基于虚拟仪器的电阻炉温度控制系统设计毕业设计论文.docx

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基于虚拟仪器的电阻炉温度控制系统设计毕业设计论文

毕业设计论文

基于虚拟仪器的电阻炉温度控制系统

摘要

电阻炉被广泛地应用在工业生产中，它的温度控制效果直接影响到生产效率和产品质量，因而对温度控制系统的要求很高。

目前工业电阻炉通常采用常规PID控制，PID控制器是最早发展起来的控制策略之一，具有结构简单、容易实现、控制效果好、鲁棒性强等特点，被广泛应用于工业过程控制，尤其适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统，在工业过程控制中至今仍得到广泛应用。

但是工业电阻炉的温度控制具有非线性、大惯性、大滞后等特点，难以对其建立精确的数学模型，因而常规PID控制难以取得良好的控制效果；本文采用增量式PID控制算法来进行PID参数的自动整定。

作为计算机技术和现代仪器技术相结合的产物，虚拟仪器实现了在传统测试理论和控制方法上的革命性突破。

与传统仪器相比，虚拟仪器具有功能更丰富、处理速度更快、测量效率更高、可扩充性更好的优点。

本文把虚拟仪器与智能温度控制相结合，用LabVIEW开发了一套自整定的PID控制算法的温度控制系统。

论文概述了智能温度控制的发展与现状，介绍了虚拟仪器的发展及其突出特点。

详细地论述了系统的设计与实现方法，其中包括数据采集、数据处理、数字滤波等功能模块的设计与实现。

关键词：

虚拟仪器；PID控制器；自整定

ResistanceFurnaceTemperatureControlSystem

BasedonVirtualInstrument

Abstract

Resistancefurnacewaswidelyusedinindustrialproduction,whoseeffectofthetemperaturecontrolhasadirectimpactonproductivityandproductquality,thusahighqualityoftemperaturecontrolsystemisdemanded.IndustryResistancefurnaceusedtouseconventionalPIDcontrol,PIDcontrollerisoneoftheearliestcontrolstrategiesanditissimpleinstructure,easytoimplement,effectivetocontrol;italsohasthecharacteristicsofrobustness.Soitiswidelyusedinindustrialprocesscontrol,inparticulartoestablishaprecisemathematicalmodel,andindustrialprocesscontrolisstillwidelyused.However,theindustry'sResistancefurnacewithtemperaturecontrolofnonlinear,largeinertia,thecharacteristicsoflargetimedelay,itisdifficulttoestablishitsprecisemathematicalmodelofconventionalPIDcontrol,thusitisdifficulttoachievegoodcontroleffect;Inthispaper,weuseincrementalPIDcontrolalgorithmforauto-tuningparameters.

Asproductofcombinationofthecomputertechnologyandmodernequipmenttechnology,itmakearevolutionarybreakthroughfromtraditionaltestandmeasurementmethods.Comparedwithtraditionalinstruments,virtualinstrumenthasamorefeature-rich,fasterprocessingspeed,moreeffectivemeasurement,theadvantageofbetterscalability.Inthispaper,thevirtualinstrumentandintelligenttemperaturecontroliscombined,weuseLabVIEWtodevelopasetofself-tuningPIDcontrolalgorithmofthetemperaturecontrolsystem.Paperprovidesanoverviewofthedevelopmentofintelligenttemperaturecontrolandthestatus,describesthedevelopmentofvirtualinstrumentationanditssalientfeatures.Detailingthesystemdesignandimplementation,includingdataacquisition,dataprocessing,digitalfilteringandotherfunctionsoftheDesignandImplementationofmodules.

Keywords:

virtualinstrument;PIDcontroller;self-tuning

第一章引言

1.1本课题的背景及意义

随着工业的发展，对金属材料的性能提出了更多更高的要求，因而热处理技术也向着优质、高效、节能、无公害方向发展。

在钢铁、机械、石油化工、电力、工业炉窑等工业生产中，温度是极为普遍又极为重要的热工参数之一，随着工业过程对控温精度要求的提高，测温范围也随之变广，因此温度控制技术的研究是一个重要的研究课题。

在工业电炉控制中温度的控制是十分重要的“温控过程要严格按照事先设定的温度曲线运行，如果意外掉电导致加热终止或控温精度低，都会导致工业加热的失败”，因此研究以工业电阻炉为控制对象，以智能仪表为控制工具的温控系统具有一定的实际应用价值。

随着计算机、通讯技术在工业自动化系统的广泛应用，工业仪表的功能越来越强大，在高新技术的推动下，作为工业主要技术工具的控制仪表正跨入真正的数字化、智能化、网络化时代。

不仅各类测控设备是数字化的，而且可通过网络将分散的控制装置和各类智能仪表连接起来，实现工业生产过程的集散监控管理。

电阻炉是一种具有纯滞后的大惯性系统，开关炉门、加热材料、环境温度以及电网电压等都影响控制过程，传统的电阻炉控制系统大多建立在一定的数学模型基础上，对被控对象中的非线性、时变性及随机干扰无能为力。

电阻炉是热处理生产中应用最广的加热设备，这样加热时均温过程的测量与控制就成为关键性的技术。

首先，控温精度要高。

其次，当生产环境发生变化而影响到控温精度时，要有合适的手段进行调整以达到精度要求。

而且，为了方便进行工艺的研究，需要能保存温度数据。

最后，根据生产中的实际情况，电热烧结和控制设备要求操作方便，易于维护，成本较低等等。

电阻炉是利用电流通过电热体元件将电能转化为热能来加热或熔化工件物料的热加工设备。

电阻炉和火焰比，热效率高，可达50%－80%，热工制度容易控制，劳动条件好，炉体寿命长，适用于要求较严的工件的加热，但耗电费用高。

按传热方式，电阻炉分为辐射式电阻炉和对流式电阻炉。

辐射式电阻炉以辐射传热为主，对流传热作用较小；对流式电阻炉以对流传热为主，通常称为空气循环电阻炉，靠热空气进行加热，炉温多低于650℃。

按电热产生方式，电阻炉分为直接加热和间接加热两种。

在直接加热电阻炉中，电流直接通过物料，因电热功率集中在物料本身，所以物料加热很快，适用于要求快速加热的工艺，例如锻造坯料的加热。

这种电阻炉可以把物料加热到很高的温度，例如碳素材料石墨化电炉，能把物料加热到超过2500℃。

直接加热电阻炉可作成真空电阻加热炉或保护气体电阻加热炉，在粉末冶金中，常用于烧结钨、钽、铌等制品。

采用这种炉子加热时应注意：

（1）物料加热均匀，要求物料各部位的导电截面和电导率一致；

（2）由于物料自身电阻相当小，为达到所需的电热功率，工作电流相当大，因此送电电极和物料接触要好，以免起电弧烧损物料，而且送电母线的电阻要小，以减少电路损失；（3）在供交流电时，要合理配置短网，以免感抗过大而使功率因数过低。

大部分电阻炉是间接加热电阻炉，其中装有专门用来实现电-热转变的电阻体,称为电热体，由它把热能传给炉中物料。

最常用的电热体是铁铬铝电热体、镍铬电热体、碳化硅棒和二硅化钼棒。

根据需要，炉内气氛可以是普通气氛、保护气氛或真空。

一般电源电压220伏或380伏，必要时配置可调节电压的中间变压器。

小型炉（＜10千瓦）单相供电，大型炉三相供电。

对于品种单一、批料量大的物料，宜采用连续式炉加热。

炉温低于700℃的电阻炉,多数装置鼓风机，以强化炉内传热，保证均匀加热。

用于熔化易熔金属（铅、铅铋合金、铝和镁及其合金等）的电阻炉，可做成坩埚炉；或做成有熔池的反射炉，在炉顶上装设电热体。

常用的温度控制方法有：

电接点温度表温度控制、位式温度显示调节仪温度控制、PID连续电流输出温度显示调节仪表温度控制、PID连续电压输出温度显示调节仪表温度控制。

这些温度控制方法大都是在工业生产现场安装温度控制仪表，通过提前设定温度控制的上下限值或PID控制参数，然后再将控制仪表投入使用，进行各种预定的控制。

但若被控对象发生变化，难于实时的调整控制参数，不能满足实时控制的要求，而且温度变化曲线的记录不易实现。

总之，我国的电阻炉的控制设备的现状不容乐观，它主要有以下特点：

一小部分比较先进的设备和大部分比较落后的设备并存。

由于我国改革开放的发展，国内引进和生产了少量的比较先进的控制设备，但是，整体上，我国的电阻炉控制系统比国外发达国家要落后四、五十年，占主导地位的是模拟仪表控制，这种系统的控制参数由人工选择，需要配置专门的仪表调试人员，费时、费力且不准确。

控制精度依赖于试验者的调节，控制精度不高，一旦生产环境发生变化就需要重新设置。

操作不方便，控制数据无法保存。

因而，对生产工艺的研究很困难，因此造成产品质量低、废品率高、工作人员的劳动强度大、劳动效率低、这些都缩减了企业的效益。

因此，本课题研究有关控制理论及算法，编制基于智能化的控温程序，配以相应的硬件装置，使得高温电阻炉按照预先给定的升温保温曲线加热，达到提高控制精度、实现烧结自动化的目的。

为了解决以上温度控制方法中存在的问题，本论文提出一种基于虚拟仪器LabVIEW的温度控制系统，本控制系统具有简单易懂的控制界面，能够实时显示温度的变化曲线，容易修改控制算法控制精度高等特点，很容易适应各种温度控制系统。

1.2论文研究的主要内容

本文以电阻炉为研究对象，针对电阻炉的温度，在比较、研究不同控制策略的基础上，主要对虚拟仪器在电阻炉温度控制中的应用进行了研究。

利用虚拟仪器的巨大优越性，改善电阻炉温度的控制品质，提高控制效果。

本文主要进行了以下几方面的工作：

（1）论述了电阻炉温度控制系统的课题目的、意义，温度控制系统系统的国内外发展概况及本论文的主要内容并对电阻炉温度控制特点进行了简要分析。