1 引言
目前，在 陶瓷生产过程中，大都采用基于PLC的现场控制系统，此类系统可靠性高，实现起来比较容易，但由于plc在数据处理和管理方面的功能局限，造成所设计的控制系统在可操作性、控制精度以及运行过程实时检测方面存在很大的不足。因此我们通过单片机技术、图形化语言labview和九点控制器的控制策略，对窑炉的控制系统进行改造，并开发了这套数据采集和温度控制系统，从而完成对生产过程的管理、控制一体化。九点控制器是一种新型智能控制器，是根据偏差与偏差变 化率将实际运行状况抽象成九个工况点，从而给出相应的控制策略进行有效控制，其基本思想是控制器根据控制系统的实际运行模式特征，不断地改变或调整控制决策，以便使控制器本身的控制规律适应于控制系统的需要，获得良好的响应性能。
2 系统硬件设计
硬 件系统采用模块化设计，整个系统分为温度采集模块、交流电压和电流采集模块、a/d转换模块及通讯模块四部分，各模块均以单片机at89c2051为核心，采用485总线进行通讯。系统的总结构框图如图1所示。
图1 系统结构框图
3 系统软件设计
虚拟仪器实际上就是一种基于计算机的自动化测试仪器系统，通过软件将计算机硬件资源与仪器硬件有机的融合为一体，从而把计算机强大的计算处理能力和仪器硬件的测量、控制能力结合在一起，大大缩小了仪器硬件的成本和体积，并通过软件实现对数据的显示、存储以及分析处理。labview是美国NI公司推出的虚拟 仪器开发平台软件，它是一个高效的图形化程序设计环境，结合了简单易用的图形式开发环境与灵活强大的编程语言，内含大量分析处理子程序，产生的程序是框图的形式，使用十分方便，也大大缩减了工程人员的软件开发时间。
本软件系统通过串口通信实现实时数据采集、数据显示、并采用九点控制方法控制温度。本系统采用程序模块化和多任务设计，一个任务完成数据采集、数据显示、数据分析、数据存储等功能。一个任务根据采集得到的实际数据应用九 点控制器算出控制量，并将控制量通过串口送给下位机而达到控制温度的目的。
3.1 串口数据通讯及显示程序
虚拟仪器软件体系结构visa是i/o接口软件库及其规范的总称。labview中用于串 行通信的节点是visa节点,使用其中的函数可实现初始化串口、串口写、串口读、检测串口缓存、中断以及关闭串口等功能。
在程序框图的设计中, 首先调用visa configure serial port功能模块来进行初始化端口所选择的串口参数设置。通过它,我们可以根据实际需要设置串口号、波特率、数据位、奇偶校验位、握手信号类型和输出错误代码等。visa open根据resource name和visa session与指定的设备建立通讯。利用visa write写端口，把整个命令帧发送到串口，利用visa read读串口，利用visa close关闭visa session并释放设备资源。这样就形成了一个完整的串口通信程序流程：初始化端口—开端口—写端口—读端口—关闭端口。程序示意图如图2，在此系统中 通过通信协议循环采集电流、电压、温度、冷端电势值，采集的数据用waveform chart控件实时显示数据，并可以看到动态实时数据曲线。
图2 程序示意图
3.2 数据采集、处理和存储
本系统中温度传感器选用k型热 电偶，其测温范围适中，线性度较好，温度补偿方式采用内部补偿。用一个串口数据采集子vi将数据采集，一个vi对数据进行分析，用九点控制器策略算出控制 参数，达到控制温度的目的。数据存储使用write LabVIEW measurement file功能模块，它是labview自7.0版本新增的功能模块，且功能智能化，只需用户设置其保存数据的格式、位置等而不需考虑其如何实现。此模块也 可以记录数据存储时间并可以把数据保存为不同的文件格式，如word、excel等。
3.3 基于九点控制器的温度控制
对于加温控制可以采用调节供电电压来调节加温控制温度，调压法控制的原理是通过调节可控硅的触发相位的相位角达到对有效电压的调节,本控制系统通过调节供电电压来实现。
(1)九点控制器概要。九点控制器属于逻辑控制而不属于模糊控制，逻辑控制、传统控制与模糊控制三者区别如下：传统控制理论是依据微分方程实现自动控制，模糊控制和逻辑控制都是依据概念控制，这是对传 统控制的一种突破。模糊控制与逻辑控制的差别在于：模糊控制是按照查德la提出的模糊集理论及相应的定义运算进行的,逻辑控制是按照泛布尔代数所服从的规律进行的。模糊集的补余律不成立，泛布尔代数的补余律成立。非的运算在两个系统中定义也是不同的，与带修正因子的模糊控制差别在于：一种用数学解析式来表 示控制规则或输出响应，而另一种用泛布尔表达式来表示(符合人类逻辑思维规律)。
九点控制器是依据偏差和偏差变化率来调整控制器 输出,其控制结构示意图如图3所示。
图中r(t)为系统给定的设定值，c(t)为其输出响应，则定义偏差e=r(t)-c(t)，偏差变化率ē= (ei-ei-1)/t，其中t为采样周期，i和i-1分别为本次采样时刻和上次采样时刻。设e0为系统允许偏差(其中e0为偏差上限,-e0为偏差下限)，±ē为系统允许偏差变化率(ē0为误差变化率上限,-ē0为误差变化率下限)。
(2)九点控制器的控制策略。表1给出工况 和相应的控制作用力ki的关系，九点控制器就是根据上述给定的偏差和偏差变化率选择不同的工况，根据这些由偏差、偏差变化率组合而形成的9种工况采取相应 的控制策略,控制器根据偏差和偏差变化所确定的工况，不断在9种控制策略中来回切换,从而达到控制目的和跟踪性能的要求。其控制策略也可以在相平面图(图 4)上得到体现。
图4 九点控制器的相平面图
从图中可以看到，工况穷尽了系统运动的所有状态，在不同的工况下采用不同的控制作用力,使它们建立一一对应关系，使系统运动能够尽可能的逼近给定的运动曲线.为了方便分析,可将图4中的九个区域分别称之为ki(i=0,±1,±2,±3,±4)的作用区域,其控制效果就取决于这九个 控制作用力。一般情况下，k4+≥k3+≥k2+≥k1+，k4-≥k3-≥k2-≥k1-，k0一般取较小值使得系统稳态时的振荡频率较小。
(3)九点控制器应用效果。在原理研究和设计的基础上，在陶瓷生产线中采用基于九点控制器的温度控制系统，由于各个分区的延时滞后特性的差异，及工艺要求的设定 值不同，ki的取值各不相同，典型值如表2。在系统中，|偏差|=|功率给定值-功率实际值|/100，0.05为允许偏差。设置采样周期=1(s)，功 率给定值=200,400,600,800,1000,1300,1500(w)，保温时间=6,3,2,2,2,2,2(分钟),持续保温到停止。
表2 九点控制器参数在温度控制中的取值
图5是仿真得到的温度电势(e)-时间(t)曲线(图5)，从图中我们可以看出控制效果具有响应快和适应性强的特点。
图5 温度电势-时间曲线
4 结束语
本设计 表现出labview是开放型的模块化程序设计语言,使用它可快速建立自己的仪器仪表系统，与传统的vb、vc++相比它具有开发周期短，便于工程人员调 试，在程序设计当中将c语言和labview相结合的形式进行软件开发，大大提高了工作效率，对于复杂的显示界面，则采用了labview自带的丰富的显 示控件，使得界面清晰、美观。可见在工业测控领域, 使用嵌入式操作系统和虚拟仪器技术相结合的方法不失为一种不错的选择。
