接輸出0V；當(dāng)溫度大于等于85時(shí)，也不采用PID算法，直接輸出+5V；當(dāng)溫度值大于75且小于85時(shí)，采用PID算法，為了限制PID的輸出在05V內(nèi)，本設(shè)計(jì)采用公式節(jié)點(diǎn)編寫了一個(gè)飽和函數(shù)，如程序框圖4-14所示。PID產(chǎn)生的控制信號(hào)經(jīng)轉(zhuǎn)換后，需要通過數(shù)據(jù)采集卡輸出，去控制硬件電路?？刂菩盘?hào)輸出程序框圖如圖4-15所示。圖4-15 控制信號(hào)輸出程序框圖4.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊LabVIE

49、W進(jìn)行數(shù)據(jù)存放一般使用下面4種格式的文件，分別是二進(jìn)制文件、數(shù)據(jù)記錄Datalog文件、波形數(shù)據(jù)文件和文本文件18。文本文件是最容易使用和共享的格式，它可以用文字處理軟件或電子表格程序，例如Word或Excel來讀取或處理數(shù)據(jù)。除了上述4種常見的文件格式，本文中還涉及到另外一種文件TDMS文件。TDMS文件格式可以稱為NI用在測(cè)試測(cè)量領(lǐng)域的通用數(shù)據(jù)文件格式，LabVIEW、LabWindows、Signal Express、DIAdem中都可以用，也?？吹皆贓xcel、Matlab中被調(diào)用。TDMS文件較其他文件，有如下優(yōu)勢(shì)：讀寫文件速度快、支持隨機(jī)讀取、支持分別讀寫描述性信息和原始數(shù)據(jù)等19

50、。本文采用文本文件和TDMS文件兩種數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式，下面分別予以介紹。4.3.1 數(shù)據(jù)存入文本文件由于文本文件的特點(diǎn)，數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)格式首先選擇文本文件。將采集到的電壓數(shù)據(jù)和轉(zhuǎn)換后的溫度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到指定位置的程序框圖如圖4-16所示。選擇前面板的、文本框，可以指定電壓數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)位置。此程序，除將電壓溫度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)起來外，采樣時(shí)間也同時(shí)被存儲(chǔ)起來。圖4-16 電壓數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到文本文件4.3.2 數(shù)據(jù)存入TDMS文件在LabVIEW程序框圖的函數(shù)編程文件I/OTDMS流子模板中含有關(guān)于TDMS文件所有操作。利用這些子VI，編寫TDMS文件的讀寫程序。圖4-17 數(shù)據(jù)存入TDMS文件將采集時(shí)

51、間、電壓數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)、溫度設(shè)定值存入TDMS文件的程序框圖如圖4-17所示。如上程序框圖所示，本程序設(shè)計(jì)了三個(gè)組，每個(gè)組有一個(gè)通道。第一個(gè)組為“采集時(shí)間”，其通道有“時(shí)間”；第二個(gè)組為“采集數(shù)據(jù)”，它有兩個(gè)通道，即“電壓信號(hào)”和“溫度信號(hào)”通道；第三個(gè)組為“溫度設(shè)定值”，它有通道“溫度設(shè)定值”。其數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)如圖4-18所示。4.4 歷史數(shù)據(jù)查看模塊對(duì)應(yīng)于4.3節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)文件，歷史數(shù)據(jù)查看有兩種方式，即查看文本文件和查看TDMS文件。本節(jié)將介紹這兩種查看方式。圖4-18 停止存儲(chǔ)數(shù)據(jù)時(shí)彈出的TDMS文件查看器4.4.1 文本文件查看方式查看文本文件，是將已經(jīng)存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中的歷史數(shù)據(jù)再次顯示

52、出來。顯示出來的數(shù)據(jù)既可以以原數(shù)據(jù)的形式顯示出來，又可以經(jīng)過簡(jiǎn)單處理以波形的形式顯示出來。前一種方式叫讀盤，后一種方式叫波形回放，它們的前面板及程序框圖如圖4-19、4-20所示。圖4-19 查看歷史數(shù)據(jù)前面板圖4-20 查看歷史數(shù)據(jù)程序框圖為了對(duì)上述兩種查看文本文件方式進(jìn)行選擇，本程序設(shè)計(jì)利用三按鈕對(duì)話框節(jié)點(diǎn)，設(shè)計(jì)出三種可供選擇的查看方式，即“讀盤”、“回放”、“讀盤且回放”，如圖4-21所示。我們根據(jù)實(shí)際需要，選擇相應(yīng)的查看方式。圖4-21 文本文件查看方式選擇4.4.2 TDMS文件查看方式圖4-22 查看TDMS文件前面板與數(shù)據(jù)存入TDMS文件相對(duì)應(yīng)，當(dāng)需要查看已經(jīng)存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)中的TD

53、MS文件時(shí)，就需要編寫查看TDMS文件的程序。本設(shè)計(jì)編寫的相應(yīng)程序的前面板及程序框圖如圖4-22、4-23所示。如程序框圖所示，本程序先將“采集時(shí)間”組中的“時(shí)間”通道數(shù)據(jù)讀取出來，再將“采樣數(shù)據(jù)”組中的“電壓信號(hào)” 通道和“溫度信號(hào)”通道中的數(shù)據(jù)讀取出來，然后一起送入多列列表框中進(jìn)行顯示。為了方便顯示，創(chuàng)建了多列列表框的“項(xiàng)名”屬性節(jié)點(diǎn)。圖4-23 查看TDMS文件程序框圖4.5打印模塊打印模塊的主要功能是將歷史數(shù)據(jù)(本設(shè)計(jì)中主要指存儲(chǔ)于文本文件中的歷史數(shù)據(jù))或前面板打印出來，以便對(duì)系統(tǒng)及數(shù)據(jù)作進(jìn)一步的分析。本設(shè)計(jì)的打印既可以使用打印機(jī)打印，又可以只在網(wǎng)頁(yè)上進(jìn)行顯示。打印模塊前面板如圖4-2

54、4所示。圖4-24 打印模塊前面板通過點(diǎn)擊打印方式按鈕，可以選擇打印機(jī)打印或只在網(wǎng)頁(yè)顯示。編寫程序時(shí)，為了將前面板打印出來或在網(wǎng)頁(yè)上顯示，本設(shè)計(jì)使用了“添加前面板圖像至報(bào)表”VI，即，具體程序如圖4-25所示。圖4-25 打印模塊程序框圖如程序框圖所示，為了有選擇地打印，本程序采用了三按鈕對(duì)話框節(jié)點(diǎn)，編寫了可供選擇的打印方式“僅打印前面板”“打印前面板和文件”“取消打印”，如圖4-26所示。圖4-26 打印方式選擇4.6 網(wǎng)絡(luò)通信模塊虛擬儀器技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)化虛擬測(cè)試系統(tǒng)是虛擬儀器發(fā)展的方向之一。LabVIEW具有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)通信功能。LabVIEW應(yīng)用軟件中常用網(wǎng)絡(luò)通信方式主要有

55、三種，即TCP通信、UDP通信和DataSocket通信20。對(duì)于這三種通信方式，LabVIEW都有相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)，可編寫出完整的通信程序。我們只需根據(jù)實(shí)際需要，選用相應(yīng)的通信方式即可。UDP通信方式不提供數(shù)據(jù)傳送的保證機(jī)制，如果在從發(fā)送方到接受方的傳遞過程中出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失，協(xié)議本身并不能做出任何檢測(cè)或提示。因此，通常人們把UDP通信協(xié)議稱為不可靠的傳輸協(xié)議。雖然TCP通信協(xié)議提供數(shù)據(jù)傳送的保證機(jī)制，且可以實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序間的數(shù)據(jù)共享，但大多數(shù)使用起來并不方便，開發(fā)效率不高，當(dāng)需要數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸時(shí)，TCP通信協(xié)議就不能滿足。為了實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳送，美國(guó)NI公司專門研發(fā)出DataSocket技術(shù)，進(jìn)一

56、步發(fā)展了虛擬儀器的網(wǎng)絡(luò)測(cè)控技術(shù)，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)開發(fā)的過程，真正滿足了實(shí)時(shí)通信、正確傳輸及網(wǎng)絡(luò)安全的這些設(shè)計(jì)要求。鑒于此，DataSocket通信技術(shù)特別適用于開發(fā)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)共享和遠(yuǎn)程程序監(jiān)控等應(yīng)用程序。本設(shè)計(jì)采用DataSocket通信方式，將在本節(jié)的第一部分予以介紹。利用DataSocket通信技術(shù)，我們可以實(shí)現(xiàn)虛擬儀器的遠(yuǎn)程通信。但是，當(dāng)被控系統(tǒng)是一個(gè)非常復(fù)雜的測(cè)控系統(tǒng)并且要求隨時(shí)操作位于主控計(jì)算機(jī)上的虛擬儀器時(shí)，再采用DataSocket通信技術(shù)進(jìn)行編程，任務(wù)就顯得異常艱巨。此時(shí)，就需要利用LabVIEW提供了訪問HTML文件的方法和遠(yuǎn)程前面板技術(shù)，不需要任何編程，只需設(shè)置幾個(gè)參數(shù)，就可以實(shí)現(xiàn)程序的遠(yuǎn)程控制。本設(shè)計(jì)采用訪問HTML文件的方法，也即進(jìn)行程序的Web發(fā)布，這種方法將在本節(jié)的第二部分予以介紹。4.6.1 DataSocket的數(shù)據(jù)傳輸在用戶使用DataSocket通信技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，有兩種方法可供選擇：第一種是在前面板對(duì)象之間傳輸數(shù)據(jù)，第二種是在程序框圖中傳輸數(shù)據(jù)。下面將分別