基于虛擬儀器的加熱爐溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

{管理信息化VR虛擬現(xiàn)實(shí)}基于虛擬儀器的加熱爐溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(kāi)發(fā)軟件LabVIEW8.5開(kāi)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(guò)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(guò)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(guò)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)行系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)。經(jīng)過(guò)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(guò)零調(diào)功，PWMIIAbstractThetaskofthispaperistodesignatemperaturecontrolsystembasedonvirtualinstrumentofthetherequirementsofthefurnacetemperatureisstableat80℃,allowederrorof±1℃.ThispaperadoptedLabVIEW8.5,asoftwaretodevelopthevirtualinstrumentofNIpanyinAmerica,developedasetoftemperaturecontrolsystemoflow-powerelectricheating.Thesystemdesignareshowedasfollows:thetemperaturesensorssendthesignaloftemperaturechangetothedataacquisitioncardbytransmitter,thenthesignalwillbeconverttodigitalsignalandbesendtothevirtualinstrumentbythedataacquisitioncard,andthenthevirtualinstrumentwilloutputcontrolsignalafterbeprocessedbyPIDalgorithm,andthecontrolsignalwillbeconverttoanalogsignalbythedataacquisitioncardandoutputtocontrolPWMwavesproducecircuittochangethedutycycleofPWMwaves,thenthePWMwaveswillcontrolthebidirectionalthyristorthroughopticalcouplerMOC3041tochangethevoltageinresistancesothatthetemperaturewillbechanged.Thispaperdesignedthehardwarecircuitinaccordancewiththeabovedesignscheme,followedbythedesignofthesystemsoftware.Afterasimpleexperiment,thesystemcanacquireanddisplaythedatasnormally.Keywords:virtualinstrument,LabVIEW,temperaturecontrolsystem,zero-crossingpoweradjustment,PWM目錄目錄摘要IABSTRACT(英文摘要)Ⅱ目錄Ⅲ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42.3LabVIEW的含義52.4LabVIEW的發(fā)展62.5LabVIEW的結(jié)構(gòu)62.6LabVIEW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93.2.3PWM波產(chǎn)生電路的設(shè)計(jì)113.2.4交流過(guò)零觸發(fā)PWM脈寬調(diào)功原理12目錄第四章溫控系統(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194.2.3PID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264.4.2TDMS文件查看方式284.5打印模塊394.6網(wǎng)絡(luò)通信模塊304.6.1DataSocket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)象使用方便，可以通過(guò)調(diào)節(jié)輸出功率來(lái)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(guò)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(lái)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(lái)，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(lái)越離不開(kāi)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(guò)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)環(huán)節(jié)。本課題采用NI公司的虛擬儀器開(kāi)發(fā)軟件LabVIEW8.5，開(kāi)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(guò)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(lái)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-1-第一章緒論普及。工業(yè)領(lǐng)域使用的電阻爐一般說(shuō)來(lái)由電熱元件、金屬殼體、砌體、爐用機(jī)械和電氣控制系統(tǒng)、爐門(mén)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，電阻爐作溫度為650～1000℃，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,經(jīng)過(guò)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(guò)零調(diào)功[2]。基于單片的溫控系統(tǒng)的缺點(diǎn)也很明顯，比如系統(tǒng)硬件開(kāi)銷大，程序設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，開(kāi)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)算法引入到加熱爐溫控系統(tǒng)中。如此一來(lái)，既能用模糊規(guī)則來(lái)描述神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的推理過(guò)程，有可以通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)不斷調(diào)整模糊規(guī)則；既能處理加熱爐生產(chǎn)過(guò)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-2-第一章緒論領(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(lái)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(VirtualInstrument，VI)，引發(fā)了儀器概念的突破性變革。虛擬儀器(VirtualInstrumention)是基于計(jì)算機(jī)的儀器，它根據(jù)儀器的需求，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(lái)，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(lái)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(lái)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。1986NI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)儀器的各功能。通過(guò)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(lái)，就可以實(shí)現(xiàn)使用計(jì)算機(jī)來(lái)進(jìn)行儀器的控制了。(2)儀器結(jié)構(gòu)更加開(kāi)放。儀器的發(fā)展離不開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(lái)，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)-3-第一章緒論產(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)域內(nèi)，使用較為廣泛或者說(shuō)首選的虛擬儀器開(kāi)發(fā)軟件是美國(guó)NI公司的LabVIEW。采用LabVIEW開(kāi)發(fā)加熱爐溫控系統(tǒng)，可以充分發(fā)揮G語(yǔ)言(GraphicsLanguage，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(guò)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)PWM波產(chǎn)生電路的設(shè)計(jì)等。軟PWM波控制信號(hào)的輸出，通信功能的實(shí)現(xiàn)等。-4-第二章虛擬儀器及LabVIEW簡(jiǎn)介第二章虛擬儀器及LabVIEW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[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(wú)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(guò)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(méi)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(guò)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(guò)程序?qū)崿F(xiàn)的功能。(2)與傳統(tǒng)儀器通過(guò)硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)控功能不同，虛擬儀器通過(guò)軟件編程，來(lái)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-5-第二章虛擬儀器及LabVIEW簡(jiǎn)介技術(shù)、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(kāi)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(lái)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(kāi)放可以統(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(kāi)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)儀器代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器，可以節(jié)約大量的購(gòu)買(mǎi)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)樘摂M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。-6-第二章虛擬儀器及LabVIEW簡(jiǎn)介子、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。2.3LabVIEW的含義LabVIEW(LaboratoryVirtualInstrumentEngineerWorkbench，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(kāi)發(fā)平臺(tái)，也是目前應(yīng)用最廣、發(fā)展最快、功能最強(qiáng)的圖形化軟件集成開(kāi)發(fā)環(huán)境之一[7]。2.4LabVIEW的發(fā)展1986NI公司于正式推出了LabVIEW1.02011版本。20多年來(lái)，經(jīng)過(guò)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(guò)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(kāi)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。2.5LabVIEW的結(jié)構(gòu)利用LabVIEW軟件開(kāi)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(guò)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-7-第二章虛擬儀器及LabVIEW簡(jiǎn)介的流程。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。2.6LabVIEW的優(yōu)勢(shì)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(kāi)發(fā)效率高，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(kāi)發(fā)虛擬儀器的首選平臺(tái)。-8-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。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(guò)零觸發(fā)PWM脈寬調(diào)功[9]，功率器件選用雙向可控硅。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(guò)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(guò)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(guò)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、PWMPWM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化性強(qiáng)，且電阻率較高、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-200～850℃。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)(-200℃﹤﹤0℃)(3-2)-9-第三章系統(tǒng)總體方案及硬件電路設(shè)計(jì)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(guò)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4～20mA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WZPKKB—2312Y—1—400/250-2—0.2%—(0～400℃)。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LM358Pt100的恒定電流為0.00124。3.2.2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)采集計(jì)算機(jī)-10-第三章系統(tǒng)總體方案及硬件電路設(shè)計(jì)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(guò)測(cè)量軟、硬件產(chǎn)品的有機(jī)結(jié)合來(lái)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(guò)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(kāi)關(guān)進(jìn)行掃描的通道；采樣次數(shù)，即多路開(kāi)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(kāi)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)采集卡的數(shù)據(jù)緩存可以存儲(chǔ)多少掃描得來(lái)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1210KS/s,輸出分辨率為12國(guó)NI公司的NIUSB-6009多功能數(shù)據(jù)采集卡。NIUSB-60098個(gè)模擬輸入通道(1448KS/sAI0～AI7)2路12位模擬輸出通道(150S/s，AO0，AO1)，12個(gè)I/O通道(P0.0～P0.7，P1.0～P1.3)，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(guò)程框圖NIUSB-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-11-第三章系統(tǒng)總體方案及硬件電路設(shè)計(jì)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NIUSB-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3-5連接差分電壓信號(hào)3.2.3PWM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。LabVIEW編寫(xiě)的虛擬儀器產(chǎn)生的控制信號(hào)通過(guò)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(guò)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。圖3-6PWM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0.1Hz～20MHz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-12-第三章系統(tǒng)總體方案及硬件電路設(shè)計(jì)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0～5VLM318幅值也在0～5V內(nèi)變化。圖3-7PWM波產(chǎn)生電路3.2.4交流過(guò)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，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(guò)零調(diào)功?？煽毓枰葡嗾{(diào)壓方式通過(guò)改變觸發(fā)脈沖觸發(fā)角來(lái)[12]，系統(tǒng)設(shè)計(jì)較復(fù)雜，而且通過(guò)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(guò)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(guò)零時(shí)觸發(fā)雙向可控硅的導(dǎo)通，使得流過(guò)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(guò)零檢測(cè)電路既可。所謂過(guò)零檢測(cè)，就是檢測(cè)交流電壓或電流的過(guò)零點(diǎn)。本設(shè)計(jì)采用后一種調(diào)功方式。交流過(guò)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(guò)零雙向可控硅型光耦MAX3041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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)零時(shí)就不再向雙-13-第三章系統(tǒng)總體方案及硬件電路設(shè)計(jì)向可控硅發(fā)觸發(fā)信號(hào)，于是當(dāng)電壓再次過(guò)零時(shí)雙向可控硅截止，電流不再流過(guò)負(fù)載。通過(guò)改變PWM波占空比，就可以控制流過(guò)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。-14-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(kāi)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(xiě)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谙吕藛沃羞x擇“VI屬性，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)對(duì)話框，-15-第四章溫控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)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(kāi)則在運(yùn)行后關(guān)閉。如此一來(lái)，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(lái)，供用戶設(shè)置。選中“如之前未打開(kāi)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PID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)編制的軟件幾個(gè)部分組成[14]NIUSB-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)-16-第四章溫控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)LabVIEW效率顯著提高，開(kāi)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0～100℃。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，NIUSB-6009上的模擬輸入通道AI0～AI5AO0AO1I/O通道為P0.0～P0.7，P1.0～P1.3。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AI0AO0，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DAQmxCreateVirtual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，并設(shè)置采樣速率、采樣模式、緩存大小。(3)調(diào)用DAQmxStart，將采集任務(wù)轉(zhuǎn)換到運(yùn)行狀態(tài)。(4)調(diào)用DAQmx。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4-7DAQmx讀取多態(tài)VI的子VI選擇(5)調(diào)用DAQmxClear，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(xiě)的溫度數(shù)據(jù)采集模塊的程序框圖如圖4-8所示。通過(guò)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-17-第四章溫控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)速率、采樣數(shù)據(jù)的最大值和最小值。設(shè)置好個(gè)參數(shù)后，點(diǎn)擊“開(kāi)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(guò)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(guò)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、FlatTop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。考慮到窗函數(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)濾波的程序框圖零點(diǎn)誤差又稱零輸入誤差，既無(wú)被測(cè)信號(hào)輸入時(shí)測(cè)試系統(tǒng)的響應(yīng)。在測(cè)試-18-第四章溫控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)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(guò)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0～100℃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)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流，反計(jì)算出對(duì)應(yīng)的溫度值。對(duì)于此節(jié)點(diǎn)，當(dāng)傳感器激勵(lì)電流為0.00124A時(shí)，-19-第四章溫控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)輸入電壓0.124005～0.17174V對(duì)應(yīng)于輸出溫度0～100℃。故本標(biāo)度變換的任務(wù)為將采樣的電壓信號(hào)1～5V線性變換為0.124005～0.17174V，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)PID控制算法。PID控制器[17]。本設(shè)計(jì)也采用PID控制算法。PID調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)律如式4-2、4-3所示。圖4-13PID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(guò)NIUSB-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processvariable端連接的是轉(zhuǎn)換RTD讀數(shù)節(jié)點(diǎn)輸出的0～100℃溫度信號(hào)，PID節(jié)點(diǎn)的setpoint端連接的是溫度設(shè)定值80℃。控制-20-第四章溫控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)信號(hào)的輸出要經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集卡NIUSB-6009的AO端，輸出幅值為0～5V，故PID的輸出不能直接輸出，需要經(jīng)過(guò)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0～5V內(nèi)，本設(shè)計(jì)采用公式節(jié)點(diǎn)編寫(xiě)了一個(gè)飽和函數(shù)，如程序框圖4-14所示。PID控制信號(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LabVIEW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(lái)讀取或處理數(shù)據(jù)。除了上述4種常見(jiàn)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，LabVIEWLabWindowsSignalExpressDIAdemExcel、Matlab中被調(diào)用。TDMS文件較其他文件，有如下優(yōu)勢(shì)：讀寫(xiě)文件速度快、支持隨機(jī)讀取、支持分別讀寫(xiě)描述性信息和原始數(shù)據(jù)等[19]。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-21-第四章溫控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)序，除將電壓溫度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)起來(lái)外，采樣時(shí)間也同時(shí)被存儲(chǔ)起來(lái)。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/O→TDMS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(xiě)TDMS文件的讀寫(xiě)程序。圖4-17數(shù)據(jù)存入TDMS文件將采集時(shí)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)“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)再次顯示出來(lái)。顯示出來(lái)的數(shù)據(jù)既可以以原數(shù)據(jù)的形式顯示出來(lái)，又可以經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單處理以波形的形式顯示出來(lái)。前一種方式叫讀盤(pán)，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-22-第四章溫控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)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(pán)、“回放、“讀盤(pán)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4.4.2TDMS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TDMS文件時(shí)，就需要編寫(xiě)查看TDMS文件的程序。本設(shè)計(jì)編寫(xiě)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(lái)，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(lái)，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(lái)，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4-24所示。圖4-24打印模塊前面板通過(guò)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(xiě)程序時(shí)，為了將前面板打印出來(lái)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。-23-第四章溫控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)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(xiě)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)TCPUDP通信和DataSocket通信[20]LabVIEW根據(jù)實(shí)際需要，選用相應(yīng)的通信方式即可。UDP過(guò)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(lái)并不方便，開(kāi)TCP量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳送，美國(guó)NI公司專門(mén)研發(fā)出DataSocket技術(shù)，進(jìn)一步發(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(kāi)發(fā)的過(guò)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(kāi)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-24-第四章溫控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)DataSocket就需要利用LabVIEW提供了訪問(wèn)HTML文件的方法和遠(yuǎn)程前面板技術(shù)，不需要任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。4.6.1DataSocket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)。下面將分別予以介紹。(1)在前面板對(duì)象之間傳輸數(shù)據(jù)利用DataSocket技術(shù)，進(jìn)行前面板對(duì)象的鏈接，可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸，并且只需要進(jìn)行簡(jiǎn)單的參數(shù)設(shè)置而不需要編程就可以實(shí)現(xiàn)。利用DataSocket通信技術(shù)將兩個(gè)程序的前面板對(duì)象連接起來(lái)以后，就可以進(jìn)行一個(gè)對(duì)象發(fā)送數(shù)據(jù)而另一個(gè)對(duì)象接收數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)單通信，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程采集、對(duì)程序的遠(yuǎn)程控制等多種功能。建立前面板對(duì)象鏈接的方法是在準(zhǔn)備進(jìn)行鏈接的前面板控件控件對(duì)象上彈出快捷菜單，選擇屬性選4-27所示，“數(shù)據(jù)綁定選擇”選擇DataSocket“訪問(wèn)類型可選“只讀“只寫(xiě)“讀/寫(xiě)URL中的IP地址為發(fā)送端的IP兩個(gè)控件的鏈接URL都必須設(shè)為一致。在程序運(yùn)行之前，兩個(gè)計(jì)算機(jī)上的DataSocketServer都必須要運(yùn)行。DataSocketServer是一個(gè)必須運(yùn)行在服務(wù)器端的程序，負(fù)責(zé)監(jiān)管客戶端程序之間的數(shù)據(jù)交換。圖4-27前面板控件鏈接屬性設(shè)置(2)在程序中使用DataSocket傳輸數(shù)據(jù)利用上一種方法實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信，特-25-第四章溫控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)點(diǎn)明顯，即無(wú)需編程、簡(jiǎn)單易用，但其缺點(diǎn)也不容忽視，比如，在客戶端就無(wú)法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效處理。利用DataSocket節(jié)點(diǎn)可以解決上述問(wèn)題。本設(shè)計(jì)利用DataSocket函數(shù)編寫(xiě)的通信程序，包括服務(wù)器端程序和客戶機(jī)端程序，在通信時(shí)，用戶可以根據(jù)實(shí)際需要，設(shè)置本機(jī)為服務(wù)器端或客戶機(jī)端。服務(wù)器端和客戶機(jī)端程序框圖如圖4-28、4-29所示。圖4-28服務(wù)器端程序框圖圖4-29客戶機(jī)端程序框圖如上圖所示，本設(shè)計(jì)使用緩沖方式讀取數(shù)據(jù)。在默認(rèn)情況下，DataSocketServer只向數(shù)據(jù)客戶端發(fā)布最新的數(shù)據(jù)，當(dāng)發(fā)布數(shù)據(jù)的比接受數(shù)據(jù)的客戶運(yùn)行快時(shí)，則一些數(shù)據(jù)還沒(méi)有被讀取就被覆蓋掉。使用緩沖區(qū)的方法傳輸數(shù)據(jù)是就可以避免這種情況。在服務(wù)器端使用數(shù)據(jù)緩沖區(qū)需要在DataSocketServerManager進(jìn)行設(shè)置，默認(rèn)的緩沖區(qū)為25M字節(jié)，一個(gè)數(shù)據(jù)包。一般情況下，默認(rèn)的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)大小就可以滿足需要,不需要重新設(shè)置。需要注“寫(xiě)模塊的主機(jī)要運(yùn)行DataSocketServer且“寫(xiě)模塊和“讀”模塊的URL必須一致，同為服務(wù)器端的主機(jī)的IP地址。4.6.2在Web上發(fā)布程序在進(jìn)行Web發(fā)布之前，需要打開(kāi)Web服務(wù)器進(jìn)行簡(jiǎn)單的設(shè)置。點(diǎn)擊菜單命令中的工具→選項(xiàng)，在彈出的類別列表中選擇“Web服務(wù)器：配置”“Web服務(wù)器：可見(jiàn)VI”“Web服務(wù)器：瀏覽器訪問(wèn)”分別進(jìn)行設(shè)置，本設(shè)計(jì)都采用系統(tǒng)默認(rèn)值。設(shè)置好Web服務(wù)器后，就要進(jìn)行創(chuàng)建HTML文件的工作。點(diǎn)擊菜單命令中工具→Web發(fā)布工具，彈出發(fā)布HTML文件對(duì)話框，依次對(duì)進(jìn)行它們必要的設(shè)置。第一步，選擇需要進(jìn)行Web發(fā)布的VI和查看模式。本設(shè)計(jì)的查看模式選擇嵌入并選擇“連接建立時(shí)提交控制請(qǐng)求。第二步，可以進(jìn)行“網(wǎng)頁(yè)標(biāo)題頁(yè)-26-第四章溫控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)眉頁(yè)腳的設(shè)置，本設(shè)計(jì)未作改變。第三步，保存新網(wǎng)頁(yè)。如圖4-30所示，點(diǎn)擊“保存至磁盤(pán)”會(huì)彈出文件存盤(pán)對(duì)話框，記錄下URL地址，單擊確定完成HTML文件創(chuàng)建。瀏覽文件時(shí)，須在發(fā)布程序的計(jì)算機(jī)上運(yùn)行Web服務(wù)器并將被發(fā)布的程序LabVIEW輸入上述第三步記錄下來(lái)的URL地址，就可以實(shí)現(xiàn)程序的遠(yuǎn)程控制。圖4-30HTML文件存盤(pán)對(duì)話框程序進(jìn)行遠(yuǎn)程控制時(shí)，原程序的控制權(quán)交給了客戶機(jī)。當(dāng)需要對(duì)原程序進(jìn)行控制時(shí)，需要客戶機(jī)釋放控制權(quán)?？刂茩?quán)切換的方法為在網(wǎng)頁(yè)的前面板圖像空白處單擊鼠標(biāo)右鍵，彈出快捷菜單選擇“釋放VI的控制權(quán)即可。當(dāng)客戶端需要重新獲得VI的控制權(quán)時(shí)，在網(wǎng)頁(yè)的前面板圖像空白處單擊鼠標(biāo)右鍵，彈出快捷菜單選擇“請(qǐng)求VI控制權(quán)”就可以了。4.7加熱爐溫控系統(tǒng)的集成塊、查看歷史記錄模塊等，整合成一個(gè)完整的主程序系統(tǒng)。之后，使用控件