全自动热电偶温度检定系统设计毕业论文设计

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摘要热电偶是一种常用的温度传感器，应用相当广泛。在长期工作过程中，热电偶性能会发生改变，产生测温误差。我国计量法规定，在热电偶的使用过程中需要进行周期性的检定和修正，以确保热电偶温度计测温的准确性。论文在分析热电偶检定规程的基础上，介绍了热电偶自动检定系统的整体设计方案、硬件组成、软件设计和主要技术问题的解决方法。选用HH54P小型继电器和开关量控制接口卡PC-6408，组成多通道扫描装置，配合高精度可程控的多功能测试仪表FLUKE289，实现检定数据的自动采集；采用模糊控制和PID控制相结合的算法，对检定炉温度进行控制，实现PID参数的自动整定，使炉温升温速度快、调节时间短、恒温效果好；系统监控软件采用模块设计方法，功能齐全，界面友好，操作灵活方便。本论文所设计的热电偶自动检定系统，工作稳定，符合热电偶检定规程的要求，达到了设计要求。系统具有很好的扩充性，可以方便简单地增加新的热电偶检定类型；缩短了检定时间，提高了工作效率；操作简单，减轻了劳动强度；自动检定，提高了自动化水平。关键词：热电偶；自动检定；模糊控制；PID参数整定；数据采集AutomaticThermocoupleTemperatureCalibrationSystemDesignAbstractThermocouplesarecommonly-usedtemperaturesensorsinmanymanufacturingprocesses，andhavefoundawiderangeofapplications．Afteralong-termrun，theperformanceofathermocouplemaychange，resultingintemperaturemeasurementerror．Therefore，theMetrologyLawinChinasstipulatesthatthermocoupleshavetobecalibratedperiodicallyinthecourseofitsusagetoensuretheaccuracyofthetemperaturemeasurement．BasedontheanalysisoftheSpecificationofThermocoupleCalibration，thisthesisdiscussestheoveralldesignideasoftheautomaticthermocoupleverificationsystem，hardwareconfiguration,softwaredesignandsolutionstosometechnicalproblems．ThecalibrationsystemfirstusesHH54PrelaysandswitchingcontrolinterfacecardPC-6408,composedofmulti-channelscanningdevice,withhigh-precisionprogrammablemulti-functiontestinstrumentsFLUKE289,implementtestautomaticdatacollection．Tocontrolthecalibrationfurnacetemperature，anoptimizedalgorithmisdesignedbycombiningthePIDcontrolandfuzzycontrol．TheoptimizedalgorithmcantunethePIDparametersautomatically．Asaresult，thefurnacetemperaturecanbeheatedupfastinashortcontroltime，andachievesasatisfactoryeffectforconstanttemperaturecontrol．Writtenusingabuildingblockdesignfashion，thesystemmonitoringsoftwarehasafriendlygraphicaluserinterface，andispowerful，flexibleandeasytooperate．TheautomaticthermocoupleverificationsystemmeetsalltherequirementsoftheSpecificationofThermocoupleCalibration．Thesystemhasgoodscalability．Newtypesofthermocouplescanbesimplyandeasilyaddedintothesystem．Comparedwiththetraditionalmanualcalibrationmethod，theautomaticthermocouplecalibrationsystemcansignificantlyshortenthecalibrationtime．Increasescalibrationefficiency，reducesthelaborstrengthandimprovethelevelofautomation． Keywords：thermocouple；automaticcalibration；fuzzycontrol；PIDparametertuning；dataacquisition目录摘要 IAbstract II第1章绪论 11.1热电偶检定系统的选题背景 11.2热电偶自动检定系统的研究现状 11.3热电偶自动检定系统的主要技术指标 2第2章热电偶自动检定系统方案的选择 42.1系统需要解决的关键技术问题 42.1.1技术性能指标 42.1.2关键技术问题 42.2系统设计方案选择 52.2.1冷端补偿方案 52.2.2数据采集系统设计 72.2.3炉温控制系统设计 72.2.4上位机监控系统设计 82.3系统组成结构及工作原理 9第3章热电偶自动检定系统的硬件设计 103.1数据采集系统硬件设计 103.1.1多功能数字测量仪硬件选型 103.1.2通道扫描器设计 113.2温度控制系统硬件设计 173.2.1单相晶闸管调压触发器 173.2.2模入模出接口卡 193.3上位机硬件配置 22第4章热电偶自动检定系统温度控制方法 234.1热电偶的检定炉的物理模型分析 234.2控制算法选择 244.2.1PID控制 244.2.2模糊控制 264.3模糊PID参数自整定控制器的实现 274.3.1模糊PID参数自整定控制器的结构 274.3.2PID参数模糊调整规则 294.3.3模糊推理及解模糊化 31第5章工业热电偶自动检定系统的软件设计 355.1软件系统组成 355.2自动检定过程 365.3模糊自适应PID控制算法的软件实现 38第6章结论 40参考文献 41谢辞 42附录 43第1章绪论1.1热电偶检定系统的选题背景热电偶是一种感温元件，它把温度信号转换成热电动势信号，通过电气仪表转换成被测介质的温度。热电偶具有测量精度高、热响应时间快、测量范围大(-40～1600℃)、性能可靠、使用寿命长、安装方便等特点，是生产中最常用的温度传感器之一。作为一种热电转换器件，其特性的好坏和指示值准确与否直接关系到产品的质量、安全防护和能源的损耗等情况。由于应用的面广、量大,所以其测量误差太大将会整个工业生产带来巨大的损失。另外，在长期的应用过程中，热电偶出现老化变质的现象。由金属或合金构成的热电偶，在高温下其内部晶粒要逐渐长大。同时合金中含有少量杂质，其位置或形状也将发生变化，而且，对周围环境中的还原或氧化性气体也要发生反应，产生测温误差。因此，我国计量法规定，热电偶不仅在出厂时要进行严格检验，而且在随后的使用过程中还要进行周期性的检验或监督性的检定，以判明热电偶是否变质、超差。在传统的检定过程中，用电位差计通过手动转换开关读取在不同检点的标准电偶、被检电偶的热电势，然后根据检定规程对检定数据进行手工统计处理，并把结果填表记录。上述检定步骤中完全靠手工操作完成，不但人员劳动强度大，检定时间长，原始数据量大，运算处理较复杂，容易出错，而且不可避免地产生人为误差。检定工作的低效率，大大影响了企业质量保证工作的正常进行。1.2热电偶自动检定系统的研究现状热电偶是基于物质的热心效应原理实现测温的一种接触法测量仪器。热电偶种类繁多、结构多样、测量范围广(-40~1600℃)、性能可靠，是生产中最常见的温度传感器之一。作为热电转换器件，其特性的好坏和指示值准确与否直接关系到产品的质量、安全防护和能源的损耗等情况。在其使用期间，热电偶的热电动势也将极其敏感的发生变化，产生测温误差。因此，我国计量法规定，热电偶不仅在出厂时要进行严格检查，在随后的使用过程中还要进行周期检定。在传统检定过程中，用电位计通过手动转换开关读取在不同检点的标准电偶、被检电偶的热电势，然后根据检定规程对检定数据进行手工统计处理，并把将结果填表记录。过程都由手工操作完成，不但人员劳动强度大，检定时间长，而且效率低、误差大，影响工作正常进行［1］。近几年，在国家大力扶持下，一些技术先进的仪器仪表厂家逐渐兴起，所研制的检定设备也层出不穷。国内热电偶检定方法可采用双极比较法、同名级比较法和微分法三种，目前的热电偶自动检定系统大多采用双极比较法。设置若干温度检定点，当检定炉在某一设定温度点稳定后，直接测量标准热电偶和被检热电偶的热电势，并分别转化成测量温度值，计算出被检热电偶与标准热电偶在当前检定点测量的热电动势误差和温度误差，判断被检热电偶是否合格。检定炉根据发热原理可分为电阻炉和黑体炉，是提供热电偶检定的温度源。无论国内还是国外研制的热电偶自动检定系统，大体由检定炉、数据采集系统，检定炉控温系统、数据处理子系统等部分。国外在检定精度上发展较快，美国国家航天局（NASA）的引力材料科学实验室（MMSL），早在1991年就研制出热电偶自动校准系统，该系统当时可以对从室温到650℃范围内的K型热电偶进行校准，局限性较大。美国Hart’sNVLAPaccreditedMetrologyLaboratory使用比较法可以对-200℃到1100℃测温范围的温度计进行自动校准。FlukeCorporation（美国福禄克公司）针对几种型号的恒温装置，温控器及电测仪表，研制了9938MET／TEMP温度自动校准软件，可以把硬件装置结合起来，构成一套自动检定系统。1.3热电偶自动检定系统的主要技术指标以下是所研制的工业热电偶自动检定系统必须达到的主要技术指标：(1)可检定S、K、B、E、J等型号的热电偶；(2)测量误差小于0．1℃：(3)检定时热电偶检定炉温度偏差检定点不超过±2℃；(4)热电偶测量过程中炉温温度变化不超过0．2℃；(5)检定温度范围：200～1400℃；(6)检定热电偶支数：同时检定1～8支；(8)平均每个温度检定点检定时间：30分钟；(9)恒温精度≤O．1℃；恒温保持时间：10s～1000s任选；第2章热电偶自动检定系统方案的选择在对热电偶自动检定系统的软硬件进行具体设计之前，需要对系统的技术特点进行分析，明确系统设计的关键技术以及针对这些技术进行方案选择，从而确定整个系统的框架组成。2.1系统需要解决的关键技术问题2.1.1技术性能指标通过进行详细的调查，明确了热电偶自动检定系统所要达到的技术指标或特点。这些技术指标来自于两个方面，一个是国家颁布的关于热电偶检定规程里明确规定的技术条件，另一个是委托企业计量管理部门提出的技术要求，两方面的技术性能要求归纳起来，主要有以下几点：(1)可检定S、R、K、B、E、J、N等8种型号的工作用热电偶；(2)平均每个温度检定点升温和检定时间不超过30分钟；(3)检定温度范围：200～1600℃；(4)同时检定热电偶支数：1～8支；(5)具有冷端自动补偿功能；(6)可以自动完成控温、检测；(7)系统运行稳定，界面友好，操作简便；2.1.2关键技术问题热电偶自动检定系统需要完成参数设定，自动温度控制和温度稳定性判断，自动切换通道，自动测量标准热电偶和被检热电偶的热电势。它是一个过程控制系统，但与一般的生产中的温度控制系统比较是有区别的，在采样精度、控制精度等方面有更高的技术要求，也是整个系统成败的主要因素。(1)采样精度热电偶检定证书需要打印热电偶的mV值，所以热电偶检定系统直接采样的是标准热电偶和被检热电偶在各个检定温度点的mV信号，通过计算后，与标准热电偶进行对比，判断被检热电偶是否合格，如果被检热电偶误差在允差范围之内，须给出被检热电偶的温度修正值。如何减少采样子系统的中间环节，保证采样数据的准确性，是需要解决的技术难点之一。(2)控温精度在热电偶检定过程中，对检定炉温度的控制有要求。国家检定规程的技术要求热电偶检定规程中明确规定了，在某一设定温度点进行检定时，检定炉的实际温度与设定值的误差范围，特别是在热电偶循环测量过程中炉温要保持相当恒定，温度变化不超过±O.2℃，系统对检定炉的温度控制具有优良的动态性能，尽量缩短调节时间［2］。(3)冷端自动补偿用户提出在检定系统中不采用冰槽作为参考端恒温器，热电偶冷端温度不为0℃，需要考虑进行冷端补偿。2.2系统设计方案选择2.2.1冷端补偿方案由热电偶测温原理可知，只有当热电偶的冷端温度保持不变，热电势才是被测温度的单值函数。而且，在工程技术上使用的热电偶分度表，和根据分度表刻划的测温显示仪表的刻度，都是根据冷端温度为0℃而制作的。另外在实际使用时，由于热电偶的热端(测量端)与冷端离得很近，冷端又暴露于空气中，容易受到环境温度的影响，因而冷端温度很难保持恒定。因此要采用适当的措施对冷端温度进行补偿，使热电偶测温准确而且方便。根据中间温度定律，当热电偶冷端温度t0≠0℃时，热电偶热端温度t和输出热电势E(t，0)，之间的关系式为：（2.1）式中，E(t,0)，是热电偶热端温度为t、冷端温度为0℃时的输出热电势；E（t,t0），是热电偶热端温度为t、冷端温度为t0时的输出热电势；E(t0,0)，是热电偶热端温度为t0、冷端温度为0℃时的输出热电势。由式(2.1)可知，在热电偶热端温度t一定时，E(t,0)为定值。当热电偶冷端温度t0变化时，E(t0,0)随之变化，从而导致E(t,t0)变化，故要准确地测量热电偶热端温度，必须实时测量冷端温度，进行冷端温度补偿。在实际应用中，常用的热电偶冷端补偿方法有冷端恒温法、补偿导线法、冷端温度校正法、电桥补偿法、二极管补偿法、集成温度电路补偿法等。通常有两种温度补偿方式：方式一，搭建温度补偿回路；方式二，精确测量冷端环境温度，选择软件补偿。方式二可以较精确地测量仪器热电偶接入点的环境温度，这将成为系统整体测量精度的决定因素之一。目前控制中多采用以下3种方法测量环境温度。(1)直接借用CPU内部温度传感器，如Cygnal的CF020。然而，首先测量设备内部温度场并不均匀，热点偶补偿线接入点的温度与CPU的表面温度存在差值其次，集成温度传感器的灵敏度一般为0.1℃，精度±2℃，难以满足测量要求。(2)使用新型智能温度传感器，如美信DSl626，12bit采样精度，3线串行数据通信，O～+70℃，2.7V<VDD<3.0V的条件下，灵敏度0.0625℃，最大误差±0.5℃。但此方法同样存在芯片外壳对环境温度的滞后性影响问题。(3)高精度A／D采样芯片+远端温度传感器。如高精度采样芯片（MAXIM1403）+温敏三极管(3DG6)。可感知温度变化量小于0.02℃，采取防波动措施后，可保证PN结0.2℃和系统0.5℃的误差要求［3］。以上列出的温度测量方法都必须经过A／D转换等电路，都会引入转换误差。所以本热电偶检定系统对冷端的补偿采用一支二等标准铂电阻安装于热电偶冷端处，用电测仪表直接读取标准铂电阻的阻值，通过通信口送入计算机，计算机通过查表法计算出冷端温度值。这样，因为标准铂电阻测量误差可以达到±0.02℃，没有中间环节，精度得到了进一步提高，提高了仪表的复用率，节省硬件开支。2.2.2数据采集系统设计数据采集系统需要采集标准热电偶、最多8支被检热电偶的mV值，以及用于冷端温度检测的标准铂电阻的阻值。为减少中间转换环节，采用带数字通信接口的高精度电量测量仪直接读取这些信号，再通过数字通信送给上位计算机进行处理，数字通信具有很强的抗干扰能力，对采样数据不会产生任何误差。设计一个低寄生电势多路扫描数据采集电路，加上一台既可测电压信号又可测电阻信号的复用电量测试仪，在计算机的协调控制下，完成热电偶自动检测系统的数据采集过程。这样数据采集系统的采样精度，完全由电量测试仪分辨率和多通道切换开关的寄生电势大小决。2.2.3炉温控制系统设计热电偶自动检定系统对检定炉各项技术指标要求较高，整个检定过程要求达到升温快，恒温时炉温变化率不能超过±0.2℃／分钟，且恒温值要相对准确，偏离检定温度不超过±0.5℃。本文对炉温控制系统的设计思想来源于用电压调整器控制可控硅导通角的原理。系统中控温系统由控温热电偶、D／A接口模块、可控硅调压器触发板和可控硅组成。控温热电偶是炉温实际温度传感器，系统中不再单独设立控温热电偶，由标准热电偶代替，根据测得的标准热电偶热电势换算出当前的炉内温度，这样标准热电偶既作为炉温传感器，又作为检定标准偶。可控硅是一种大功率半导体元器件，它具有体积小、效率高、可以控制、动作迅速、无噪声等优点，是用来调整交流电压以控制电加热器的加热功率，在温度控制系统中常用的执行元件。可控硅的导通时刻由可控硅电压调整器中的触发脉冲电路产生的脉冲信号决定的。可控硅控温设备按其脉冲控制电路触发方式的不同，可分为可控硅调压器和可控硅调功器。它们与电流或电压输出的D／A接口模块配套使用，用于控制检定炉温度。系统中使用可控硅调压器移相触发控制电路，把模拟控制信号变为疏密变化的脉冲列，改变可控硅的导通角θ，就可以控制检定炉中电流的大小，从而实现对炉温的控制。D／A接口模块选择插在计算机的扩展槽中专用的计算机接口板，计算机根据特定的控制算法，利用D／A接口模块将计算出的控制量结果，转变成4～20mA的模拟量给可控硅调压器触发板的控制端。2.2.4上位机监控系统设计数字计算机具有运算速度快，计算精度高，存储信息量大，以及通用灵活等特点。在控制领域中作为强有力的控制工具，极大地推动了自动控制技术的发展。在热电偶自动检定系统中，上位计算机扮演着管理控制者的重要角色。系统所有资源都是在它的指挥管理下协调工作的，它的主要功能有：(1)提供友好的用户界面，包括检定参数输入、检定过程状态显示；(2)多路扫描开关通道选择；(3)程控切换测量仪的档位及量程，读取采样数字信号；(4)控温算法软件实现，输出4～20mA的控制信号，控制检定炉加热电流；(5)检定炉恒温状态的判断；(6)热电偶断线，报警输出及紧急断电；2.3系统组成结构及工作原理图2.1系统组成框图热电偶自动检定系统的硬件框架结构由测量、控制和上位机三大模块组成。测量部分完成数据采集工作，控制部分完成炉温控制，计算机是系统控制中心。该系统的工作原理如下：把标准热电偶放入石英玻璃管内和被检热电偶捆扎在一起，且所有热电偶的感温头要处于同一截面上，然后装在管式检定炉的最高温区。本系统最多可同时检测8支不同型号的热电偶，同一时刻多路切换开关只能有其中l路导通。标准铂电阻采用四线制连接到多路切换装置的信号输入端，热电偶通过补偿导线延长接至检定多路切换装置其它信号输入端。正确连线后，主回路送电，给计算机输入必要的参数(热电偶检定温度设定点、被检热电偶支数等)，计算机输出4～20mA的控制信号，通过触发器及电压调整器对检定炉升温，标准热电偶把检测到的炉温信号，通过数字测量仪传输到计算机内，在显示屏上显示炉温及偏差值，并反馈给计算机进行控制。当达到恒温要求后，计算机输出数字量信号控制多路切换开关顺序切换信号通道，通过串行通信口对数字测量仪发送命令，相应改变数字测量仪的档位和量程，顺序读取冷端电阻阻值和每支热电偶的热电势［4］。第3章热电偶自动检定系统的硬件设计热电偶自动检定系统从电气原理上可分为控制部分和测量部分。控制部分由控温热电偶、D／A接口卡、可控硅触发器、电压调整器和检定炉组成；测量部分由通道扫描装置、开关量控制接口卡、数字测试仪、标准铂电阻、标准热电偶及被检热电偶组成。测量部分和控制部分均通过I／O接口与计算机相连。3.1数据采集系统硬件设计3.1.1多功能数字测量仪硬件选型福禄克FLUKE289/F289/F289C真有效值数字万用表（1）特定功能介绍：TrendCapture“趋势捕获”：新的TrendCapture“趋势捕获”绘图功能可帮助用户更加快速地检测和查看间歇事件，并对故障进行分析；扩展内置数据记录存储（10000个读数）：通过容量扩展的内置数据记录，即使在恶劣环境中，或在人员操作难以实现难以操作的情况下，也可进行连续多天的测量；存储多次多段记录结果（无须多次下载）：在需要进行PC下载之前，存储多次或多段记录的结果而提高效率；加强型“最小值/最大值/平均值”功能：所有数据都显示在一个屏幕上，无需翻动屏幕或不同按键，可在一个屏幕上同时看到最小值，最大值和平均值以及开始时间和经过时间；可选的低通滤波器（289）：对变速电机驱动器和其他有严重电气噪声的设备进行精确的电压和频率测量；小电阻（289）：以1毫欧的分辨率测试50欧姆的小电阻，对于测量电机绕组和其他具有很低电阻的设备非常有用；低阻抗LoZ（289）：降低了因杂散电压引起错误读数的可能性［5］；3.1.2通道扫描器设计多路通道扫描器由继电器组和数字量输出接口卡组成。继电器是通道导通的执行元件，数字量输出接口卡是继电器通断的控制元件。(一)HH54P小型继电器HH54P小型继电器是引进日本富士电机株式社全套转悠制造技术生产的高可靠性继电器，具有体积小、重量轻、开闭容量大、可靠性高、寿命长等特点，适用于交流50Hz或60Hz，电压至240V，直流电压至110V的控制电路，供电子设备、通讯设备、电子计算机通讯设备、自动化控制装置等动作切换电路及扩大控制范围之用。产品符合GB14048标准以及IEC255，IEC947和日本JIS标准。(二)PC-6408开关量输入输出接口卡(1)性能指标PC-6408开关量输入输出接口卡适用于具有ISA总线的PC系列微机，具有很好的兼容性，CPU从目前广泛使用的64位处理器直到早期的16位处理器均可适用，操作系统可选用Windows系列，在硬件的安装上也非常简单，使用时只需将接口卡插入机内任何一个ISA总线插槽中，信号电缆从机箱外部直接接入。该卡上的开关量输入为16路，输出为16路，采用两组分别共地方式。输出部分具有上电和主机复位后自动清零功能。主要技术指标：1)输入路数及电气连接方式：16路共地(共阴)方式。2)输入信号电平范围：TTL～48V。3)输入信号电流消耗：≥5mA/每路4)输出路数及电气连接方式：16路共地(共阴)方式。5)输出回路供电要求：+12V～+36V6)最大输出电流：≤200mA/每路；可直接驱动继电器。但每组总输出电流不应超过2A。7)每组信号之间、各组信号与接口卡之间隔离电平：500V。8)电源功耗：+5V（±10％)≤400mA9)环境要求：工作温度：10℃～40℃相对湿度：40％～80％存贮温度：-55℃～+85℃10)外型尺寸(不含档板)：长×高=160mm×106mm(6.3英寸×4.2英寸)(2)工作原理该接口卡的工作原理框图如图3.1所示：在热电偶自动检定系统中只使用了该卡的开关量输出回路，卡上有16路开关量输出回路可用于外部电路的开关控制，其每路最大输出电流200mA左右，开关量输出部分工作原理如图所示。图3.1PC-6408开关量输入输出接口卡工作原理框图图3.2开关量输出部分工作原理图输出驱动器件ULN2003的输出端允许通过IC电流200mA，饱和压降VCE约1V左右，耐压BVCEO约为36V。用户输出口的外接负载可根据以上参数估算。由于本卡采用集电极开路输出，输出电流大，故可以直接驱动继电器或固体继电器(SSR)等外接控制器件，也可直接驱动低压灯泡。该卡工作时，计算机送“1"使驱动器三极管导通，计算机送“0"使驱动器三极管截止。卡上的输出驱动器件ULN2003中内部带有吸收二极管，可有效地吸收感性负载启动时产生的达600mA的峰值电流。所有的开关量输出信号均带有锁存功能。当CPU对设定的一个I／O地址执行一次写操作，就送出了一组(8路)输出信号。当主机加电启动或使用RESET开关使主机硬复位时，卡上的复位清零电路使各组输出均为零，即驱动器三极管截止。(3)使用与操作I/O基地址选择：I/O基地址的选择是通过开关K1进行的，开关拨至“ON”处为0，反之为1。拨码第8位表示地址线A9，拨码第1位表示地址线A2。初始地址的选择范围一般为0100H～036FH之间。应根据主机硬件手册给出的可用范围以及是否插入其它功能卡来决定本卡的I/O基地址，并从基地址开始占用连续4个地址［6］。输入输出插座接口定义：本卡的安装十分简便，只要在关电情况下将主机机壳打开，将本卡插入主机的任何一个空余扩展槽中，再将档板固定螺丝压紧即可。37芯D型插头可从主机后面引出并与外设连接。输入输出插座接口定义见表3.1。表3.1输入输出插座引线定义表插座引脚号信号定义插座引脚号信号定义1开出CH020开出CH12开出CH221开出CH33开出CH422开出CH54开出CH623开出CH75开出CH824开出CH96开出CH1025开出CH117开出CH1226开出CH138开出CH1427开出CH159开出公共地28开出公共地10+12～36V电源入29+12～36V电源入11开出CH030开出CH112开出CH231开出CH313开出CH432开出CH514开出CH633开出CH715开出CH834开出CH916开出CH1035开出CH1117开出CH1236开出CH1318开出CH1437开出CH1519开入公共地控制端口地址与有关数据格式：各个控制端的操作地址与功能见表3.2。表3.2端口地址与功能表端口操作地址操作命令功能基地址+0读写A组前8路开关量输入信号基地址+1读写A组后8路开关量输入信号基地址+2写写B组前8路开关量输出信号基地址+3写写B组后8路开关量输出信号开关量输入输出信号的数据格式采用的是位方式，即一个字节中的任意一位对应一路输入输出信号。其数据格式见表3.3。表3.3开关量输入信号数据格式端口地址操作指令D7D6D5D4D3D2D1D0基地址+0读CH7CH6CH5CH4CH3CH2CH1CH0基地址+1读CH15CH14CH13CH12CH11CH10CH9CH8基地址+2写CH7CH6CH5CH4CH3CH2CH1CH0基地址+3写CH15CH14CH13CH12CH11CH10CH9CH8该卡的驱动程序是一个标准动态链接库(DLL文件)。它的输出函数可以被其它应用程序在运行时直接调用。应用程序可以用任何一种可以使用DLL链接库的编程工具来编写。(4)线路连接PC-6408开关量输入输出接口卡与继电器之间的连线如图3.3所示。图3．3采样子系统连线示意图3.2温度控制系统硬件设计热电偶自动检定系统中检定炉温度控制子系统原理框图如3.4所示。功率单元采用进口管芯单向反并联晶闸管模块，触发器控制方式为调相控制，连续调压，可自动或手动控制，自动控制时，控制信号由D／A接口卡输出的4～20mA接入；手动控制由外接的3.3KΩ电位器调整。3.2.1单相晶闸管调压触发器控制输入与触发输出光电隔离，可以与各种自动化仪表配套使用，并且单相220V／380VAC通用。自动控制时对仪表无干扰，广泛应用于负载要求连续平滑调节、低电压大电流以及控制精度要求较高或不允许大电流冲击的单相控制系统。如直流电机的调速、调压、充电，电阻炉的温度控制等。接线简便，无须外接同步变压器，无须考虑相序问题。可靠的过流保护使得主回路可控硅损坏不会导致控制器损坏，甚至在触发线路接错情况下，短时间内也不会损坏。图3.4控温子系统原理框图主要性能特点：(1)触发脉冲宽度≥90°，移相范围0～180°；(2)正负半周脉冲不均衡度≤1°，触发功率大，最大可触发KP2000A晶闸管；(3)具有软启动功能:开机和过流复位时，输出电压逐渐达到设定值，避免大电流冲击；(4)过流自动锁定功能：当设备发生过流时，经延时后自动封锁触发脉冲，并自动保持。当故障排除后，按一下过流复位按钮，解除封锁，设备软启动；(5)配有手动调节和与自动化仪表输出信号相连的自动调节方式；(6)输入规格：0～10V、4～20mA可选［7］。接线方法：触发板接线端子与外围信号的连接如图3.5所示。图3.5触发板接线示意图3.2.2模入模出接口卡模拟量输出接口卡同数字量输出接口卡一样，选择PC-6320模入模出接口卡。PC-6320模入模出接口卡适用于具有ISA总线的PC系列微机，具有很好的兼容性。其模入模出信号均由卡前端的26线扁平带缆插头与外部信号源及设备连接。对于模出部分，用户可根据控制对象的需要选择电压或电流输出方式以及不同的量程。该卡带8路A／D输入通道，2路D／A输出通道，在热电偶检定系统中，只使用了它的其中l路输出。主要技术参数：(1)输出通道数：2路(互相独立，可同时或分别输出)(2)输出范围：电压方式：O～5V、-2.5V～+2.5V电流方式：0～10mA、4～20mA(3)D／A转换器件：DAC0832(4)D／A转换分辨率：8位(5)D／A转换综合建立时间：≤5μS(6)D／A转换综合误差：电压方式：≤O.4％F.S电流方式：≤l％F.S输入输出插座接口定义见表3.4：表3.4PC-6320输入输出插座接口定义表插座引脚号信号定义插座引脚号信号定义1CH02模拟地3CH14模拟地5CH26模拟地7CH38模拟地9CH410模拟地11CH512模拟地13CH614模拟地15CH716模拟地17V0018数字地19V0120数字地21空脚22空脚23I0024+12V输出25I0126+12V输出I／O基地址选择：I／O基地址的选择是通过开关K进行的，开关拨至“ON"处为0，反之为l。初始地址的选择范围一般为0100H～0378H之间。出厂时本卡的基地址设为0100H，并从基地址开始占用连续8个地址［8］。各个控制端的操作地址与功能见表3.5：表3.5PC-6320端口地址与功能端口操作地址操作命令功能基地址+0写设通道代码，选通道基地址+0写启动A/D转换基地址+0读查询A/D转换状态基地址+1读读A/D转换结果基地址+5写写D/A08位数据基地址+6写写D/A18位数据D/A输出方式设定：D/A输出方式跨接选择器J3与J4用来改变D/A的输出方式，其中J4对应D/A0，J3对应D/A1。当选择电流方式时需装配电阻R19(D/A0)、R12(D/A1)，当选0～10mA时R19、R12应装配阻值为560Ω阻值，当选4～20mA时，应装250Ω电阻［7］。D/A调整：(1)D/A零点调整：将D/A转换器数据置为0，适当调整W10(D/A0)、W12(D/A1)使D/A输出为0V。(2)D/A满度调整：将D/A转换器数据置为FFH，适当调整W8(D/A0)、W11(D／A1)使输出为5V。3.3上位机硬件配置一般在系统设计中应该遵守的共同原则：可靠性高；操作性好；实时性强；通用性好；经济效益高等。其中高可靠性是系统稳定运行的保证。为了保证系统硬件的可靠性，同时为了缩短开发周期，降低技术风险，本系统选用总线结构的控制机来实现系统硬件的功能。由于ISA总线具有软件支撑特别丰富、CPU功能强、市场上各种I／O模板极其丰富、各种高档的图形显示控制卡及其支持软件齐全、PC机的价格较为低廉、PC机联网极为方便。因此，本系统选用支持ISA等总线的台湾研华\控制机［9］。第4章热电偶自动检定系统温度控制方法在热电偶检定过程中，检定炉的温度控制的好坏对热电偶检定起关键作用。在实际系统中，炉温问题是相当复杂而又难以用数学公式精确描述的问题。4.1热电偶的检定炉的物理模型分析炉温控制的准确度不但取决于控制器本身的准确度和性能，也取决于它所控制对象的特性。对工作用热电偶进行检定时，其300℃以上温度点的检定是在管式炉中完成的，这种管式炉长度为600mm，加热管内径约为40mm。结构图如图4.1所示。图4.1热电偶检定炉结构示意图该炉负责提供检定所需要的均匀温场，其常用最高温度为1200℃，最高均匀温场中心与炉子几何中心沿轴线上偏离不大于10mm；在均匀温场长度不小于60mm，半径为14mm范围内，任意两点间温差不大于1℃。作为温控对象的检定炉，对其进行温度控制的实质应该是加热与散热的动态平衡。其温场温度变化与其热容量、加热量及散热量有关。假定，T为炉内温度，Qj为加热量，QS为散热量，A为检定炉热容。根据能量平衡的原理，有：（4.1）式中，t为时间，下同。在保温层一定情况下，检定炉温度越高则散热量越大，△QS与△T有线性关系：（4.2）将(5.1)代入(5.2)则：（4.3）令，，代入(4.3)，则整理后得：（4.4）式中，Kl为时间常数，K2为温度相对于散热量的放大系数。由式(4.4)可知检定炉可近似为一阶惯性环节。考虑到在实际的过程中，还存在延迟现象，所以被控对象检定炉的数学模型中还有一个滞后环节。因此，检定炉可近似用一阶惯性加纯延迟环节来表示，其传递函数表示为：（4.5）式中T为检定炉的热惯性时间常数，K为比例系数，T为纯滞后时间。对于不同的被控对象，T、K、τ的数值有所不同，对于同一台检定炉，它们的值也随炉温的变化而改变［10］。4.2控制算法选择目前常用的控制算法有PID控制、自适应控制、模糊控制、神经网络等控制方法。PID控制是发展最早、理论最成熟、应用最为广泛的控制策略，具有计算量小、实时性好、易于实现等特点。对于检定炉这样具有时滞、时变等因素的对象，最佳参数容易漂移，此时PID控制效果将难以达到预期的目标。实验表明，在热电偶检定系统中，采用常规的PID控制算法，会产生较大的超调，温度虽然最后能够稳定下来，但调节时间很长，很难达到用户提出的技术指标。4.2.1PID控制常规PID控制器作为一种线性控制器，它是根据给定值r(t)与实际输出量c(t)来构成控制偏差量，将偏差按比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。常规的PID控制系统框图如图4.2所示：图4.2PID控制系统的原理框图PID的数学模型可用下式表示：（4.6）其中：u(t)一控制器的输出e(t)一控制器的输入，它是给定值和被控对象输出值的差，称偏差信号KP一控制器的比例系数Ti一控制器的积分时间Td一控制器的微分时间在以微处理器为硬件核心的控制系统中，由于是以采样周期对输入和输出状态进行实时采样，故它是离散时间控制系统。在离散控制系统中，PID控制采用差分方程表示：（4.7）式中T为采样周期，u(k)为k采样周期时的输出，e(k)为k采样周期的偏差。在式(4.7)中，令△e(k)=e(k)-e(k-1)，则有（4.8）在式(4.8)中，令Ki=Kp/Ti，Kd=KpKd，则有（4.9）为了避免在求取控制量u(t)时对偏差求和运算，在实际应用中通常采用增量式：△u(k)=u(k)一u(k-1)(4.10)由于(4.11)并且△e(k)=e(k)-e(k-1)△e(k-1)=e(k-1)-e(k-2)所以有（4.12）4.2.2模糊控制摸糊控制系统是采用计算机控制技术构成的一种具有反馈通道的闭环结构的数字模糊控制系统。模糊控制系统组成原理框图如图5.3所示。模糊控制系统是由被控对象、执行机构、过程输入输出通道、检测装置、模糊控制器等几部分组成。被控对象的数学模型可以是已知的、精确的，也可以是未知的、模糊的。过程输入输出通道一般指模／数(A／D)、数／模(D／A)转换单元和接口部件，电平转换装置及多路开关等。模糊控制器抗干扰能力强，响应速度快。图4.3模糊控制系统组成原理框图模糊控制器又称为模糊逻辑控制器，它的模糊控制规则用模糊条件语句来描述，是一种语言型控制器，因此有时又被称为模糊语言控制器［11］。模糊控制器的组成结构如图4.4所示。图4.4模糊控制器功能模块模糊控制器由模糊化模块、数据库和规则库构成的知识库、模糊推理模块和解模糊模块组成［12］。4.3模糊PID参数自整定控制器的实现4.3.1模糊PID参数自整定控制器的结构控制器结构图如图4.5所示，根据模糊PID控制器结构图可知，PID参数的校正部分实质是一个二维的模糊控制器。系统的输入量是设定的温度值，所以这里选择模糊控制器的输入量为温度的偏差e和偏差变化率ec，输出量为PID参数的修正量△KP、△Ki、△Kd。它们的语言变量、基本论域、模糊子集、模糊论域和量化因子可见表4.1所示。表4.1模糊化结果变量eec△kP△k1△kd语言变量EEC△KP△K1△KD基本论域[-55][-11][-0.60.6][-0.0120.012][-1.21.2]模糊子集模糊论域[-66][-66][-66][-66][-66]量化/比例因子6/5=1.26/1=60.6/6=0.10.012/6=0.0021.2/6=0.2图4.5模糊PID参数自整定控制器的结构选择各变量的隶属度函数为均匀三角函数，这根据表5.1作出各个变量的隶属度函数如图4.6所示。图4.6E、EC、△KP、△KI、△KD隶属度函数根据上面E、EC、△KP、△KI、△KD隶属度函数，可以近似的得出各个语言变量的赋值表如下表4.2所示：表4.2语言变量赋值表变量-6-5-4-3-2-10123456语言变量PB000000000000.51PM0000000000.510.50PS00000000.510.5000ZO000000.510.500000NS0000.510.50000000NM00.510.5000000000NB10.5000000000004.3.2PID参数模糊调整规则参数模糊自调整PID控制器就是找出在不同时刻PID三个参数与e和ec之间的模糊关系，在运行中不断检测e和ec，根据模糊控制原理来对三个参数进行在线修改，以满足不同的e和ec对控制参数的不同的要求，而使被控对象有良好的动、静态性能。从传统的稳定性、响应速度、超调量和稳定精度等各方来来考虑KP、KI、KD的作用如下：(1)比例系数KP的作用是加快系统的响应速度，提高系统的调节精度。KP越大，系统的响应速度越快，系统的调节精度越高，但易产生超调，甚至会导致系统不稳定。KP取值过小，则会降低调节精度，使响应速度变慢，从而延长调节时间，使系统静态、动态特性变坏。(2)积分作用系数KI的作用是消除系统的稳态误差。KI越大，系统的静态误差消除越快，但KI过大，在响应过程的初期会产生积分饱和现象，从而引起响应过程的较大超调。若KI过小，将使系统静态误差难以消除，影响系统的调节精度。(3)微分作用系数KD的作用是改善系统的动态特性，其作用主要是在响应过程中抑制偏差向任何方向的变化，对偏差变化进行提前预报。但KD过大，会使响应过程提前制动，从而延长调节时间，而且会降低系统的抗干扰性能。PID参数的整定必须考虑到不同时刻三个参数的作用及相互之间的关系。由经验得知控制过程对参数KP、KI、KD的自整定要求如下：(1)当偏差|e|较大时，为了加速系统的响应速度，应取较大的KP；为了避免由于开始时，偏差e的瞬间变大可能出现的微分过饱和，使控制作用超出范围，应取较小的KD；为了防止系统响应出现较大的超调，产生积分饱和，应对积分作用加以限制，通常取KI=0，去掉积分作用。(2)当|e|和|ec|处于中等大小时，为了使系统响应具有较小的超调,KP应取小一些，KI取值适当，KD的取值对系统影响较大，取值适中，以保证系统的响应速度。(3)当|e|较小即接近于设定值时，为使系统有良好的稳态性能，应增加KP和KI的取值，为避免系统在设定值附近出现振荡，并考虑系统的抗干扰性，KD的取值相当重要。一般|ec|较小时，KD取值较大些；当|ec|较大时，KD取值应该较小些。(4)偏差变化量|ec|的大小表明偏差的变化率，|ec|值较大，KP的取值越小，KI取值越大［13］。4.3.3模糊推理及解模糊化模糊推理是不确定性推理方法的一种，其基础是模糊逻辑，推理方法有Zadeh方法、Mamdani方法和Baldwin方法等，采用Mamdani方法推理方法进行推理(极大极小值法)。规则如果Ai且Bi，那么Ci的模糊关系可以表示为：（4.13）在推理计算过程中可以写成并集形式。由此推理结果为：（4.14）其中可以写成其隶属度函数为：（4.15）几何意义为：分别在不同的规则中，用各自推理前件的总隶属度，去切割本推理规则中后件的隶属度函数，以得到输出结果，最后对所有的结论进行模糊逻辑和，即并运算，得到总的推理结果(前件选最小值)。由于模糊控制器输出是一个模糊集合，它无法对精确的模拟或数字系统进行控制，必须进行精确化计算，得出此模糊集中最有代表意义的确定值，作为系统的输出控制，采用重心法，即加权平均法［14］。按以上方法计算出在不同的偏差和偏差变化率时，PID参数的调整量的输入值，也就是模糊控制表对应的数值，由此可以计算出△KP的模糊控制器的查询表。同理，可以计算出△KI、AKD的模糊控制器的查询表，下面分别是△KP、△KI、△KD的模糊控制表。表4.6△KP模糊查询表ec-6-5-4-3-2-10123456e-66665444332000-566654333320-1-1-466654333320-1-2-35555433220-1-1-2-2444443320-1-2-2-2-144433220-1-1-3-3-304443320-1-2-3-3-3-31333220-1-1-2-3-3-3-3233320-1-2-2-2-3-3-3-333220-1-1-3-3-3-3-3-4-44320-1-2-3-3-3-3-3-3-4-65220-1-3-3-3-3-3-4-4-4-56000-1-3-3-3-3-3-4-6-5-6表4.7△KI模糊查询表ec-6-5-4-3-2-10123456e-6-6-5-6-4-3-3-3-3-2-1000-5-5-5-5-4-3-3-3-3-2-1000-4-6-5-6-4-3-3-2-2-2-1000-3-5-4-4-3-3-32-1-10222-2-6-4-3-3-2-2-2-102333-1-4-4-3-3-2-1-10223330-3-3-3-3-2-102334441-3-3-3-1-1022334552-3-3-2-10233334563-1-1-10223334556400023333456665000233334566660002334445666表4.8△KD模糊查询表ec-6-5-4-3-2-10123456e-630-2-3-6-5-6-5-6-4-303-530-2-3-5-4-4-4-4-3-302-430-2-3-6-4-3-3-3-3-2-10-320-2-3-4-4-3-3-3-3-2-10-20-1-2-3-3-3-3-3-2-2-2-10-10-1-2-3-3-3-3-3-2-2-2-1000-1-2-2-2-2-2-2-2-2-2-1010-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-102111000000111132122222222222461-203333333465621233333334666544444333346将以上三张模糊控制表装入单片机控制系统的存储器中，根据误差E与误差变化率EC查找表中相应的值{Ei，ECi)，将这些参数代入PID控制器的位置型公式可以得到公式：（4.13）第5章工业热电偶自动检定系统的软件设计5.1软件系统组成本系统软件采用模块化的设计方法，图5.1是上位机的软件功能结构框图。图5.1上位机软件功能结构框图上位机软件主要由以下功能模块组成：(1)检定过程控制模块该模块主要实现整个检定过程的自动化操作。包括检定参数的输入，检定过程中炉温、开关状态、报警状态、实时温度曲线等的动态显示，数据记录［15］。(2)通信处理模块该模块完成计算机与数字测量仪之间的通信处理，实现计算机对数字测量仪测量电量信号及量程切换，完成采样数据的读取。(3)数据处理模块该模块完成热电势与温度之间、铂电阻阻值与温度之间数据的转换，冷端补偿以及检定结果计算等功能。(4)控温算法实现模块该模块根据不同输入偏差e和偏差变化率ec，通过检索模糊控制查询表，在线修正PID控制器的参数，再计算PID控制器的输出值，由计算机的D／A接口输出4～20mA信号，控制检定炉的加热电压，达到检定炉温度自动控制。(5)系统管理模块该模块完成系统管理上的一些工作，包括使用者权限设置、检定证书的打印、历史数据查询、各类型热电偶和铂电阻分度表的管理等［16］。5.2自动检定过程热电偶自动检定过程的软件流程图如图5.2所示。整个检定过程按以下步骤自动进行：图5.2热电偶检定过程控制流程图(1)检定参数输入输入的参数包括：检定点温度值、日期、被检热电偶类型、支数、检定曲线、初始PID参数、上下限幅、标准热电偶修正值。(2)计算机检查热电偶连接情况计算机输出控制信号，依次导通多路开关中各继电器，同时向发出测量信号，判断标准热电偶、被检热电偶连线是否断路或反相。(3)升温当各热电偶连线正确无误后，系统开始按照输入的检定曲线升温，同时周期性地读取程控调节仪检测到的炉温实时温度，送显示器显示。(4)检定当炉内温度达到第一个检定点设定值时，计算机判断炉温是否已达到检定要求，如果炉温不够稳定，继续保温。如果炉温已经稳定，则开始检定，计算机依次导通多路开关中各通道，同时向测量仪福禄克FLUCK289发读数信号，测量仪依次读取冷端电阻阻值、各热电偶热电动势，并送入计算机，计算机再对结果进行处理、转换，保存在计算机中。第一个检定点检定完毕后，继续升温，又重复上述(3)、(4)步，直到所有检定点检定完毕［17］。在本系统中，采取直接查分度表的方法。这样，要计算出热电偶检测的温度值，必须查三次分度表。第一次，用测得的电阻值去查Ptl00热电阻的分度表，得到冷端温度；第二次，用冷端温度值去查相应热电偶的分度表，得到冷端补偿电势，与直接检测到的热电偶电势相加，进行冷端补偿；第三次，用经过冷端补偿之后的热电势，去查热电偶分度表，得到热电偶实际检测的温度值。检定数据处理程序流程图如图5.3所示。5.3模糊自适应PID控制算法的软件