基于虛擬儀器的加熱爐溫控系統(tǒng)設計

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)設計，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)具體設計方案如下：由傳感器測得的爐溫信號經過變送環(huán)節(jié)送給數據采集卡，采集卡對信號進行A/D轉換后傳輸至虛擬儀器，虛擬儀器中的PID算法對信號處理后產生控制信號，再經過采集卡D/A轉換后輸出控制PWM波產生電路，改變PWM波占空比，產生的PWM波經過光耦MOC3041控制雙向可控硅的通斷，以此改變加在電阻上的電壓，達到溫控目的。本論文首先按照上述設計方案設計了硬件電路，接著進

2、行系統(tǒng)軟件的設計。經過簡單的實驗，系統(tǒng)可以正常采集數據并顯示。關鍵詞：虛擬儀器，LabVIEW，溫控系統(tǒng)，過零調功，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 國內外發(fā)展狀況11.3 本設計要做的工作3第二章 虛擬儀器及LABVIEW簡介42.1 虛擬儀器的基本概念42.2 虛擬儀器的特點及應用42.3 LabVIEW的含義52.4 LabVIEW的發(fā)展62.5 LabVIEW的結構62.6 LabVIEW的優(yōu)勢6第三章 系統(tǒng)總體方案及硬件電路設計73.1 系統(tǒng)總體方案73.2 硬件電路設計73.2.1 傳感器的選型73.2.2 數據采集卡的選型93.2.3 PWM波產生電路的設計113.2.4 交流過零觸發(fā)PWM脈寬調功原理12第四章 溫控系統(tǒng)軟件設計144.1 登錄系統(tǒng)設計144.2 數據采

8、集及處理控制模塊的設計174.2.1 溫度信號的采集174.2.2 采集數據的處理194.2.3 PID控制信號的產生224.3 數據存儲模塊244.3.1 數據存入文本文件244.3.2 數據存入TDMS文件254.4 歷史數據查看模塊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 網絡通信模塊304.6.1 DataSocket的數據傳輸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37參考文獻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用于工業(yè)生產和科學研究中。由于這類對象

9、使用方便，可以通過調節(jié)輸出功率來控制溫度，進而得到較好的控制性能，故在冶金、機械、化工等領域中得到了廣泛的應用。在許多工業(yè)過程控制中，工業(yè)加熱爐是關鍵部件，爐溫控制精度及其工作穩(wěn)定性已成為產品質量的決定性因素。溫度控制不好，將給企業(yè)帶來不可彌補的損失。同時，優(yōu)良的加熱爐溫控系統(tǒng)，不但可以保障工業(yè)生產的順利進行，還可以大幅度提高生產效率，節(jié)約能源資源，降低生產成本，貢獻低碳社會。因此，優(yōu)良且可靠的加熱爐溫控系統(tǒng)在工業(yè)生產中是十分必要的。近年來，隨著計算機技術的迅猛發(fā)展，現代測控技術越來越離不開計算機。美國NI公司順應時代發(fā)展，適時提出虛擬儀器概念。通過幾年的發(fā)展，虛擬儀器已廣泛應用于國民生產各個

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)設計出一款低溫加熱爐溫控系統(tǒng)。1.2 國內外發(fā)展狀況電阻爐通過利用電源使得爐腔內的加熱介質或電熱元件發(fā)熱，以此對物料或工件進行加熱的工業(yè)爐。在機械工業(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、砂型和油漆膜層的干燥、低熔點金屬熔化等工序1。自從發(fā)現楞茨-焦耳定律這一電流的熱效應以后，電熱法最先應用于家用電器，后來在具有陶瓷纖維電阻的實驗室小電爐中也采用此法。到20世紀20年代，伴隨著鎳鉻合金的發(fā)明及廣泛應用，在工業(yè)領域，電阻爐已得到了廣泛的普及。工業(yè)領域使用的電阻爐一般說來由電熱元

11、件、金屬殼體、砌體、爐用機械和電氣控制系統(tǒng)、爐門等部分組成。不同結構的電阻爐的加熱功率大不相同，低功率的不足一千瓦，大功率的可達數千千瓦。根據工作溫度的不同，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，低溫爐主要采用對流傳熱方式加熱。電加熱爐隨著科學技術的發(fā)展和工業(yè)生產水平的提高，已經在冶金、化工、機械等各類工業(yè)控制中得到了廣泛應用，并且在國民經濟中占有舉足輕重的低位。電熱爐是具有非線性、大滯后、時變性、升溫單向等特點的控制對象。目前，對于加熱爐溫控系

12、統(tǒng)的設計大多是由單片機作為控制單元的,經過PID算法，由單片機控制功率控制元件，進而達到溫控目的。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)的繼電接觸器進行控制。采用可控硅作為功率控制元件，調功方式主要有可控硅移相調壓和雙向可控硅過零調功2?；趩纹臏乜叵到y(tǒng)的缺點也很明顯，比如系統(tǒng)硬件開銷大，程序設計比較復雜，開發(fā)周期較長，實現的功能比較單一等等。隨著計算機技術的發(fā)展，將單片機與計算機相結合，以單片機作為下位機，以計算機作為上位機，已成為設計者普遍采用方法。此外，在控制算法上，當對溫控系統(tǒng)有較高的設計要求時，傳統(tǒng)的PID算法可能滿足不了要求。所以，也有人將模糊神經網絡算法引入到加熱爐

13、溫控系統(tǒng)中。如此一來，既能用模糊規(guī)則來描述神經網絡的推理過程，有可以通過神經網絡來不斷調整模糊規(guī)則；既能處理加熱爐生產過程中的模糊和不確定因素，又可以適應加熱爐對象的非線性和時變性。伴隨著計算機技術、通信技術、微電子技術、軟件技術的迅速發(fā)展，測量領域內不斷涌現出新的測量理論、測量方法和新的儀器結構，傳統(tǒng)儀器的概念越來越受到新技術新思想的挑戰(zhàn)。特別是計算機軟件技術與將計算機作為核心的儀器系統(tǒng)的緊密結合，出現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)是基于計算機的儀器，它根據儀器的需求，

14、組成數據采集系統(tǒng)。研究虛擬儀器主要涉及兩方面的基礎理論，即數字信號處理和計算機數據采集。目前，儀器技術發(fā)展的一個重要方向是將儀器與計算機緊密結合。概括起來，這種結合有兩種方式。第一種方式，把計算機載入儀器中，智能化的儀器就是采用這種方式。由于計算機的功能越來越強大并且體積日趨縮小，采用這種方式構成的儀器的功能也越來越強大。第二種方式，把儀器載入計算機中，以計算機硬件及其操作系統(tǒng)為平臺，實現儀器的各種功能。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NI公司誕生。時至今日，虛擬儀器技術已成為當代測控領域的熱點技術。其發(fā)展大致可分為如下三個階段3。(1) 采用計算機技術增強儀器

15、的各功能。通過RS-232C和GPIB總線，用戶就可以將傳統(tǒng)儀器與計算機連接起來，就可以實現使用計算機來進行儀器的控制了。(2) 儀器結構更加開放。儀器的發(fā)展離不開技術的進步，插入式的計算機數據采集卡和VXI總線標準的確立這兩大硬件技術進步，促使儀器的結構得以開放，使得由用戶定義儀器功能和由供應商定義儀器功能的區(qū)別得以消除。(3) 虛擬儀器的結構框架得到了廣泛的認可和采用。像在軟件領域中一樣，虛擬儀器開始采用面向對象技術，在構建虛擬儀器時，它把用戶需要知道的東西封裝起來，使得編程更加簡便高效。在虛擬儀器的硬件和軟件領域中，已經產生了許多行業(yè)標準，幾個虛擬儀器的平臺已經得到廣泛認可。目前在這一領

16、域內，使用較為廣泛或者說首選的虛擬儀器開發(fā)軟件是美國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語言(Graphics Language，圖形化編程語言)編程的優(yōu)勢。1.3 本設計要做的工作根據電加熱爐大慣性、大滯后的特點，采用PID控制算法，由虛擬儀器控制實現交流過零觸發(fā)PWM脈寬調功，功率控制器件選用雙向可控硅。硬件的設計任務主要：有溫度傳感器、數據采集卡的選型，PWM波產生電路的設計等。軟件的設計任務主要有：采集數據的處理、存儲、顯示、打印，PWM波控制信號的輸出，通信功能的實現等。40第二章 虛擬儀器及LabVIEW簡介第二章 虛擬儀器及LabVIEW

17、簡介2.1 虛擬儀器的基本概念虛擬儀器是指，在以通用計算機為核心的硬件平臺上，由用戶自己設計定義，具有虛擬的操作面板，測試功能由測試軟件來實現的一種計算機儀器系統(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。隨著當代科學技術的迅猛發(fā)展，人們對測量儀器不斷提出新的要求，虛擬儀器更能適應這種要求，它推動著傳統(tǒng)儀器朝著虛擬化、模塊化、數字化、網絡化的方向發(fā)展。虛擬儀器技術的出現，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。虛擬儀器技術給了用戶一個充分發(fā)揮自己才能和想象力的空間。用戶可以隨心所欲地根據自己的需求，設計自己的儀器系統(tǒng)，滿足多種多

18、樣的應用需求。虛擬儀器中的“虛擬”有兩個方面的含義5，分別表現在：(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物，都遵循現實的物理規(guī)律，必須通過手動或觸摸進行操作。在要實現的功能方面，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)儀器控件的操作對應著相應物理過程，如按鍵觸點的碰觸，而虛擬儀器控件的操作對應著相應的軟件程序。通過程序實現的功能。(2)與傳統(tǒng)儀器通過硬件來實現測控功能不同，虛擬儀器通過軟件編程，來實現與實物一樣的測控功能。2.2 虛擬儀器的特點及應用虛擬儀器技術集合了多種現代化技術于一身，包括計算機技術、圖形處理技術、

19、智能測試技術、模塊及總線的標準化技術、數字信號處理技術等。虛擬儀器具有模塊化、標準化、積木化、系列化的軟件和硬件平臺，是一個完全開放的系統(tǒng)，它具有下列一些技術特點6。(1) 傳統(tǒng)儀器的功能被虛擬儀器豐富和增強為了充分利用計算機具有的強大的數據處理、 數據傳輸和數據發(fā)布的能力，以便更加簡便靈活地組建儀器系統(tǒng)，虛擬儀器集中將數據分析處理、數據顯示存儲及打印和其他必要的操作都交給計算機來處理。(2) 虛擬儀器進一步突出了“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，利用軟件實現硬件的功能，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。當組建自己的虛擬儀器時，利用源代碼庫，用戶可以很方便地實現、修改儀器的各種測控、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)標準非常開放虛擬儀器的軟件及硬件都具有開放的行業(yè)標準，利用虛擬儀器的標準，用戶可以統(tǒng)一對儀器進行設計、管理和使用，可以提高資源的可重復性利用率，使得管理更加規(guī)范，儀器功能更加易于擴展，儀器的開發(fā)和維護費用更加降低。(5) 經濟性好，易于組建成更為復雜的測試系統(tǒng)虛擬儀器是基于軟件體系結構的，傳統(tǒng)儀器是基于硬件體系結構的，用虛擬儀器代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器，可以節(jié)約大量的購買和維護成本。而且，與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器更容易組建成復雜的分布式測試系統(tǒng)，因為虛

21、擬儀器可以利用高速計算機網絡，很方便地實現遠程通信、監(jiān)控、測試和故障診斷等功能。虛擬儀器作為新興的儀器代表，由于具有絕對的技術優(yōu)勢，被廣泛應用于電子、機械、通信、汽車制造、生物、醫(yī)藥、化工、科研、軍事、教育等各個領域。從簡單的儀器控制、數據采集到尖端的測試和工業(yè)自動化，從大學實驗室到工廠企業(yè)，從探索研究到技術集成，都可以發(fā)現虛擬儀器技術的應用成果。2.3 LabVIEW的含義LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineer Workbench，實驗室虛擬儀器集成環(huán)境)是一種圖形化的編程語言(又稱G語言)，它是由美國NI公司推出的虛擬儀器開發(fā)平臺，也是

22、目前應用最廣、發(fā)展最快、功能最強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NI公司于正式推出了LabVIEW1.0，現在已發(fā)展到2011版本。20多年來，經過公司的不斷改進和完善，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)計過程控制、高級數字信號處理、模糊控制、PID和PDA等；可運行于多種平臺，比如Macintosh、UNIX、Windows和Linux等。作為一個具有強大功能的標準的虛擬儀器開發(fā)平臺，LabVIEW廣泛地被研究實驗室、學術界及工業(yè)界所接受，廣泛地應用于航空航天、工業(yè)控制、電子半導體、汽車和通信等眾多領域。2.5

23、 LabVIEW的結構利用LabVIEW軟件開發(fā)的虛擬儀器，包括前面板和程序框圖兩個主要部分。前面板就是虛擬儀器的測試界面，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，用戶可以展現包括參數設置、菜單、結果顯示等各種測試交互接口。程序框圖類似于傳統(tǒng)編程語言中的程序源代碼，是測試系統(tǒng)中的數據處理的流程。程序框圖與前面板對象一一對應，程序框圖中的數據流對應于前面板對象的相關操作。程序框圖采用圖形化節(jié)點進行編程，使編程更加簡便、高效。2.6 LabVIEW的優(yōu)勢概括地說，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和優(yōu)點，如：采用圖形化編程語言，開發(fā)效率

24、高，支持多種儀器和數具采集卡硬件的驅動，調試、查錯能力強大，支持多種操作系統(tǒng)，網絡通信功能強大等諸多優(yōu)點8。正是由于LabVIEW軟件具有的這些優(yōu)點，使得LabVIEW成為開發(fā)虛擬儀器的首選平臺。第三章 系統(tǒng)總體方案及硬件電路設計第三章 系統(tǒng)總體方案及硬件電路設計3.1 系統(tǒng)總體方案基于虛擬儀器的加熱爐溫控系統(tǒng)設計方案結構框圖如3-1所示。電 加熱 爐傳 感 器采集卡計算機LabVIEW光耦雙向可控硅PWM波產生電路圖3-1 系統(tǒng)總體方案結構框圖這是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，根據加熱爐大慣性、大滯后的特點，采用PID控制算法，由虛擬儀器控制實現交流過零觸發(fā)PWM脈寬調功9，功率器件選用雙向可控硅。具體

25、設計方案如下：由傳感器測得的爐溫信號經過變送環(huán)節(jié)送給數據采集卡，采集卡對信號進行A/D轉換后傳輸至虛擬儀器，虛擬儀器中的PID算法對信號處理后產生控制信號，再經過采集卡D/A轉換后輸出控制PWM波產生電路，改變PWM波占空比，產生的PWM波經過光耦MOC3041控制雙向可控硅的通斷，以此改變加在電阻上的電壓，達到溫控目的。3.2 硬件電路設計硬件電路的設計包括傳感器的選型、測溫電路的設計、數據采集卡的選型、PWM波產生電路的設計、光耦及雙向可控硅的選型、交流過零觸發(fā)PWM脈寬調功電路設計。3.2.1 傳感器的選型溫度敏感元件選用Pt100。鉑電阻的物理化學性能非常穩(wěn)定，精度高，耐氧化性強，且電

26、阻率較高、復現性好。可用作基準電阻和標準熱電阻。鉑電阻的溫度測量范圍為-200850。鉑電阻的阻值與溫度的關系是一個典型的非線性函數，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，為溫度在時的電阻值，、和為常數，其值分別為：；。本設計選用一體化傳感器。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轉化為微弱的電信號，再經過信號的調理放大環(huán)節(jié)，最后再由線性電路對溫度數據進行非線性補償，輸出420mA的恒流信號。一體化溫度傳感器的采用，簡化了系統(tǒng)硬件電路的設計。具體型號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)點是將Pt100的兩側相等長度的導線分別加在兩側的橋臂上，使得導線電阻得以消除。常用的溫度測量電路主要有兩種：一種是橋式測溫電路，可分為兩線制、三線制、四線制橋式測溫電路；另一種是恒流源式測溫電路。在熱電阻測溫系統(tǒng)中，引線電阻的大小對測量結果有很大的影響。恒流源式測溫電路可以消除引線電阻的影響，本設計就是采用恒流源式測溫電路，其測溫電路圖如圖3-2所示。圖3-2 恒流源測溫電路對于LM358，放大器工作于線性運放狀態(tài)，根據虛短和虛斷概念，得流過Pt100的恒定電流為0.00124。3.2

28、.2 數據采集卡的選型數據采集(DAQ)，是指從傳感器和其它待測設備等模擬和數字被測單元中自動采非電量或者電量信號,送到上位機中進行分析、處理。被測物理量傳感器信號調理數據采集卡計算機圖3-3 數據采集系統(tǒng)結構數據采集系統(tǒng)是通過測量軟、硬件產品的有機結合來實現靈活的、具有用戶自定義功能的測量系統(tǒng)，它基于計算機或者其他專用測試平臺。數據采集系統(tǒng)的結構如圖3-3所示11。一般的數據采集過程如圖3-4所示。框圖中的相關采樣參數包括以下幾個：采樣通道，即需要由多路開關進行掃描的通道；采樣次數，即多路開關對通道進行掃描的次數；采樣頻率，即單位時間內多路開關對通道進行一次掃描的次數；數據緩存大小，確定數據

29、采集卡的數據緩存可以存儲多少掃描得來的數據。數據采集卡，就是實現數據采集(DAQ)功能的計算機擴展卡。數據采集卡的主要性能指標主要有通道數、采樣頻率、分辨率、精度、量程等，根據實際需要，選擇具有相應性能的采集卡。選擇數據采集卡時，要根據具體的采集任務，及現有的技術資源。本設計要求數據采集卡要采集一路模擬信號，輸出一路模擬控制信號，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，故采用的數據采集卡為美國NI公司的NI USB-6009多功能數據采集卡。NI USB-6009的主要技術指標如下：8個模擬輸入通道(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I/O通道(P0.0P0.7，P1.0P1.3)，1個32位計數器/定時器(PFI0)。圖3-4 數據采集過程框圖NI USB-6009數據采集卡具有單端和差動兩種輸入模式，連接參考單端電壓信號和連接差分電壓信號。本設計采用后面一種輸入模式。連接差分電壓信號時，輸入信號的正負極分別接入采集卡的“AI+” “AI-”通道，它能夠抑制接地回路感應誤差，消除共模干擾，是一種比較理想的輸入模式。連接差分電壓信號電路圖如圖3-5所示，將輸入信號的正極連接到NI USB-6009數據采集卡的“AI+”通道，輸入信號的負極連接到數據采集卡對應的“AI-”通道。圖3

31、-5 連接差分電壓信號3.2.3 PWM波產生電路的設計本設計采用硬件搭建PWM產生電路，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)生器產生頻率恒定的三角波，三角波和LabVIEW編寫的虛擬儀器產生的控制信號通過在電平比較器中比較，產生占空比由控制信號決定的PWM脈沖波，之后經過施密特觸發(fā)器濾除電平附近由于干擾產生的振蕩成分，使波形規(guī)則化，產生標準的PWM波。LabVIEW控制信號電平比較 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生精確、高頻率的三角波信號。利

32、用內部2.5V基準電壓配以外部的電阻電容就可以產生頻率為0.1Hz20MHz的三角波。電平比較器選用LM339，施密特觸發(fā)器采用74LS14。產生PWM波電路圖如圖3-7所示。三角波周期計算公式為 (3-3)其中， (3-4)為基準電源電壓，其值為2.5V。本設計中。LabVIEW輸出的控制信號的控制周期為1s，與之對應，產生的三角波周期也應為1s。即,所以。產生的三角波幅值最大為1V，而LabVIEW輸出的控制信號幅值為05V，故采用LM318對三角波進行信號放大，使得三角波幅值也在05V內變化。圖3-7 PWM波產生電路3.2.4 交流過零觸發(fā)PWM脈寬調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，即可控硅移相調壓和雙向可控硅過零調功?？煽毓枰葡嗾{壓方式通過改變觸發(fā)脈沖觸發(fā)角來改變可控硅導通角，進而改變電壓值。此方式需要具有準確相角的觸發(fā)脈沖12，系統(tǒng)設計較復雜，而且通過負載的不是完整的正弦波，會產生高次諧波，造成電網電壓波形畸變，影響其他用電設備。雙向可控硅過零調功既具有較好的控制精度，又不存在可控硅移相調壓方式具有的一切缺點，它是在交流電過零時觸發(fā)雙向可控硅的導通，使得流過負載的電壓電流是完整的正弦波，不存在波形畸變。而且，對觸發(fā)脈沖的相位要求也大大降低，觸發(fā)時只需外加一個過零檢測電路既可。所謂過零檢測，就是檢測交流電壓或電流的過零點。本設計采用后一種調功方式

34、。交流過零觸發(fā)PWM脈寬調功原理如圖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、過零觸發(fā)等功能于一體，簡化了輸出通道隔離、驅動電路的結構。圖3-8 交流過零觸發(fā)PWM脈寬調功原理電路分析如下。當PWM控制脈沖為高電平，且光耦MOC3041檢測到電壓過零點時，光耦中的光敏雙向可控硅導通，發(fā)出觸發(fā)信號觸發(fā)雙向可控硅導通。此后，只要PWM波一直是高電平時，雙向可控硅就一直導通，使得負載上通過的是完整的正弦波。當PWM脈沖變?yōu)榈碗娖綍r，光耦在電壓過零時就不再向雙向可控硅發(fā)觸發(fā)信號，于是當電壓再次過零時雙向可控硅截止，電流不再流過負載。通過改變PWM波占空

35、比，就可以控制流過負載的電壓周波數，進而達到調節(jié)功率的目的，在本設計中，就是達到溫控的目的。第四章 溫控系統(tǒng)軟件設計第四章 溫控系統(tǒng)軟件設計本設計采用LabVIEW軟件開發(fā)虛擬儀器。整個系統(tǒng)可分為登錄系統(tǒng)模塊、數據采集及處理控制模塊、數據存儲模塊、查看歷史數據模塊、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功能子模塊，最后完成總的系統(tǒng)設計。4.1 登錄系統(tǒng)設計圖4-1 登錄系統(tǒng)前面板完整的系統(tǒng)設計都必須要有使用權限設置。本系統(tǒng)首先設計了一個登錄系統(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，否則就不可以進行主程序的操作。當第一次登錄系統(tǒng)時，會提醒用戶進行用戶名及登錄密碼的重新設置，當然，用戶也可以主動進行用戶名及登錄密碼的修改。在重新設置用戶名及登錄密碼密碼時，登錄系統(tǒng)會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。前面板添加了一個指示燈，當正確登陸系統(tǒng)時會由紅色變?yōu)榫G色。當使用完系統(tǒng)后，點擊“退出程序”按鈕就可以退出系統(tǒng)。當用戶填寫不正確的用戶名或密碼時，會彈出如圖4-3所示的對話框，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提醒用戶輸入管理員密碼的對話框。圖4-2 登錄系統(tǒng)程序框圖圖4-3 用戶名或登錄密碼

37、錯誤時的提示對話框主程序以子程序的形式嵌入到登錄系統(tǒng)中。設計主程序為子程序的方法為單擊主程序前面板的文件，在下拉菜單中選擇“VI屬性”，會出現一個對話框，在對話的類別欄中選擇窗口外觀，將對話框頁面切換到窗口顯示屬性頁面，如圖4-5所示。圖4-4 重置用戶名及密碼時提示輸入管理員密碼圖4-5 子VI屬性對話框在對話框中單擊自定義按鈕，彈出自定義窗口外觀對話框，如圖4-6所示，在對話中選擇“調用時顯示前面板”和“如之前未打開則在運行后關閉”。如此一來，登錄系統(tǒng)后主程序會作為子VI被調用，且主程序前面板會彈出來，供用戶設置。選中“如之前未打開則在運行后關閉”選項后，則當主程序運行結束后，其前面板會自

38、動消失。圖4-6 子VI窗口外觀對話框4.2 數據采集及處理控制模塊的設計數據采集及處理控制模塊時本系統(tǒng)的重中之重設計，實現的主要功能包括溫度信號的采集、采集數據的處理、PID控制信號的產生等，每個功能模塊又可以分為若干子模塊，本節(jié)內容將一一給予詳細介紹。4.2.1 溫度信號的采集基于虛擬儀器的采集系統(tǒng)典型框架為：傳感器信號調理器數據采集設備計算機。傳感器將被測量的溫度信號轉化為電信號；信號調理器對電信號進行 放大、濾波、隔離等預處理；數據采集設備主要功能是將模擬信號轉化為數字信號、此外一般還有放大、采樣保持、多路復用等功能。數據采集系統(tǒng)一般由數據采集硬件、硬件驅動程序和由數據采集函數編制的軟

39、件幾個部分組成14。如前所述，本設計采用NI USB-6009多功能數據采集卡。所謂硬件驅動程序就是應用軟件驅動硬件正常工作的編程接口。硬件驅動程序包含著相應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據傳遞。借助于強大的硬件驅動程序，LabVIEW的編程工作將會大大簡化，開發(fā)效率顯著提高，開發(fā)成本也明顯降低。本設計采用的硬件驅動程序為NI-DAQ8.6.1版本。本設計要求加熱爐溫度穩(wěn)定在80，允許有±1誤差，故設置溫度范圍為0100。采集數據只有模擬量溫度信號，故為單通道數據采集。數據采集卡和計算機之間進行數據傳輸時，需要對物理通道和虛擬通道進行選擇。所謂物理通道就是

40、被測試的信號或生成的信號實際進出計算機的路徑，例如，NI USB-6009上的模擬輸入通道AI0AI5，模擬輸出通道AO0、AO1，數字I/O通道為P0.0P0.7，P1.0P1.3。所謂虛擬通道是一系列設置的集合，包括通道名、對應的物理通道、信號連接方式、測試類型和標度等。本設計物理通道選擇AI0、AO0，對應的虛擬通道為Dev1/ai0、Dev1/ao0。由數據采集函數編制溫度數據采集軟件，主要步驟如下15：(1) 調用DAQmx Create Virtual Channel.vi創(chuàng)建虛擬通道，并配置相應的物理通道、采樣數據的最大值和最小值、輸入端配置方式。(2) 調用DAQmx Timi

41、ng.vi，并設置采樣速率、采樣模式、緩存大小。(3) 調用DAQmx Start Task.vi，將采集任務轉換到運行狀態(tài)。(4) 調用DAQmx Read.vi。這是一個多態(tài)VI，根據數據采集的類型、讀取數據的數量和要求返回數據的類型，有許多子VI可以選擇。圖4-7所示是本設計所選擇的VI。圖4-7 DAQmx讀取多態(tài)VI的子VI選擇(5) 調用DAQmx Clear Task.vi，此VI首先中止采集任務然后釋放掉所有資源。按照如上步驟，編寫的溫度數據采集模塊的程序框圖如圖4-8所示。通過數據采集前面板，可以設置物理通道、輸入端配置、采樣方式、采樣速率、采樣數據的最大值和最小值。設置好個

42、參數后，點擊“開始采樣”按鈕，就可按照設置好的參數采集溫度數據，并可在波形圖給予顯示。采集完成后，點擊“停止采集”按鈕，即可停止本次數據采集操作。圖4-8 數據采集模塊程序框圖4.2.2 采集數據的處理采集到的溫度數據一般要經過處理再將數據送去顯示、存儲、打印等他操作。本設計的數據處理主要有三個方面，第一個是數據濾波，第二個是消除零點誤差，第三個是標度變換。下面將分別予以介紹。濾波技術是信號處理技術的重要分支。濾波就是指對信號的噪聲干擾進行抑制或衰減，并使有用信號正常通過的一種技術。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。本設計采用帶通濾波器。由于計算

43、機只能處理有限長度的信號，因此原始信號要以采樣時間截斷，即有限化，成為離散信號后在進一步處理。信號的有限化也稱為加窗處理。LabVIEW軟件中有許多窗函數。窗函數主要用于對截斷處的不連續(xù)變化進行平滑，減少泄露。此外，窗函數還具有減少噪聲干擾的作用。窗函數有很多種，常用窗函數主要有Hamming窗、Hanning窗、Blackman窗、Kaiser窗、Triangle窗、Flat Top窗、Exponential窗等。在LabVIEW程序框圖中的函數信號處理濾波器選板中，提供了各種各樣濾波器?？紤]到窗函數的作用，本設計選用FIR加窗濾波器。數據濾波的前面板和程序框圖如圖4-9所示。圖4-9 數據

44、濾波的程序框圖零點誤差又稱零輸入誤差，既無被測信號輸入時測試系統(tǒng)的響應。在測試系統(tǒng)中零點誤差包括以下兩個部分：(1) 測試系統(tǒng)本身所具有的零點誤差，如各種模擬電路、傳感器以及儀器，一般都存在零點誤差和零漂；(2) 零輸入時引入的外界噪聲、干擾誤差，即靜態(tài)噪聲和靜態(tài)干擾誤差。零點誤差會嚴重影響測量數據的真實性，必須采取措施消除或減小零點誤差的影響。本設計有對零點誤差的處理環(huán)節(jié)，如圖4-10所示。圖4-10 零點誤差處理由于零點誤差會隨環(huán)境的變化而相應改變，所以本系統(tǒng)還設計了零點誤差采集環(huán)節(jié)。當需要更新零點誤差數值是，進行一次零點誤差采集就可以了。程序框圖如圖4-11所示。圖4-11 零點誤差采集

45、程序框圖此程序將采集到的零點誤差先排序，去掉最大值、最小值后，再取平均值，即為最終的零點誤差。之后通過局部變量將最新的零點誤差傳遞給圖4-12中的變量。所謂標度變換，將對應參數值的大小轉換成能直接顯示有量綱的被測工程量數值，也稱工程轉換。標度變換有線性和非線性之分。本設計采用pt100作為溫度敏感，在0100內有較好的線性度，故本設計采用線性標度變換。圖4-12 線性標度變換線性變換后的數據要用來轉換成對應的溫度，本設計采用LabVIEW軟件提供的轉換RTD讀數節(jié)點，此節(jié)點位于函數編程數值縮放子選板中。 轉換RTD讀數節(jié)點對應于公式3.1，通過輸入的電壓、給定的傳感器激勵電流，反計算出對應的溫

46、度值。對于此節(jié)點，當傳感器激勵電流為0.00124A時，輸入電壓0.1240050.17174V對應于輸出溫度0100。故本標度變換的任務為將采樣的電壓信號15V線性變換為0.1240050.17174V，變換程序框圖如圖4-12所示。4.2.3 控制信號的產生電加熱爐是一個復雜的被控對象，具有非線性、大滯后、時變性、升溫單向等特點。本設計采用的電加熱爐數學模型如式4-1所示。式中，設=1，=10,=3。 (4-1)在工程實踐中，應用最廣泛的調節(jié)器控制算法為PID控制算法。PID控制器結構簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調整方便而成為工業(yè)控制的主要技術之一17。本設計也采用PID控制算法。PID調節(jié)

47、器的調節(jié)規(guī)律如式4-2、4-3所示。圖4-13 PID仿真結果 (4-2)或寫成 (4-3)PID調節(jié)器的參數整定有多種方法，除理論計算法外，還有臨界比例度法、衰減曲線法、反應曲線法、最佳整定法和經驗法。本設計采用臨界比例度法，使用Matlab仿真，仿真結果如圖4-13所示。此時，=2，=0.2，=0.001，則=10s，=0.0005s。圖4-14 控制信號產生環(huán)節(jié)PID產生的控制信號要通過NI USB-6009的模擬輸出通道輸出去控制PWM波產生電路。PID節(jié)點的process variable端連接的是轉換RTD讀數節(jié)點輸出的0100溫度信號，PID節(jié)點的setpoint 端連

48、接的是溫度設定值80?？刂菩盘柕妮敵鲆涍^數據采集卡NI USB-6009的AO端，輸出幅值為05V，故PID的輸出不能直接輸出，需要經過一定的處理方案。本設計的處理方案如下：當溫度小于等于75時，不采用PID算法，直接輸出0V；當溫度大于等于85時，也不采用PID算法，直接輸出+5V；當溫度值大于75且小于85時，采用PID算法，為了限制PID的輸出在05V內，本設計采用公式節(jié)點編寫了一個飽和函數，如程序框圖4-14所示。PID產生的控制信號經轉換后，需要通過數據采集卡輸出，去控制硬件電路?？刂菩盘栞敵龀绦蚩驁D如圖4-15所示。圖4-15 控制信號輸出程序框圖4.3 數據存儲模塊LabVIE

49、W進行數據存放一般使用下面4種格式的文件，分別是二進制文件、數據記錄Datalog文件、波形數據文件和文本文件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來讀取或處理數據。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用在測試測量領域的通用數據文件格式，LabVIEW、LabWindows、Signal Express、DIAdem中都可以用，也?？吹皆贓xcel、Matlab中被調用。TDMS文件較其他文件，有如下優(yōu)勢：讀寫文件速度快、支持隨機讀取、支持分別讀寫描述性信息和原始數據等19

50、。本文采用文本文件和TDMS文件兩種數據存儲格式，下面分別予以介紹。4.3.1 數據存入文本文件由于文本文件的特點，數據的存儲格式首先選擇文本文件。將采集到的電壓數據和轉換后的溫度數據存儲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，可以指定電壓數據和溫度數據的存儲位置。此程序，除將電壓溫度數據存儲起來外，采樣時間也同時被存儲起來。圖4-16 電壓數據、溫度數據存儲到文本文件4.3.2 數據存入TDMS文件在LabVIEW程序框圖的函數編程文件I/OTDMS流子模板中含有關于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 數據存入TDMS文件將采集時

51、間、電壓數據、溫度數據、溫度設定值存入TDMS文件的程序框圖如圖4-17所示。如上程序框圖所示，本程序設計了三個組，每個組有一個通道。第一個組為“采集時間”，其通道有“時間”；第二個組為“采集數據”，它有兩個通道，即“電壓信號”和“溫度信號”通道；第三個組為“溫度設定值”，它有通道“溫度設定值”。其數據存儲結構如圖4-18所示。4.4 歷史數據查看模塊對應于4.3節(jié)的數據存儲文件，歷史數據查看有兩種方式，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 停止存儲數據時彈出的TDMS文件查看器4.4.1 文本文件查看方式查看文本文件，是將已經存儲在計算機中的歷史數據再次顯示

52、出來。顯示出來的數據既可以以原數據的形式顯示出來，又可以經過簡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 查看歷史數據前面板圖4-20 查看歷史數據程序框圖為了對上述兩種查看文本文件方式進行選擇，本程序設計利用三按鈕對話框節(jié)點，設計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。我們根據實際需要，選擇相應的查看方式。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文件前面板與數據存入TDMS文件相對應，當需要查看已經存儲于計算機中的TD

53、MS文件時，就需要編寫查看TDMS文件的程序。本設計編寫的相應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“采集時間”組中的“時間”通道數據讀取出來，再將“采樣數據”組中的“電壓信號” 通道和“溫度信號”通道中的數據讀取出來，然后一起送入多列列表框中進行顯示。為了方便顯示，創(chuàng)建了多列列表框的“項名”屬性節(jié)點。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據(本設計中主要指存儲于文本文件中的歷史數據)或前面板打印出來，以便對系統(tǒng)及數據作進一步的分析。本設計的打印既可以使用打印機打印，又可以只在網頁上進行顯示。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擊打印方式按鈕，可以選擇打印機打印或只在網頁顯示。編寫程序時，為了將前面板打印出來或在網頁上顯示，本設計使用了“添加前面板圖像至報表”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話框節(jié)點，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 網絡通信模塊虛擬儀器技術與網絡技術相結合，構成網絡化虛擬測試系統(tǒng)是虛擬儀器發(fā)展的方向之一。LabVIEW具有強大的網絡通信功能。LabVIEW應用軟件中常用網絡通信方式主要有

55、三種，即TCP通信、UDP通信和DataSocket通信20。對于這三種通信方式，LabVIEW都有相應的節(jié)點，可編寫出完整的通信程序。我們只需根據實際需要，選用相應的通信方式即可。UDP通信方式不提供數據傳送的保證機制，如果在從發(fā)送方到接受方的傳遞過程中出現數據丟失，協(xié)議本身并不能做出任何檢測或提示。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)議提供數據傳送的保證機制，且可以實現應用程序間的數據共享，但大多數使用起來并不方便，開發(fā)效率不高，當需要數據的實時傳輸時，TCP通信協(xié)議就不能滿足。為了實現測量數據的實時傳送，美國NI公司專門研發(fā)出DataSocket技術，進一

56、步發(fā)展了虛擬儀器的網絡測控技術，簡化了系統(tǒng)開發(fā)的過程，真正滿足了實時通信、正確傳輸及網絡安全的這些設計要求。鑒于此，DataSocket通信技術特別適用于開發(fā)遠程數據采集、遠程數據共享和遠程程序監(jiān)控等應用程序。本設計采用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，我們可以實現虛擬儀器的遠程通信。但是，當被控系統(tǒng)是一個非常復雜的測控系統(tǒng)并且要求隨時操作位于主控計算機上的虛擬儀器時，再采用DataSocket通信技術進行編程，任務就顯得異常艱巨。此時，就需要利用LabVIEW提供了訪問HTML文件的方法和遠程前面板技術，不需要任何編程，只需設置幾個參數，就可以實現程序的遠程控制。本設計采用訪問HTML文件的方法，也即進行程序的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的數據傳輸在用戶使用DataSocket通信技術進行數據傳輸時，有兩種方法可供選擇：第一種是在前面板對象之間傳輸數據，第二種是在程序框圖中傳輸數據。下面將分別